多普勒原理测量电子速度:左侧的激光照在电子上发生汤姆逊散射,由于电子运动速度的影响,散射光的频率发生变化(变红或变蓝),上方的检测器可以检测频率变化,进而推算电子的速度。图片来源:https://www.scienceinschool.org
通过测量这一频率的变化,就可以算出电子的运动速度,进而算出等离子体的温度。 变废为宝:离子测速
测量1亿度的高温,不能只依赖一种方法。除了电子速度的测量之外,科学家需要一些测量离子温度(也就是说,测量离子速度)的方法。
由于氢离子仅有一颗质子构成,其大小不足以被探测到,所以直接测量氢离子速度不太容易实现。但人们发现,等离子体中不可避免地会混入一些杂质,这些杂质成分给了科学家以灵感。
例如,有些等离子体约束装置中会含有金属钨,这就使得工作等离子体中混有痕迹量的钨。钨原子是较重的原子,这就使其原子核的电磁吸引力非常大,以至于在1亿度的高温下,仍然能束缚住不少核外电子。
在高温下,被束缚的核外电子会发出X射线辐射,这一辐射同样也会因为钨离子本身的速度而产生多普勒效应。通过测量这一多普勒效应,也就可以算出该离子的速度,并且进一步推算出离子温度了。
多个测温方法都有其优劣点,联合运用才可以更准确地测得温度。 我们何时才能实现“能量自由”?
对于人类社会来说,能源是推动社会发展的重要动力,能源的发展可以极大满足人类的很多需求。
例如,机械和肥料的使用让人们的粮食产量大为增加,而机械和肥料都是需要大量能量才能获得的物资;汽车和飞机让人们的交通更加便捷,从北京到上海只要几个小时,这在前工业时代是不可想象的。
如果难以理解可控核聚变对人类的意义,不妨来考虑一下人类驯服野牛野马的过程。牛马等畜力为人类提供了充足而廉价的动力来源,极大地提升了人类的活动范围和耕作能力,让人类得到了更进一步的解放和发展。
而核聚变与牛马的不同就在于,一克核聚变燃料所能释放的能量,约等于一匹马不眠不休地工作14.5年所贡献的能量(马:求求你做个人吧!)。
因此,早日实现可控核聚变,获得“能量自由”的重要性,就不言而喻了。辛勤工作的科研工作者获得的重要成果来之不易,让我们期待人类早日实现“能量自由”吧!
参考文献:
Dooley P (2012) Seeing the light: monitoring fusion experiments. Science in School 24: 12-16.
Rüth C (2012) Harnessing the power of the Sun: fusion reactors. Science in School 22: 42-48.
https://web.archive.org/web/20070221005552/http://mathworld.wolfram.com/MaxwellDistribution.html