Experimental observation of fusion burn history with pico-second time resolution in inertial confinement fusion research
تُظهر هذه الدراسة أداة تشخيصية جديدة فائقة السرعة تستخدم تأثير "ستارك" لمستشعر بوليمر كهروضوئي مع ليزر مسبار ذي نبضة متغيرة التردد (chirped-pulse)، محققةً دقة زمنية تبلغ 2 ± 0.5 بيكو ثانية نجحت من خلالها في قياس مدة احتراق الاندماج التي تتراوح بين 16 و20 بيكو ثانية في عمليات انفجار الديوتيريوم-ديوتيريوم، مما يؤسس لتقنية من الجيل التالي للتحكم في احتراق الاندماج في أبحاث الاندماج بالحصر العطالي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
على مدى عقود، حاول العلماء تسخير القوة التي تغذي النجوم، وهي عملية تُعرف باسم الاندماج النووي. والهدف هو ضغط الذرات معاً بقوة شديدة وتسخينها بكثافة عالية لدرجة تجعلها تندمج، مما يطلق كميات هائلة من الطاقة النظيفة. وفي المختبر، غالباً ما تتم محاولة ذلك عن طريق سحق كبسولة صغيرة من الوقود باستخدام ليزرات قوية، وهي طريقة تسمى "الاندماج بالحصر العطالي". وعندما يشتعل الوقود، فإنه يخلق انفجاراً قصيراً وفائق السخونة من البلازما. ويكمكم المفتاح لجعل هذا مصدراً عملياً للطاقة في التحكم في ذلك الانفجار؛ فإذا احترق الوقود بسرعة كبيرة أو ببطء شديد، فإن الطاقة تضيع. ولفهم كيفية التحكم في ذلك، يحتاج الباحثون إلى مراقبة عملية الاحتراق وهي تحدث بحركة بطيئة للغاية، وتصوير اللحظة الدقيقة التي يبدأ فيها الحريق، ويصل إلى ذروته، ثم ينطفئ. وحتى الآن، كانت الأدوات المتاحة لمراقبة هذه العملية بطيئة جداً، مما يجعل الحدث يبدو كوميض واحد غير واضح المعالم.
لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من بناء كاميرا سريعة بما يكفي لرؤية هذه اللحظة العابرة بوضوح. فمن خلال العمل في مرافق الليزر في اليابان، طوروا طريقة جديدة لقياس تاريخ حرق الاندماج بدقة تُقاس بالبيكوسانية. والبيكوسانية هي جزء من تريليون من الثانية. ولتوضيح ذلك، فإن البيكوسانية بالنسبة للثانية، تشبه الثانية بالنسبة لحوالي اثنين وثلاثين عاماً. وهذا المستوى من السرعة ضروري لأن حرق الاندماج في تجربة نموذجية يستمر حوالي أربعين بيكوسانية فقط. وقد استخدم الباحثون بنجاح جهازهم الجديد لتسجيل دورة حياة تفاعل الاندماج بأكملها، وقياس مدة احتراق الوقود بوضوح كان مستحيلاً في السابق.
إن قلب هذا الإنجاز هو مستشعر مصنوع من مادة بلاستيكية خاصة تغير طريقة مرور الضوء من خلالها عند تعرضها لمجالات كهربائية. فعندما يحدث تفاعل اندماجي، فإنه يطلق جسيمات عالية السرعة مثل النيوترونات والبروتونات. وتصطدم هذه الجسيمات بالمستشعر، مما يخلق مجالاً كهربائياً ضئيلاً وعابراً داخل البلاستيك. هذا المجال يغير فوراً الطريقة التي يمتص بها البلاستيك شعاعاً ضوئياً يمر عبره. ولرصد هذا التغيير الخاطف، استخدم الفريق شعاع ليزر ممدداً في الزمن، مثل شريط طويل وملون. ومع اصطدام جسيمات الاندماج بالمستشعر، تسببت في حدوث تموج في نمط لون الضوء. ومن خلال قراءة هذا النمط، استطاع الباحثون إعادة بناء التوقيت الدقيق لوصول الجسيمات ومدة استمرار الاندلاع.
اختبر الفريق هذا النظام باستخدام إعدادين مختلفين لليزر. أولاً، استخدموا ليزراً قوياً لتوليد دفعة من الإلكترونات السريعة للتحقق من سرعة استجابة المستشعر. وأظهرت النتائج أن النظام يمكنه رصد أحداث تصل سرعتها إلى ثانيتين (بيكوسانتين)، مما يؤكد أنه سريع بما يكفي للمهمة. بعد ذلك، انتقلوا إلى تجربة اندماج حيث قاموا بسحق غلاف صغير من البلاستيك المديتر (المحتوي على الديوتيريوم) باستخدام الليزر. أدى هذا الانفجار إلى توليد دفعة من نيوترونات وبروتونات الاندماج. وقد التقط المستشعر وصول هذه الجسيمات وسجل مدة الاحتراق. وكشفت البيانات أن الوقود احترق لمدة تتراَاوح بين ست عشرة وعشرين بيكوسانية. وهذا يعد اكتشافاً هاماً لأن هذه المدة أقصر بكثير مما اقترحته بعض الكواشف الأقدم والأبطأ، وتتوافق بشكل وثيق مع ما توقعته نماذج الكمبيوتر لهذه التجربة المحددة.
كما لاحظ الباحثون أن المستشعر يمكنه التمييز بين أنواع الجسيمات التي تصطدم به. فالنيوترونات أنتجت إشارة في اتجاه واحد، بينما أنتجت البروتونات إشارة في الاتجاه الآخر. وهذه القدرة على التمييز بين الجسيمات المختلفة دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية معقدة أو دروع واقية تعد ميزة كبرى. وقد أكد الفريق أن قياساتهم تطابقت مع التوقعات النظرية لعدد الجسيمات المنتجة وكيفية تحركها، مما منحهم الثقة في أن الجهاز يعمل بشكل صحيح. ورغم أن التجربة أجريت على نطاق أصغر من المرافق الضخمة المستخدمة في أبحاث اندماج الطاقة كاملة النطاق، إلا أن حساسية المستشعر الجديد كافية للتعامل مع الانفجارات الأكبر المتوقعة في تلك الاختبارات المستقبلية.
يمثل هذا العمل خطوة حاسمة للأمام في مسعى الحصول على طاقة الاندماج. فمن خلال توفير رؤية واضحة وعالية السرعة لعملية الاحتراق، يمكن للعلماء الآن اختبار نماذج الكمبيوتر الخاصة بهم مقابل بيانات حقيقية بدقة أكبر بكثير. وإذا أمكن الوثوق بالنماذج للتنبؤ بكيفية سلوك الوقود، فيمكن للباحثين تصميم أهداف وليزرات أفضل لتحقيق عمليات احتراق مستقرة وعالية الطاقة كما هو مطلوب لمحطة طاقة. ويعمل المستشعر الجديد بمثابة عين عالية السرعة، مما يسمح للعلماء أخيراً برؤية التفاصيل الدقيقة لنار الاندماج، ويقربهم أكثر من هدف التحكم في قوة النجوم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.