@ 2015.10.05 , 15:00

为了校准聚变设备,美国国家标准技术局掰弯石英

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美国国家标准技术局(NIST)详细披露了其用来校准聚变研究装置的方法,它使用一个涉及包括掰弯石英晶体的有趣技术。这些晶体就是普通的石英,它们让科学家们能精确测量来自桑迪亚国家实验室所谓Z-机器的强大X射线,这是全世界最大的X射线发生器。

基本上,Z脉冲电源设施如上图(也被人叫做Z-机器),它通过装在大金属桶里的一小坨氢的较重同位素氘工作。令人难以置信地强大的电容器存储并瞬间释放超过2500万安培的电流,使氘球内爆并导致它的一些原子融合。这会导致释放出巨大的X射线信号,然后可以通过研究它来了解制造它的融合过程——但我们怎样才能准确地测量这样的信号?

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桑迪亚的回答是掰弯石英晶体,这就是把石英薄片在字面意义上慢慢掰弯。这些晶体是不到半毫米厚的矩形,研究者们把它们装载在金属框架里,以防它们在缓慢掰弯获得曲率的过程中被掰断。它们的晶格在被这样掰弯时充当了X射线信号棱镜,按特定子波长分离它们,因此科学家们就能个别地收集和分析它们。

为了校准它们,研究者们基本上要用已知强度和能量的标准X射线源轰击这些晶体,并测量所得光谱,其目的并不是要了解X射线本身,而是要创建晶体对于辐射能量/强度的响应曲线,这些X射线彩虹形成一条曲线,然后就能作为图例解释来自实际实验的经石英分解的X射线信号。

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一根天然掰弯的石英晶体。

因为每个掰弯的晶体都有略微不同的光学特性,从而创建出独特的散射效应,它们都需要单独校准。如果他们不确实地量化每个晶体如何与所有不同种类的X射线相互作用,最终就会得到有非常轻微误差的结果——你知道科学家们有多痛恨这些。

这些信号应该带来对聚变力量的了解以及其它事情。创造一个能工作的聚变反应堆意味着维持聚变反应的稳定约束,目前是用激光或者磁性约束(记得《星际迷航》上他们总是在谈论“约束光束”么?)。这种约束不仅要足够强大,形状还必须精确符合它所约束的聚变反应——为了做到这些,你就需要非常了解反应过程,这些实验就可以提供这种信息。

更有趣的是,他们也可以让天文学家们研究组成太阳的元素。观察已经暗示某些元素在恒星中心融合,而理论则预测一个非常不同的分布。桑迪亚国家实验室的Z-机器可以创造和“宏观”尺度非常相同类型的聚变反应,让天文学家们推导出一些聚变规律,并将其应用于对我们这颗恒星的理解。

本文译自 ExtremeTech,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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