Рентгеновские снимки жидкого углерода при давлении в миллион атмосфер показывают поведение и структуру его расплава, что напрямую влияет на разработку оболочки термоядерного аблятора. Эти эталоны нацелены на создание более прочных и эффективных материалов для аблаторов инерционно-конфайнментного термоядерного синтеза и имплозионных моделей нового поколения.
Исследователи получили первые подробные рентгеновские дифракционные снимки жидкого углерода под давлением около миллиона атмосфер, обнаружив переходную, тетраэдрически связанную жидкость, а не плотно упакованный атомный суп. Измерения, сделанные путем облучения стеклообразного углерода лазером DiPOLE 100-X и облучения ударной волны импульсами с энергией 18 кэВ с помощью европейского XFEL, показывают около четырех ближайших соседей на атом - далеко не дюжину, как ожидается в простых жидкостях, - и представляют собой надежный ориентир для моделирования квантово-молекулярной динамики углерода в экстремальных условиях.
Команда наблюдала переход от аморфного углерода к алмазу при ~80 ГПа, за которым последовало полное плавление в жидкость при ~160 ГПа. Фурье-анализ дифракционных данных показал координационное число первой оболочки 3,78 ± 0,15 и скромный скачок объема на 7 процентов при плавлении - значения, согласующиеся с последними расчетами на основе первых принципов. Эти данные также позволили экспериментально оценить скрытую теплоту плавления (~130 кДж моль-1) и подтвердили положительный наклон кривой плавления углерода в этом диапазоне давлений, равный 11 К ГПа-1.
Такое микроскопическое понимание важно для инерционно-конфайнментного термоядерного синтеза (ИКС). Нынешние конструкции зажигания, включая рекордный выстрел, произведенный в Национальном центре зажигания, основаны на использовании оболочки из углерода (алмаза) высокой плотности, которая окружает и симметрично сжимает дейтерий-тритиевую мишень. Эта оболочка намеренно доводится до температуры плавления во время начального удара; ее реакция - прочность, непрозрачность, теплоемкость - задает основу для остальной части имплозии.
Таким образом, полное представление о структуре и уравнении состояния жидкого углерода напрямую связано с будущим проектированием термоядерных аблаторов и прогнозирующим гидродинамическим моделированием.
Исследование также подчеркивает разрыв в производительности между покрытиями из кристаллического и аморфного углерода. В новых концепциях ICF рассматриваются аморфные пленки с более низкой плотностью и высоким содержанием водорода для уменьшения предварительного нагрева и улучшения симметрии имплозии. Новые данные о жидком состоянии предлагают путь для настройки таких пленок: согласование пористости, настройка оптической глубины и выбор составов, которые сохраняют благоприятные характеристики расплава при ударной нагрузке.
Помимо непосредственного изготовления мишеней, полученные результаты служат высококачественным обучающим набором для машинного обучения межатомным потенциалам, что значительно ускоряет моделирование молекулярной динамики углерода при ударных нагрузках, позволяя достичь больших размеров систем и более длительных временных масштабов, чем это было бы возможно в других случаях.
Оригинал
Уникальность
