超快X射线为水中等离子体放电击穿提供了新的视角

得克萨斯农工大学的研究人员使用阿贡国家实验室先进光子源的超快x射线成像设备，通过支持纳秒光学成像和x射线衍射计算模型，对水中（+25 kV，10 ns，5 mJ）的纳秒脉冲单电极等离子体起始过程进行了研究。相关研究发表在《Physical Review Research》上。

图1，具有典型事件的(a)激光触发驱动电路图（b）电压和电流轨迹。(c） 通过直接积分计算的功率和能量。来源：德克萨斯农工大学。

纳秒脉冲等离子体工艺因其在纳米化学、医学、三维（3D）打印和空气动力学流动操纵等领域的广泛适用性而引起了人们的极大兴趣。从历史上看，对脉冲等离子体引发现象的研究主要集中在气相过程，因此人们对气相过程的了解相对成熟。

相比之下，液体中的放电呈现出复杂的多相环境，等离子体在其中传播，这对从气相放电中获得的经验提出了挑战。液体排放也广泛适用，因此，增进对这项研究的理解至关重要。最近的一些研究工作集中于研究液相击穿起始现象，其中关于主要击穿机制有几个流行的假设，目前没有结论性理论。到目前为止，尚未证明在液体介质中电子雪崩是否可能，因此，有几个研究课题组就拖缆传播之前存在气泡或溶解气体的必要性进行了辩论。另一种假设认为，通过电致伸缩产生纳米孔是等离子体引发所需低密度区域的来源。还有人认为，电极尖端的场发射可以局部加热周围的水，导致快速膨胀和低密度区域，电子可以通过该区域雪崩。在任何情况下，有关纳秒等离子体现象和相关低密度区域的时间分辨率高分辨率成像都有助于验证/驳斥这些候选引发机制。

随着研究人员利用最先进的X射线成像技术将新的诊断过程应用于这一具有挑战性的课题，水中等离子体放电击穿背后的奥秘比声速更快，离被理解更近了一步。这些研究为更好地理解等离子体物理打开了大门，这可能导致通过聚变、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。

德克萨斯农工大学机械工程系的研究成员们开创了一种评估等离子体工艺的方法，并正在制作第一张水中脉冲等离子体引发过程的超快 X 射线图像。这些新图像为了解等离子体在液体中的行为提供了宝贵的见解。

通过支持纳秒光学成像和x射线衍射计算模型，对水中（+25 kV，10 ns，5 mJ）的纳秒脉冲单电极等离子体起始过程进行了研究。研究结果清楚地解决了通常被光发射遮蔽的起始时间尺度内的窄（~10μm）低密度等离子体通道。这种多相环境在先前的文献中没有得到很好的描述，这些实验结果似乎与流行的击穿起始假设不一致。这项工作还提出，这种等离子体过程是一种廉价、紧凑、可重复的基准成像目标，具有高超音速现象（29.1 km/s）和极高的功率密度（1TW/cm^2），有助于惯性约束聚变和其他感兴趣的纳秒过程的下一代超快成像的发展。

图2，本研究中感兴趣的脉冲水等离子体采用四种不同的方法成像，按减少曝光时间的顺序：（a）67 ms，（b）2.38μs，（c）10 ns，（d）50 ps。

论文作者Staack说：“我们的实验室正在与行业赞助者合作，就多相等离子体在无碳燃料重整中的应用进行专利研究。通过理解等离子体物理，我们能够有效地将焦油和回收塑料转化为氢气和汽车燃料，而不会产生任何温室气体排放。在未来，这些研究可能导致惯性约束聚变能源的改进。” 惯性约束聚变产生高温、高能密度等离子体是该项目的一个重点。为了更好地理解这种聚变中涉及的等离子体物理，他说，该团队正在开发利用简单、低成本等离子体放电系统的短时间、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，这种现象会导致能量的快速释放，从而导致水中的低密度微裂缝，其移动速度超过音速的20倍。目前，研究小组希望他们的发现能够证明对他们领域的集体知识做出有价值的贡献，因为研究人员正在寻求开发关于等离子体在液体中如何反应的强大预测模型。

现在的目标是利用超快X射线和可见光成像技术，通过实验探测等离子体周围感兴趣的区域和时间尺度，从而为该领域正在进行的文献讨论提供新的数据。有了一个完整的概念模型，就可以更有效地学习如何以新的方式应用这些等离子体，并改进现有的应用。尽管已经取得了进展，但目前的方法还不够成熟，无法在不到100纳秒的短时间内收集单个等离子体事件的多幅图像。

论文作者坎贝尔表示，即使先进的光子源具备最先进的技术和快速的帧速率，我们也只能在下一个视频帧之前对整个感兴趣的事件中的一个帧进行成像，大多数最快的等离子体过程已经结束。这项工作重点介绍了我们开发的几种足智多谋的技术，以充分利用我们能够拍摄的这些最快过程中的少数图像。他们目前正在努力测量快速现象引起的压力，并准备在阿贡国家实验室先进光子源进行第二轮测量，以调查相互作用的放电、不同流体中的放电以及可能限制高能放电限制的过程。他们期待着有机会使用更高帧速率的X射线成像方法，其范围高达每秒670万帧，而本研究中的帧速率为每秒271000帧。

该项目的合作伙伴包括洛斯阿拉莫斯国家实验室和使用阿贡国家实验室先进光子源（APS）设施的测试专家。该团队正在与LTEOIL合作进行多相等离子体用于无碳燃料重整的专利研究。该研究得到了洛斯阿拉莫斯国家实验室的动态材料特性运动 (C2) 和高级诊断运动 (C3) 的支持。