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

कल्पना कीजिए कि आप एक तारे के हृदय को समझने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आप उसे छू नहीं सकते, और वह केवल एक अरबवें सेकंड के लिए अस्तित्व में रहता है। यह उन वैज्ञानिकों के लिए दैनिक चुनौती है जो इनर्शियल कन्फाइनमेंट फ्यूजन (inertial confinement fusion) पर काम कर रहे हैं, एक ऐसा क्षेत्र जो पृथ्वी पर सूर्य की शक्ति को दोहराने के लिए समर्पित है। लक्ष्य ईंधन के एक छोटे से कण को तब तक दबाना है जब तक कि वह इतना गर्म और सघन न हो जाए कि परमाणु आपस में जुड़ जाएं, जिससे भारी मात्रा में स्वच्छ ऊर्जा मुक्त हो सके। इसे करने के लिए, शोधकर्ता शक्तिशाली लेजरों से ईंधन के कण पर चारों ओर से प्रहार करते हैं, जिससे एक विस्फोट (implosion) पैदा होता है जो इसके केंद्र को एक "हॉटस्पॉट" (hotspot) में संकुचित कर देता है। इस प्रक्रिया के सफल होने के लिए, ईंधन को अत्यधिक तापमान तक पहुँचना चाहिए और पूरी तरह से एकसमान रहना चाहिए। यदि ईंधन कैप्सूल के बाहरी आवरण के साथ मिल जाता है, या यदि तापमान अलग-अलग स्थानों पर बहुत अधिक बदलता है, तो प्रतिक्रिया विफल हो जाती है। वर्षों से, वैज्ञानिक इस जलते हुए कोर के सामान्य आकार को देख पा रहे थे, लेकिन विवरण धुंधले थे, जैसे धुंधली खिड़की के माध्यम से बारीक अक्षरों को पढ़ने की कोशिश करना।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस धुंध को साफ कर दिया है। इन क्षणिक विस्फोटों को देखने का एक नया तरीका विकसित करके, उन्होंने हॉटस्पॉट के भीतर इलेक्ट्रॉन तापमान का पहला उच्च-रिज़ॉल्यूशन मानचित्र (high-resolution map) कैप्चर किया है। इलेक्ट्रॉन वे सूक्ष्म, तीव्र गति वाले कण हैं जो इस प्लाज्मा में गर्मी को ले जाते हैं, और यह जानना कि वे अलग-अलग स्थानों पर कितने गर्म हैं, वैज्ञानिकों को यह बताता है कि क्या ईंधन कुशलतापूर्वक जल रहा है या क्या यह अशुद्धियों के कारण खराब हो रहा है। चीन में एक प्रमुख लेजर सुविधा में काम कर रही इस टीम ने 5 माइक्रोमीटर जितने छोटे विवरण भी देखने में सफलता प्राप्त की। इसे समझने के लिए, एक मानव बाल लगभग 100 गुना चौड़ा होता है उन सबसे छोटी विशेषताओं से जिन्हें वे हल (resolve) कर सके। विवरण का यह स्तर एक महत्वपूर्ण छलांग है, क्योंकि पिछले उपकरण केवल लगभग पांच गुना बड़ी विशेषताओं को ही देख पाते थे।

इस प्रयोग में एक 'होहलराम' (hohlraum) नामक सोने से ढके सिलेंडर में 32 शक्तिशाली लेजर बीमों को छोड़ना शामिल था। इस सिलेंडर के अंदर ड्यूटेरियम गैस से भरा एक छोटा सा कैप्सूल रखा था, जो हाइड्रोजन का एक भारी रूप है जिसका उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है। लेजरों ने सोने की दीवारों को गर्म किया, जो फिर तीव्र एक्स-रे (X-rays) के साथ चमक उठीं। इन एक्स-रे ने कैप्सूल को बाहर से अंदर की ओर दबाया, जिससे यह संकुचित हुआ और इसके अंदर की गैस गर्म हो गई। अधिकतम संपीड़न के क्षण में, गैस एक दहकते हुए प्लाज्मा में बदल गई, जो अपनी स्वयं की एक्स-रे के साथ चमक रही थी। यह देखने के लिए कि अंदर क्या हो रहा है, शोधकर्ताओं ने दो घुमावदार दर्पणों से बने एक विशेष सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया, जिसे किर्कपैट्रिक-बेज़ (Kirkpatrick-Baez) प्रणाली के रूप में जाना जाता है। यह उपकरण एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह कार्य करता था, लेकिन दृश्य प्रकाश (visible light) के बजाय, इसने गर्म इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्सर्जित एक्स-रे को कैप्चर किया।

