High-spatial-resolution measurement of hotspot electron temperature distribution in inertial confinement fusion implosions

تخيل أنك تحاول فهم قلب نجم، لكن لا يمكنك لمسه، وهو موجود لمدة جزء من المليار من الثانية فقط. هذا هو التحدي اليومي الذي يواجهه العلماء العاملون في مجال الاندماج بالحصر العطالي، وهو مجال مخصص لمحاكاة طاقة الشمس هنا على الأرض. الهدف هو ضغط كبسولة صغيرة من الوقود حتى تصبح ساخنة وكثيفة للغاية لدرجة تجعل الذرات تندمج معاً، مما يطلق كميات هائلة من الطاقة النظيفة. ولتحقيق ذلك، يطلق الباحثون على كبسولة الوقود أشعة ليزر قوية من جميع الجوانب، مما يخلق انفجاراً داخلياً يضغط اللب إلى "نقطة ساخنة". ولكي تنجح هذه العملية، يجب أن يصل الوقود إلى درجات حرارة قصوى وأن يظل منتظماً تماماً. فإذا اختلط الوقود بالطبقة الخارجية للكبسولة، أو إذا تفاوتت درجة الحرارة بشكل كبير في أماكن مختلفة، تفشل التفاعل. لسنوات، تمكن العلماء من رؤية الشكل العام لهذا اللب المشتعل، لكن التفاصيل ظلت ضبابية، مثل محاولة قراءة خط صغير دقيق من خلال نافذة مغطاة بالضباب.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في تبديد ذلك الضباب. فمن خلال تطوير طريقة جديدة للنظر إلى هذه الانفجارات الخاطفة، تمكنوا من التقاط أول خريطة عالية الدقة لدرجة حرارة الإلكترونات داخل النقطة الساخنة. والإلكترونات هي جسيمات صغيرة وسريعة الحركة تحمل الحرارة في هذا البلازما، ومعرفة مدى سخونة هذه الإلكترونات في أماكن مختلفة تخبر العلماء ما إذا كان الوقود يحترق بكفاءة أم أنه يتعرض للتلف بسبب الشوائب. لقد تمكن الفريق، الذي يعمل في منشأة ليزر كبرى في الصين، من رؤية تفاصيل تصل دقتها إلى 5 ميكرومترات. ولوضع ذلك في السياق، فإن شعرة الإنسان أوسع بنحو 100 مرة من أصغر ميزة استطاعوا رصدها. ويمثل هذا المستوى من التفاصيل قفزة نوعية، حيث كانت الأدوات السابقة لا تستطيع إلا رؤية ميزات أكبر بخمس مرات تقريباً.

تضمنت التجربة إطلاق 32 شعاع ليزر قوياً في أسطوانة صغيرة مبطنة بالذهب تسمى "هولهولوم" (hohlraum). وفي داخل هذه الأسطوانة، وُضعت كبسولة صغيرة مليئة بغاز الديوتيريوم، وهو شكل ثقيل من الهيدروجين يُستخدم كوقود. قامت أشعة الليزر بتسخين الجدران الذهبية، التي توهجت بعد ذلك بأشعة إكس مكثفة. قامت هذه الأشعة بضغط الكبسولة من الخارج إلى الداخل، مما تسبب في انفجارها الداخلي وتسخين الغاز بداخلها. وفي لحظة الضغط الأقصى، أصبح الغاز بلازما حارقة، تتوهج بأشعة إكس الخاصة بها. ولمعرفة ما يحدث في الداخل، استخدم الباحثون مجهراً متخصصاً مكوناً من مرآتين منحنيتين، يُعرف بنظام "كيركباتز-بيز" (Kirkpatrick-Baez). عمل هذا الجهاز مثل كاميرا عالية السرعة، ولكن بدلاً من التقاط صورة بالضوء المرئي، قام بالتقاط أشعة إكس المنبعثة من الإلكترونات الساخنة.

وللحصول على خريطة درجة الحرارة، لم يكتفِ الفريق بالتقاط صورة واحدة. بل التقطوا صورتين لنفس الانفجار في نفس الوقت تماماً، ولكنهم قاموا بترشيح الضوء بشكل مختلف. فقد التقطت مجموعة من المرايا أشعة إكس ذات طاقة أعلى، بينما التقطت مجموعة أخرى أشعة إكس بطاقة أقل قليلاً. ولأن سطوع أشعة إكس يتغير اعتماداً على مدى سخونة الإلكترونات، فإن مقارنة الصورتين سمحت للعلماء بحساب درجة الحرارة عند كل نقطة بمفردها. الأمر يشبه كيف يمكن للطبيب استخدام نوعين مختلفين من مرشحات الأشعة السينية لرؤية الأنسة الرخوة مقابل العظام، ولكن هنا كان الفرق في "لون" الضوء هو ما كشف عن الحرارة. ومن خلال مطابقة الصورتين بعناية وإزالة التشوهات الناتجة عن المرايا والمرشحات، أعادوا بناء خريطة تفصيلية ثنائية الأبعاد لتوزيع الحرارة.

