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江苏激光联盟导读：
研究小组捕捉到了第一张水中放电的亚纳秒图像 ， “水中的闪电”—超快X射线为水中等离子体放电提供了新视角 ， 助力超快过程等研究 。
闪电很快 ， 但有多快呢？一项实验室合作最近尝试通过同步加速器X射线来寻找答案 。 大家或许对富兰克林发现电和闪电之间联系的故事并不陌生——1752年6月的一天 ， 阴云密布、电闪雷鸣 ， 一场暴风雨就要来临了 。 富兰克林和他的儿子威廉一道带着上面装有一个金属杆的风筝来到一个空旷地带 ， 富兰克林高举起风筝 ， 他的儿子则拉着风筝线飞跑 。 由于风大 ， 风筝很快就被放上高空 。 刹那间雷电交加、大雨倾盆 。 富兰克林和他的儿子一道拉着风筝线 ， 父子俩焦急的期待着 。 之后 ， 富兰克林就成功体验了“电击”的神奇 。
富兰克林风筝实验 来源：百科当时的本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）没有意识到他所“控制”的电力的危险 。 在随后的几个世纪里 ， 通过实验和计算 ， 人们对闪电或等离子体有了更多的了解 。 但由于捕捉图像技术能力有限 ， 关于等离子体等超快过程科学的未解之谜依然存在 ， 探索之路依旧“道阻且长” 。 现在 ， 在一个比富兰克林雷暴更受控制的环境中 ， 由洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory ， 1943年成立 ， 以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世 ， 一直由加利福尼亚大学负责管理)热核等离子体物理组的科学家Zhehui Wang领导的研究小组捕捉到了第一张水中放电的亚纳秒图像 。 这项研究在最近发表在《Physical Review Research》上 。
(左)长曝光时间的水中闪电现象；(右)该现象的X射线图 ， 曝光时间小于100皮秒 ， 空间分辨率更高 。 一皮秒等于一秒的万亿分之一 。 即使用纳秒甚至亚纳秒来衡量超快等离子体过程 ， 对该过程的基础研究仍待完善 。 除了这些基础研究之外 ， 等离子体在水处理或医学、治疗疾病或进行外科手术等应用环境中也很重要 。
水中等离子体反应的速度已经远非那些常规成像办法可捕捉 。 而且 ， 即使被捕捉到 ， 等离子体爆发的光发射也会使过程的细节变得模糊不清 。 洛斯阿拉莫斯的多学科团队在副教授David Staack的指导下 ， 在Texas A&M大学的研究生Chris Campbell和Xin Tang建立的新型水中电极装置的基础之上进行了全新的探索 。 在芝加哥阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的参与下 ， 该团队使用最先进的同步加速器X光高级光子源(APS)来解决成像问题 。 Wang解释道：“大多数人从来没有用X射线观察过这个过程 ， 他们一般会使用可见光相机 。 但是这些方法会导致其被等离子体本身发出的光所'屏蔽' 。 使用X射线 ， 你可以摆脱其他环境影响因素 ， 精确定位你真正想看到的东西——等离子体 。 ”
阿贡国家实验室
【等离子体|“水中的闪电”——光电研究最新突破】APS全景图快速成像X射线能够以每秒200000张图像的速度捕获图像 ， 换句话说图像之间的间隔大约为153纳秒（1纳秒约为1秒的十亿分之一） 。 这样的速度刚好够捕捉到一张水中等离子体放电的图像 。 单个X射线图像的曝光时间只有大约50皮秒(1皮秒是千分之一纳秒) ， 允许超快现象的清晰成像 。
等离子体 ， 也被称为物质的第四种状态 ， 在宇宙中无处不在 。 等离子体-水相互作用不仅可以用于研究与闪电速度相关的多个问题 ， 还有望产生新的物质相 ， 为研究高能电子与水分子混合时的相变提供了更多可靠信息 。 电离粒子迅速繁殖 ， 这可能会以一种未知的速度转变成逃逸 。 第一个电子从电极的哪里出来？电极表面状况有哪些作用？由于这些问题过于复杂 ， 即使使用最现代的计算机也无法建模或计算 ， 而超快成像或许可为揭示这些秘密提供一条捷径 。 简单的水中电极实验也为多学科材料科学研究提供了更多可能——比如实验中等离子体-水相互作用产生的超高能量密度（尽管所涉及的能量不到1焦耳、水中闪电的大小只有几分之一毫米） 。 另一个可能与材料科学有关的未解决问题则是新的物质相如何恢复平衡 ， 以怎样的速度恢复 。 随着快速成像能力的“出世” ， Wang期待着未来进一步完善实验和扩大研究范围 。 控制实验环境是首要考虑的因素——如改善材料和几何结构中的电极结构 ， 尝试不同的化学解决方案 。 此外 ， 通过成像软硬件的进步 ， 可以提高快速成像能力 。 鉴于快速成像在实验室任务中的重要性 ， 包括中尺度科学、冲击波实验和激光驱动实验（如惯性约束聚变研究） ， Wang相信预测科学、模拟以及人工智能等领域也能从该研究中受益 。 通过X射线同步加速器、超快成像和紧凑的等离子体设备的新颖组合 ， 研究人员不仅可以首次实现科学“可视化” ， 也可以更好地理解水中闪电的结构和特性 。 来源：Los Alamos National Laboratory
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