此次等離子體不穩(wěn)定性產(chǎn)生了高達(dá)1000特斯拉的磁場，為科學(xué)家研究宇宙射線及遙遠(yuǎn)天體物理事件提供了新的研究途徑。

美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員首次捕捉到等離子體不穩(wěn)定性的詳細(xì)圖像，這一成果有望推動(dòng)聚變能源和天體物理學(xué)研究。該團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)大的LCLS X射線激光器，開發(fā)出一種能夠解析高密度等離子體中不穩(wěn)定性演化過程的實(shí)驗(yàn)平臺。

研究團(tuán)隊(duì)指出，理解這些不穩(wěn)定性對于提高聚變反應(yīng)效率至關(guān)重要——聚變反應(yīng)旨在利用與太陽相同的能量產(chǎn)生方式。這一突破使科學(xué)家向?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化聚變能源邁進(jìn)了一步，同時(shí)也加深了對宇宙等離子體的理解。

SLAC高能量密度部門主任、光子科學(xué)教授謝格弗里德·格倫澤爾表示："我們對不穩(wěn)定性——它們何時(shí)產(chǎn)生、如何增長——的理解對于實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)至關(guān)重要。"

X射線捕捉等離子體瞬間

在當(dāng)前的絲狀不穩(wěn)定性研究中，一束激光將等離子體中的電子加速到極高能量，形成高溫電子流。這些高溫電子與反向運(yùn)動(dòng)的冷電子流相遇，在等離子體中產(chǎn)生絲狀圖案。據(jù)SLAC團(tuán)隊(duì)介紹，雖然科學(xué)家此前曾在低密度等離子體中觀察到這種不穩(wěn)定性，但在高密度等離子體中研究這一現(xiàn)象要困難得多——因?yàn)閭鹘y(tǒng)成像方法無法穿透過厚的稠密等離子體。理解這些稠密等離子體具有重要意義，因?yàn)樗鼈冾愃朴趹T性聚變實(shí)驗(yàn)中使用的等離子體——這類實(shí)驗(yàn)旨在像太陽一樣產(chǎn)生能量。

為攻克這一難題，SLAC團(tuán)隊(duì)使用了實(shí)驗(yàn)室的LCLS X射線激光器，這種激光能產(chǎn)生能量極高的X射線，足以穿透稠密等離子體。他們在SLAC的極端條件物質(zhì)裝置上利用高功率激光制造了不穩(wěn)定性，并通過X射線實(shí)時(shí)捕捉到不穩(wěn)定性的形成過程，獲得了微米尺度細(xì)小絲狀結(jié)構(gòu)的圖像，時(shí)間分辨率達(dá)到飛秒級（千萬億分之一秒）。

格倫澤爾表示："每隔500飛秒我們就拍攝一張快照，獲得當(dāng)時(shí)真實(shí)發(fā)生的圖像，前所未有地展現(xiàn)了細(xì)節(jié)。"這一突破讓科學(xué)家得以前所未有地觀察這些不穩(wěn)定性如何形成和演化，從而推動(dòng)聚變研究和宇宙等離子體研究。

等離子體磁場新發(fā)現(xiàn)

SLAC團(tuán)隊(duì)的新型實(shí)驗(yàn)裝置使他們能夠同時(shí)在極高溫稠密等離子體中制造并成像特定的不穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過程中，一束強(qiáng)大的高強(qiáng)度激光聚焦在頭發(fā)絲粗細(xì)的金屬絲靶上，產(chǎn)生稠密等離子體條件。隨后，實(shí)驗(yàn)室的LCLS X射線激光器如同高速顯微鏡，實(shí)時(shí)捕捉等離子體及其內(nèi)部形成的不穩(wěn)定性圖像。通過精確調(diào)整激光和X射線脈沖之間的時(shí)間延遲，研究團(tuán)隊(duì)可以拍攝一系列圖像，揭示不穩(wěn)定性如何在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)展演變。

通過將實(shí)驗(yàn)圖像與先進(jìn)的模擬結(jié)果和理論進(jìn)行比較，研究人員確定了影響不穩(wěn)定性演化的關(guān)鍵機(jī)制。分析還發(fā)現(xiàn)，這種不穩(wěn)定性產(chǎn)生了約1000特斯拉的磁場——這大約是普通冰箱磁鐵磁場的10萬倍。天體物理等離子體（如爆炸恒星中的等離子體）中存在的如此強(qiáng)磁場，被認(rèn)為是加速稱為宇宙射線的高能粒子的關(guān)鍵因素。

在實(shí)驗(yàn)室中理解這種不穩(wěn)定性，有助于科學(xué)家研究遙遠(yuǎn)的宇宙事件并改進(jìn)聚變能源實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)平臺還可用于研究其他等離子體不穩(wěn)定性，包括那些降低聚變反應(yīng)能量的不穩(wěn)定性，為天體物理學(xué)和聚變研究提供了強(qiáng)有力的新工具。

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