Experimental observation of fusion burn history with pico-second time resolution in inertial confinement fusion research
यह अध्ययन एक चिरप्ड-पल्स प्रोब लेजर के साथ एक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक पॉलीमर सेंसर के स्टार्क प्रभाव का उपयोग करने वाले एक नवीन अल्ट्रा-हाई-स्पीड नैदानिक उपकरण को प्रदर्शित करता है, जो 2 ± 0.5 ps का टेम्पोरल रेजोल्यूशन प्राप्त करता है जिसने ड्यूटेरियम-ड्यूटेरियम इम्प्लोशन्स में 16–20 ps की फ्यूजन बर्न अवधि को सफलतापूर्वक मापा है, जिससे जड़त्वीय परिरोध संलयन (इन्ertial confinement fusion) अनुसंधान में फ्यूजन बर्न को नियंत्रित करने के लिए एक अगली पीढ़ी की तकनीक स्थापित हुई है।
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द दशकों से, वैज्ञानिक उस शक्ति को नियंत्रित करने की कोशिश कर रहे हैं जो सितारों को ईंधन देती है, एक प्रक्रिया जिसे नाभिकीय संलयन (न्यूक्लियर फ्यूजन) कहा जाता है। लक्ष्य परमाणुओं को इतनी मजबूती से और इतनी तीव्रता से एक साथ दबाना है कि वे जुड़ जाएं, जिससे भारी मात्रा में स्वच्छ ऊर्जा मुक्त हो सके। प्रयोगशाला के वातावरण में, इसे अक्सर शक्तिशाली लेजरों के साथ ईंधन की एक छोटी सी गोली (पेलेट) को कुचलकर करने का प्रयास किया जाता है, जिसे जड़त्वीय परिरोध संलयन (इन्र्शियल कन्फाइनमेंट फ्यूजन) कहा जाता है। जब ईंधन जलता है, तो यह प्लाज्मा का एक संक्षिप्त, अत्यंत गर्म विस्फोट पैदा करता है। इसे एक व्यावहारिक ऊर्जा स्रोत बनाने की कुंजी उस विस्फोट को नियंत्रित करने में निहित है। यदि ईंधन बहुत तेज़ी से या बहुत धीरे जलता है, तो ऊर्जा बर्बाद हो जाती है। इस प्रक्रिया को नियंत्रित करने का तरीका समझने के लिए, शोधकर्ताओं को इस दहन (बर्न) को अत्यधिक धीमी गति में देखने की आवश्यकता होती है, जिसमें आग शुरू होने, अपने शिखर पर पहुँचने और समाप्त होने के सटीक क्षण को कैद किया जा सके। अब तक, इस प्रक्रिया को देखने के लिए उपलब्ध उपकरण बहुत धीमे थे, जो इस घटना को एक एकल, अस्पष्ट चमक में धुंधला कर देते थे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा कैमरा बनाया है जो इस क्षणभंगुर क्षण को स्पष्ट रूप से देखने के लिए पर्याप्त तेज़ है। जापान में लेजर सुविधाओं में काम करते हुए, उन्होंने पिकोसेकंड की सटीकता के साथ संलयन दहन के इतिहास को मापने का एक नया तरीका विकसित किया है। एक पिकोसेकंड एक ट्रिलियनवां सेकंड होता है। इसे संदर्भ देने के लिए, एक पिकोसेकंड एक सेकंड के लिए वही है जो एक सेकंड लगभग बत्तीस वर्षों के लिए है। इस स्तर की गति आवश्यक है क्योंकि एक विशिष्ट प्रयोग में संलयन दहन केवल लगभग चालीस पिकोसेकंड तक रहता है। शोधकर्ताओं ने अपने नए उपकरण का उपयोग करके एक संपूर्ण संलयन प्रतिक्रिया के जीवन को सफलतापूर्वक रिकॉर्ड किया, और यह मापा कि ईंधन कितनी देर तक जला, जिससे ऐसी स्पष्टता मिली जो पहले असंभव थी।
