利用太阳能量的聚变研究被视为未来潜在的能源来源之一，但实现可控聚变仍面临多项技术挑战。其中，聚变反应发生在超高温的等离子体状态中，等离子体可能出现降低反应效率的不稳定结构。研究人员通过对不同不稳定性的表征，尝试在实验中预防或利用这些现象。

美国能源部SLAC国家加速器实验室（SLAC）研究人员领导的团队近日报告称，已首次在高密度等离子体中实时成像一种被称为“电流丝状化”的不稳定性演变过程。相关成果发表在《自然通讯》（Nature Communications），并展示了利用SLAC直线加速器相干光源（LCLS）X射线激光研究等离子体不稳定性的新方法。

论文第一作者、SLAC项目科学家Christopher Schoenwaelder表示，这是迄今对该不稳定性最为细致的描述之一，研究团队不仅获得了不稳定性随时间演化的成像结果，还结合先进模拟对现有理论模型进行约束。SLAC高能密度部门主任兼光子科学教授Siegfried Glenzer则指出，对不稳定性何时产生、如何增长的理解，对实现聚变目标至关重要。

高能X射线提升高密度等离子体成像能力

在电流丝状化不稳定性中，激光会将等离子体中的电子加速到极高能量，形成热电子电流；该电流与反方向流动的冷电子回流相互作用，进而产生丝状的不稳定结构。

研究团队指出，电流丝状化不稳定性此前已在低密度等离子体中实现成像，但在高密度等离子体中开展同类研究更具挑战性，原因在于传统成像手段难以穿透高密度介质。然而，高密度等离子体的研究对理解惯性聚变相关等离子体尤为重要，因为后者密度极高。

据介绍，LCLS产生的高强度X射线具备穿透高密度等离子体的能量条件。团队在极端条件物质（MEC）仪器上使用强激光诱导形成不稳定性，并利用X射线激光对其进行成像。所得图像显示，微米尺度的丝状结构可在极短时间内形成，从而为该不稳定性提供了更高的空间与时间分辨率。

Glenzer表示，实验以每隔500飞秒（千万亿分之一秒）获取一次“快照”的方式记录过程，从而呈现了此前未能观察到的细节。

平台可扩展至更多不稳定性研究

实验部分由Schoenwaelder与SLAC副研究员Maxence Gauthier主导；模拟工作由SLAC研究助理Alexis Marret与葡萄牙里斯本大学物理学教授、SLAC光子科学访问教授Frederico Fiúza负责。研究团队通过将实验数据与最先进的模拟及理论进行对比，识别出影响该不稳定性演变的相关机制。

分析还显示，实验过程中该不稳定性产生了约1000特斯拉的磁场，约为普通冰箱磁铁磁场的10万倍。研究人员指出，在天体物理现象中的等离子体环境（如爆炸星体）中，类似的强磁场放大被认为与高能粒子加速有关，这些粒子通常被称为宇宙射线。

研究团队表示，对电流丝状化不稳定性的进一步理解，可能帮助科学家借助实验室等离子体实验，探索发生在遥远天体环境中的相关过程。与此同时，本研究开发的成像平台也可扩展用于研究其他类型的等离子体不稳定性，包括那些可能从聚变反应中带走能量的不稳定性。