तापमान मानचित्र प्राप्त करने के लिए, टीम ने केवल एक चित्र नहीं लिया। उन्होंने एक ही विस्फोट की दो छवियां बिल्कुल एक ही समय पर लीं, लेकिन उन्होंने प्रकाश को अलग तरह से फ़िल्टर किया। एक सेट के दर्पणों ने उच्च ऊर्जा वाली एक्स-रे को कैप्चर किया, जबकि दूसरे ने थोड़ी कम ऊर्जा वाली एक्स-रे को कैप्चर किया। चूंकि एक्स-रे की चमक इस बात पर निर्भर करती है कि इलेक्ट्रॉन कितने गर्म हैं, इसलिए दोनों छवियों की तुलना करने से वैज्ञानिकों को प्रत्येक बिंदु पर तापमान की गणना करने की अनुमति मिली। यह वैसा ही है जैसे एक डॉक्टर नरम ऊतकों (soft tissue) बनाम हड्डी को देखने के लिए दो अलग-अलग प्रकार के एक्स-रे फिल्टर का उपयोग कर सकता है, लेकिन यहाँ प्रकाश के "रंग" में अंतर ने गर्मी को प्रकट किया। दर्पणों और फिल्टरों के कारण होने वाले विरूपण (distortions) को हटाकर और दोनों छवियों को सावधानीपूर्वक मिलाकर, उन्होंने गर्मी के वितरण का एक विस्तृत, द्वि-आयामी मानचित्र पुनर्गठित किया।

परिणामों ने एक ऐसी कहानी को उजागर किया जो पुराने मापों की धुंध में छिपी हुई थी। हॉटस्पॉट आग का एक चिकना, एकसमान गोला नहीं था। इसके बजाय, तापमान मानचित्र ने एक ऊबड़-खाबड़ परिदृश्य दिखाया जिसमें पांच विशिष्ट शिखर (peaks) थे जहाँ इलेक्ट्रॉन अपने परिवेश की तुलना में काफी अधिक गर्म थे। ये हॉटस्पॉट जलते हुए कोर के किनारे के पास स्थित थे और लगभग 5 माइक्रोमीटर चौड़े थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये शिखर यादृच्छिक त्रुटियां नहीं थे; वे संभवतः कैप्सुल के बाहरी आवरण की थोड़ी मात्रा के ईंधन में मिलने के कारण उत्पन्न हुए थे। जब भारी आवरण सामग्री (जो कार्बन और हाइड्रोजन से बनी है) हल्के ईंधन के साथ मिलती है, तो यह स्थानीयकृत क्षेत्र बनाती है जहाँ भौतिकी बदल जाती है, जिससे ये अप्रत्याशित तापमान स्पाइक्स (spikes) उत्पन्न होते हैं। टीम ने अनुमान लगाया कि इन विशिष्ट गर्म क्षेत्रों में, मिश्रित सामग्री की मात्रा आश्चर्यजनक रूप से अधिक थी, जिससे पता चलता है कि संकुचन (implosion) उतना स्वच्छ नहीं था जितना पहले सोचा गया था।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष वास्तविक हैं और केवल कैमरे की त्रुटि नहीं हैं, वैज्ञानिकों ने कंप्यूटर सिमुलेशन चलाया ताकि यह देखा जा सके कि यदि उनका सिद्धांत सही होता तो चित्र कैसे दिखने चाहिए। उन्होंने संकुचन का एक मॉडल बनाया जिसमें मिश्रित सामग्री के छोटे पॉकेट शामिल थे और सिम्युलेट किया कि उनके सूक्ष्मदर्शी के माध्यम से एक्स-रे कैसे दिखाई देंगे। सिम्युलेटेड चित्र वास्तविक प्रायोगिक तस्वीरों से लगभग पूरी तरह मेल खाते थे, जिससे पुष्टि हुई कि तापमान शिखर वास्तव में स्थानीयकृत मिश्रण (localized mixing) के कारण थे। उन्होंने अपने परिणामों की तुलना विस्फोट के एक सरल, एक-आयामी मॉडल से भी की, जिसने एक औसत तापमान दिया जो उनके विस्तृत मानचित्र के साथ सहमत था। इस निरंतरता ने उन्हें विश्वास दिलाया कि उनकी नई विधि सही ढंग से काम कर रही है और जो अनियमितताएं उन्होंने देखीं, वे वास्तविक भौतिक विशेषताएं थीं।