इस उपलब्धि का केंद्र एक विशेष प्लास्टिक सामग्री से बना सेंसर है जो विद्युत क्षेत्रों के प्रहार होने पर यह बदल देता है कि वह प्रकाश को अपने माध्यम से कैसे गुजरने देता है। जब एक संलयन प्रतिक्रिया होती है, तो यह न्यूट्रॉन और प्रोटॉन जैसे उच्च गति वाले कणों को बाहर निकालती है। ये कण सेंसर से टकराते हैं, जिससे प्लास्टिक के भीतर एक सूक्ष्म, क्षणिक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है। यह क्षेत्र तुरंत उस तरीके को बदल देता जिससे प्लास्टिक से गुजरने वाली प्रकाश की किरण अवशोषित होती है। इस पल भर के परिवर्तन को पकड़ने के लिए, टीम ने एक लेजर बीम का उपयोग किया जिसे समय के साथ फैलाया गया था, जैसे कि एक लंबी, रंगीन रिबन हो। जैसे ही संलयन कण सेंसर से टकराते हैं, वे प्रकाश के रंग पैटर्न में एक लहर (रिपल) पैदा करते हैं। इस पैटर्न को पढ़कर, शोधकर्ता यह पुनर्गठन कर सके कि कण कब आए और विस्फोट कितनी देर तक चला।
टीम ने इस प्रणाली का परीक्षण दो अलग-अलग लेजर सेटअपों का उपयोग करके किया। सबसे पहले, उन्होंने एक शक्तिशाली लेजर का उपयोग करके तेज़ इलेक्ट्रॉनों का एक विस्फोट उत्पन्न किया ताकि यह जांचा जा सके कि सेंसर कितनी तेज़ी से प्रतिक्रिया दे सकता है। परिणामों ने दिखाया कि प्रणाली दो पिकोसेकंड जितनी छोटी घटनाओं को हल करने के लिए पर्याप्त सक्षम थी, जिससे पुष्टि हुई कि यह काम के लिए पर्याप्त तेज़ है। इसके बाद, उन्होंने एक संलयन प्रयोग की ओर रुख किया जहाँ उन्होंने लेजरों के साथ ड्यूटेरेटेड प्लास्टिक के एक छोटे शेल को कुचला। इस विस्फोट ने संलयन न्यूट्रॉन और प्रोटॉन का एक विस्फोट पैदा किया। सेंसर ने इन कणों के आगमन को पकड़ा और दहन की अवधि को रिकॉर्ड किया। डेटा से पता चला कि ईंधन सोलह से बीस पिकोसेकंड के बीच जला। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह उस समय से बहुत कम है जो कुछ पुराने, धीमे डिटेक्टरों ने सुझाया था, और यह इस विशिष्ट प्रकार के प्रयोग के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन द्वारा की गई भविष्यवाणियों के काफी करीब है।
शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि सेंसर टकराने वाले कणों के प्रकारों के बीच अंतर बता सकता है। न्यूट्रॉन ने एक संकेत दिया जो एक दिशा में गया, जबकि प्रोटॉन ने विपरीत दिशा में संकेत दिया। बिना किसी जटिल चुंबकीय क्षेत्र या शील्डिंग की आवश्यकता के विभिन्न कणों के बीच अंतर करने की यह क्षमता एक बड़ा लाभ है। टीम ने पुष्टि की कि उनके माप कणों की संख्या और उनके यात्रा करने के तरीके के लिए सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाते हैं, जिससे उन्हें विश्वास मिला कि उनका उपकरण सही ढंग से काम कर रहा है। हालांकि प्रयोग पूर्ण-स्तरीय संलयन ऊर्जा अनुसंधान के लिए उपयोग किए जाने वाले विशाल केंद्रों की तुलना में छोटे पैमाने पर किया गया था, फिर भी नए सेंसर की संवेदनशीलता भविष्य के उन परीक्षणों में अपेक्षित बहुत बड़े विस्फोटों को संभालने के लिए पर्याप्त है।
यह कार्य संलयन ऊर्जा की खोज में एक महत्वपूर्ण कदम है। दहन प्रक्रिया का स्पष्ट, उच्च-गति दृश्य प्रदान करके, वैज्ञानिक अब अपने कंप्यूटर मॉडल का वास्तविक डेटा के साथ बहुत अधिक सटीकता से परीक्षण कर सकते हैं। यदि मॉडलों पर भरोसा किया जा सकता है कि वे ईंधन के व्यवहार की भविष्यवाणी करते हैं, तो शोधकर्ता बेहतर लक्ष्यों और लेजरों को डिज़ाइन कर सकते हैं ताकि बिजली संयंत्र के लिए आवश्यक स्थिर, उच्च-ऊर्जा दहन प्राप्त किया जा सके। नया सेंसर एक उच्च-गति वाली आँख की तरह कार्य करता है, जो अंततः वैज्ञानिकों को संलयन की आग के जटिल विवरणों को देखने की अनुमति देता है, जिससे वे सितारों की शक्ति को नियंत्रित करने के लक्ष्य के करीब पहुँच रहे हैं।
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