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超快X射线提供了关于水中等离子体放电分解的新视角

2021-07-31 21:38          X射线

(a) 激光触发的驱动电路图,(b) 一个典型事件的电压和电流轨迹。(c) 通过直接整合计算出的功率和能量。资料来源:德克萨斯A&M大学
 
水中等离子体放电发生的速度比音速还快,随着研究人员利用最先进的X射线成像技术对这一具有挑战性的课题进行新的诊断过程,其背后的奥秘离被理解又近了一步。

这些诊断过程为更好地理解等离子体物理学打开了大门,这可能导致通过包括核聚变、碳氢化合物重整和制氢等方法在绿色能源生产方面取得进展。

德克萨斯A&M大学J.Mike Walker '66机械工程系的David Staack博士和Christopher Campbell是开创这种评估等离子体过程方法的团队的成员。该项目的合作伙伴包括来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的诊断专家和使用阿贡国家实验室高级光子源(APS)的设施。

该团队正在与LTEOIL合作,对多相等离子体在无碳燃料重整中的使用进行专利研究。这项研究通过热核等离子体物理组(P4)的主要调查员王哲辉(Jeph),得到了洛斯阿拉莫斯国家实验室动态材料特性活动(C2)和高级诊断活动(C3)的支持。

这项研究最近发表在《物理评论研究》上,正在产生第一个已知的水的脉冲等离子体启动过程的超快X射线图像。副教授兼Sallie和Don Davis '61职业发展教授Staack说,这些新图像为等离子体在液体中的行为提供了宝贵的见解。

"我们的实验室正在与行业赞助商合作,对多相等离子体在无碳燃料重整中的使用进行专利研究,"Staack说。"通过了解这种等离子体物理学,我们能够有效地将焦油和回收的塑料转化为氢气和汽车燃料,而没有任何温室气体排放。在未来,这些调查可能会导致惯性约束聚变能源的改进。"

惯性约束核聚变--产生高温、高能量密度的等离子体--是该项目的一个具体重点。为了更好地了解这种类型的核聚变所涉及的等离子体物理学,Staack说该团队正在利用一个简单、低成本的等离子体放电系统开发短时标、高速成像和诊断技术。

此外,他们正在寻求更好地理解当等离子体在液体中放电时发生的现象,导致能量的快速释放,从而在水中形成低密度的微裂缝,其移动速度超过20倍音速。

研究生研究助理和博士生坎贝尔说,该团队希望他们的发现可以证明是对其领域的集体知识的宝贵贡献,因为研究人员正在寻求为等离子体在液体中如何反应开发强大的预测模型。

"我们的目标是利用超快的X射线和可见光成像技术,实验性地探测围绕这个等离子体的感兴趣的区域和时间尺度,从而为这个领域正在进行的文献讨论贡献新的数据,"坎贝尔说。"有了一个完整的概念模型,我们可以更有效地学习如何以新的方式应用这些等离子体,也可以改进现有的应用。"

尽管他们已经取得了进展,坎贝尔说目前的方法还不够成熟,无法在如此短的时间内--不超过100纳秒的时间内收集单个等离子体事件的多个图像。

"坎贝尔说:"即使有先进的技术和高级光子源的快速帧率,我们也只能在整个感兴趣的事件中拍摄一帧图像--在下一帧视频中,大多数最快的等离子体过程已经结束。坎贝尔说:"这项工作强调了我们已经开发的几种机智的技术,以充分利用我们能够拍摄的这些最快过程的少数图像。"

该团队目前正在努力测量快速现象引起的压力,并准备在APS进行第二轮测量,以研究相互作用的放电、不同液体中的放电以及可能限制更高能量放电的封闭过程。他们期待着有机会使用更高帧数的X射线成像方法,帧数可达每秒670万帧,而这项研究中的帧数为每秒27.1万。

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