फ्यूजन ऊर्जा के भविष्य के लिए इस कार्य के निहितार्थ अत्यंत गहरे हैं। ईंधन किस प्रकार और कहाँ कैप्सूल के साथ मिलता है, इसे ठीक से समझना बेहतर कैप्सूल डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है जो संकुचन को झेल सकें और एक निरंतर प्रतिक्रिया को प्रज्वलित कर सकें। यदि ईंधन बहुत अधिक मिल जाता है, तो प्रतिक्रिया अपनी पूरी शक्ति छोड़ने से पहले ही समाप्त हो जाती है। इन मिश्रण क्षेत्रों को इतनी स्पष्टता के साथ देखकर, वैज्ञानिक अब उन सिद्धांतों का परीक्षण कर सकते हैं कि मिश्रण का कारण क्या है और इसे कैसे रोका जाए। शोधकर्ताओं ने यह भी पहचाना कि हॉटस्पॉट के किनारे केंद्र की तुलना में बहुत ठंडे थे, एक ऐसी विशेषता जिसे पहले भी देखा गया था लेकिन अब बहुत अधिक सटीकता के साथ मापा गया था। यह ठंडा किनारा संभवतः उस आवरण सामग्री की चमक के कारण है जो अभी तक पूरी तरह से जलकर समाप्त नहीं हुई है, जो तापमान माप में हस्तक्षेप कर सकती है यदि इसे ध्यान में न रखा जाए।

यह अध्ययन फ्यूजन संकुचन के आंतरिक कामकाज के निदान में एक अग्रणी कदम है। स्थानिक रिज़ॉल्यूशन (spatial resolution) की सीमाओं को आगे बढ़ाकर, टीम ने फ्यूजन विज्ञान को आग के सामान्य आकार को देखने से बदलकर व्यक्तिगत चिंगारियों को देखने की स्थिति में पहुँचा दिया है। उन्होंने एक मजबूत आधार प्रदान किया है, यह दिखाते हुए कि सही उपकरणों के साथ, इलेक्ट्रॉन घनत्व और मिश्रण की मात्रा को अभूतपूर्व सटीकता के साथ मापना संभव है। हालांकि एक कामकाजी फ्यूजन पावर प्लांट का रास्ता अभी लंबा है, लेकिन जलते हुए कोर के अदृश्य विवरणों को देखने की यह नई क्षमता वैज्ञानिकों को सितारों के भौतिकी में महारत हासिल करने के एक कदम करीब ले आई है। यह कार्य एक स्पष्ट मार्ग भी सुझाता है: और अधिक फिल्टर और कैमरों का उपयोग करके, शोधकर्ता जल्द ही इन तापमानों को तीन आयामों (3D) में मैप कर सकेंगे और ट्रैक कर सकेंगे कि वे समय के साथ कैसे बदलते हैं, जिससे एक स्थिर स्नैपशॉट को फ्यूजन प्रक्रिया की फुल-मोशन मूवी में बदला जा सकेगा।