Experimental observation of fusion burn history with pico-second time resolution in inertial confinement fusion research
Deze studie demonstreert een nieuwe ultra-hogesnelheidsdiagnostische tool die gebruikmaakt van het Stark-effect van een elektro-optische polymeersensor met een chirped-pulse probe-laser, waarmee een temporele resolutie van 2 ± 0,5 ps wordt bereikt die succesvol een deuterium-deuterium implosie-fusiebrandduur van 16–20 ps heeft gemeten, waardoor een volgende generatie techniek voor het beheersen van de fusiebrand in inertie-confinement fusieonderzoek is vastgesteld.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd de kracht te temmen die de sterren voedt, een proces dat bekend staat als kernfusie. Het doel is om atomen zo dicht op elkaar te drukken en ze zo intens te verhitten dat ze samensmelten, waarbij enorme hoeveelheden schone energie vrijkomen. In een laboratoriumsetting wordt dit vaak geprobeerd door een klein korreltje brandstof met krachtige lasers fijn te persen, een methode die inertie-confinement fusie wordt genoemd. Wanneer de brandstof ontbrandt, creëert het een korte, superhete explosie van plasma. De sleutel tot het bruikbaar maken hiervan als energiebron ligt in het beheersen van die explosie. Als de brandstof te snel of te langzaam brandt, gaat de energie verloren. Om te begrijpen hoe men dit kan beheersen, moeten onderzoekers de verbranding in extreem vertraagde beelden bekijken, waarbij ze het exacte moment vastleggen waarop het vuur begint, piekt en uitdooft. Tot nu toe waren de beschikbare instrumenten om dit proces te observeren te traag, waardoor het evenement vervaagde tot een enkele, onduidelijke flits.
Een team van onderzoekers heeft nu een camera gebouwd die snel genoeg is om dit vluchtige moment duidelijk te zien. Terwijl ze werkten aan laserfaciliteiten in Japan, ontwikkelden ze een nieuwe manier om de geschiedenis van een fusiebrand met een precisie gemeten in picoseconden te meten. Een picoseconde is één biljoenste van een seconde. Om dit in perspectief te plaatsen: een picoseconde staat tot een seconde zoals een seconde staat tot ongeveer tweeendertig jaar. Dit niveau van snelheid is noodzakelijk omdat de fusiebrand in een typisch experiment slechts ongeveer veertig picoseconden duurt. De onderzoekers gebruikten hun nieuwe apparaat succesvol om de gehele levensloop van een fusie reactie vast te leggen, waarbij ze de duur van de verbranding van de brandstof maten met een helderheid die voorheen onmogelijk was.
Het hart van deze prestatie is een sensor gemaakt van een speciaal kunststof materiaal dat verandert in hoe het licht doorlaat wanneer het wordt geraakt door elektrische velden. Wanneer een fusie reactie plaatsvindt, schiet het snelle deeltjes uit, zoals neutronen en protonen. Deze deeltjes raken de sensor, waardoor een minuscuul, vluchtig elektrisch veld binnen het kunststof ontstaat. Dit veld verandert onmiddellijk de manier waarop het kunststof een doorgaande lichtstraal absorbeert. Om deze fractie van een seconde te vangen, gebruikte het team een laserstraal die in de tijd was uitgerekt, als een lange, kleurrijke lint. Terwijl de fusiedeeltjes de sensor raakten, veroorzaakten ze een rimpeling in het kleurpatroon van het licht. Door dit patroon te lezen, konden de onderzoekers exact reconstrueren wanneer de deeltjes arriveerden en hoe lang de uitbarsting duurde.
Het team testte dit systeem met behulp van twee verschillende laseropstellingen. Eerst gebruikten ze een krachtige laser om een burst van snelle elektronen te generen om te controleren hoe snel de sensor kon reageren. De resultaten lieten zien dat het systeem gebeurtenissen van slechts twee picoseconden kon onderscheiden, wat bevestigde dat het snel genoeg was voor de klus. Vervolgens richtten ze zich op een fusie experiment waarbij ze met lasers een kleine schil van gedeutereerd kunststof fijnpersten. Deze implosie creëerde een uitbarsting van fusionele neutronen en protonen. De sensor legde de aankomst van deze deeltjes vast en registreerde de duur van de verbranding. De gegevens toonden aan dat de brandstof brandde tussen de zestien en twintig picoseconden. Dit is een belangrijke bevinding, omdat het veel korter is dan wat sommige oudere, tragere detectoren hadden gesuggereerd, en het komt nauw overeen met wat computersimulaties voorspelden voor dit specifieke type experiment.
De onderzoekers merkten ook op dat de sensor het verschil kon zien tussen de soorten deeltjes die erin sloegen. Neutronen produceerden een signaal dat de ene kant op ging, terwijl protonen een signaal produceerden dat de andere kant op ging. Dit vermogen om verschillende deeltjes te onderscheiden zonder complexe magnetische velden of afscherming nodig te hebben, is een groot voordeel. Het team bevestigde dat hun metingen overeenkwamen met theoretische voorspellingen over hoeveel deeltjes werden geproduceerd en hoe zij reisden, wat hen het vertrouwen gaf dat het apparaat correct werkt. Hoewel het experiment op een kleinere schaal werd uitgevoerd dan de enorme faciliteiten die worden gebruikt voor grootschalig fusieonderzoek, is de gevoeligheid van de nieuwe sensor voldoende om de veel grotere explosies te kunnen verwerken die in die toekomstige tests worden verwacht.
Dit werk vormt een cruciale stap voorwaarts in de zoektocht naar fusie-energie. Door een helder, hogesnelheidsbeeld van het verbrandingsproces te bieden, kunnen wetenschappers nu hun computermodellen met veel grotere nauwkeurigheid testen tegen echte gegevens. Als de modellen erop kunnen vertrouwen om te voorspellen hoe de brandstof zich gedraagt, kunnen onderzoekers betere doelwitten en lasers ontwerpen om de stabiele, hoogenergetische branden te bereiken die nodig zijn voor een elektriciteitscentrale. De nieuwe sensor fungeert als een snelle oog, waardoor wetenschappers eindelijk de ingewikkelde details van het fusievuur kunnen zien, wat hen dichter bij het doel brengt om de kracht van de sterren te beheersen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.