كشفت النتائج عن قصة كانت مخفية في ضباب القياسات القديمة. فلم تكن النقطة الساخنة كرة نيران سلسة ومنتظمة، بل أظهرت خريطة درجة الحرارة تضارساً متعرجاً بخمس قمم متميزة حيث كانت الإلكترونات أكثر سخونة بكثير من محيطها. كانت هذه النقاط الساخنة تقع بالقرب من حافة اللب المشتعل ويبلغ عرضها حوالي 5 ميكرومترات. ووجد الباحثون أن هذه القمم لم تكن أخطاء عشوائية؛ بل كان من المرجح أنها ناتجة عن اختلاط كميات صغيرة من مادة الغلاف الخارجي بالوقود. فعندما تختلط مادة الغلاف الثقيلة، المكونة من الكربون والهيدروجين، مع الوقود الخفيف، فإن ذلك يخلق مناطق موضعية تتغير فيها الفيزياء، مما يؤدي إلى هذه الارتفاعات غير المتوقعة في درجات الحرارة. وقد قدر الفريق أنه في هذه المناطق الساخنة المحددة، كانت كمية المادة المختلطة عالية بشكل مفاجئ، مما يشير إلى أن الانفجار الداخلي لم يكن نظيفاً كما كان يُعتقد سابقاً.

وللتأكد من أن هذه النتائج حقيقية وليست مجرد خطأ ناتج عن الكاميرا، أجرى العلماء عمليات محاكاة حاسوبية لمعرفة كيف ينبغي أن تبدو الصور إذا كانت نظريتهم صحيحة. فقد بنوا نموذجاً للانفجار الداخلي يتضمن جيوباً صغيرة من المواد المختلطة، وحاكوا كيفية ظهور أشعة إكس من خلال مجهرهم. وطابقت الصور المحاكاة الصور التجريبية الحقيقية بشكل شبه مثالي، مما أكد أن قمم درجات الحرارة كانت بالفعل ناتجة عن الاختلاط الموضعي. كما قارنوا نتائجهم بنموذج أبسط أحادي البعد للانفجار، والذي أعطى متوسط درجة حرارة يتفق مع خريطتهم التفصيلية. وقد منحهم هذا الاتساق الثقة في أن طريقتهم الجديدة تعمل بشكل صحيح، وأن الاضطرابات التي رأوها هي سمات فيزيائية حقيقية للانفجار الداخلي.

إن الآثار المترتبة على هذا العمل عميقة بالنسبة لمستقبل طاقة الاندماج. ففهم مكان وكيفية اختلاط الوقود بالغلاف بدقة أمر بالغ الأهمية لتصميم كبسولات أفضل يمكنها الصمود أثناء الانفجار الداخلي وإشعال تفاعل مستدام. فإذا اختلط الوقود كثيراً، سيتوقف التفاعل قبل أن يتمكن من إطلاق كامل طاقته. ومن خلال رؤية مناطق الاختلاط هذه بوضوح، يمكن للعلماء الآن اختبار نظرياتهم حول ما يسبب هذا الاختلاط وكيفية إيقافه. كما حدد الباحثون أن حواف النقطة الساخنة كانت أبرد بكثير من المركز، وهي ميزة كانت معروفة سابقاً ولكن تم قياسها الآن بدقة أكبر بكثير. ومن المرجح أن تعود هذه الحافة الباردة إلى توهج مادة الغلاف التي لم تحترق بالكامل بعد، والتي يمكن أن تتداخل مع قياسات درجة الحرارة إذا لم تؤخذ في الاعتبار.

تمثل هذه الدراسة خطوة رائدة في تشخيص العمليات الداخلية لانفجارات الاندماج. فمن خلال دفع حدود الدقة المكانية، انتقل الفريق بعلم الاندماج من مجرد النظر إلى الشكل العام للنار إلى رؤية الشرارات الفردية. لقد وضعوا أساساً متيناً للتجارب المستقبلية، موضحين أنه باستخدام الأدوات المناسبة، من الممكن قياس كثافة الإلكترونات وكمية الاختلاط بدقة غير مسبوقة. ورغم أن الطريق نحو محطة طاقة اندماجية عاملة لا يزال طويلاً، فإن هذه القدرة الجديدة على رؤية التفاصيل غير المرئية للقلب المشتعل تقرب العلماء خطوة أخرى من إتقان فيزياء النجوم. كما يشير العمل أيضاً إلى مسار واضح للمضي قدماً: فمن خلال استخدام المزيد من المرشحات والكاميرات، قد يتمكن الباحثون قرياً من رسم خرائط لدرجات الحرارة هذه في ثلاثة أبعاد وتتبع كيفية تغيرها بمرور الوقت، مما يحول اللقطة الثابتة إلى فيلم متحرك كامل لعملية الاندماج.