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科学家首次对极热致密等离子体进行受控研究

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2012/08/08

实验结果推翻了沿用半个世纪的理论模型

中国科技网讯据物理学家组织网8月7日（北京时间）报道，一个由英、美、德等国家研究人员组成的国际研究小组利用美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的直线加速器连贯光源（LCLS），首次对极热、致密物质进行了受控研究，实验结果推翻了50年来人们广泛接受的模型，此模型用于解释致密等离子体内的离子行为及其相互影响。从研究核聚变作为能源到理解恒星内部的运行机制，这一结果将对许多领域产生重要影响。相关论文发表在本周出版的《物理评论快报》上。
研究人员利用LCLS的X射线检测了极热致密等离子体的详细属性，首次实现了等离子物理学中的基本实验。实验结果与目前科学家用了半个世纪的模型并不符合。“X射线激光非常关键，我们无法在别的地方进行这种实验。”研究小组领导、牛津大学的贾斯廷·瓦克说。
LCLS为实验提供了特需条件：用于检测极端现象的严格受控的环境，能量可精确调整的激光束和精确检测特殊固体密度的等离子体属性的方法。改变X射线的光子能量，能生成等离子体并对其进行探测。研究人员用X射线射击超薄铝箔，生成了固体密度的铝等离子体，并用复杂的算法和计算机代码来模拟超热物质行为，构建出聚变过程模型。论文作者、牛津大学奥兰多·希瑞克斯塔说，我们将这些代码用于1966年以来就一直在用的旧模型中，模拟等离子环境产生的效果，发现模型预测与我们的实验数据不符。但返回到更早的1963年的模型时，却符合得相当好。可这一模型并没有得到广泛接受。
在此过程中，他们还确定了将电子击出等离子体的高电荷原子需要多少能量。“这个问题以前没有人能准确地测出来。”希瑞克斯塔说。
研究人员指出，最新分析解释了在聚变实验和有着超浓聚联合原子内核的恒星释放能量过程中的一些重要问题，这一过程中，随着相关电子轨道的重叠，紧压在一起的原子会失去自主能力。随着深入研究获得更多细节，可能对聚变模型的某些方面带来改进。
瓦克说，希望这一发现能在等离子物理学界产生“重要影响”。在许多领域中，用1963年的模型更容易做出改进。“我们不能说，当前的每个模型在任何条件下对任何事物都管用。希望人们能回顾这一问题，看它们是否符合更精细的条件。”（记者常丽君）
总编辑圈点
等离子态在宇宙中最为常见，因为恒星中的物质普遍处于等离子态——气体在极度高温下，电子脱离了原子核的束缚，等离子体就产生了。但对于遍布宇宙的这种物质状态，人们对之的理解还非常有限。等离子体太变幻莫测了，科学家几乎无法预知，稍长一点的时间段里，它会如何变化。正因为如此，研发实用的托卡马克核聚变装置，很大程度上就是对等离子体的研究和利用。此次新技术手段的应用，帮助科学家确定了几个关键的物理值，让人们对等离子体的运动规律更有把握。
《科技日报》（2012-8-8 一版）

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