德国罗斯托克大学物理研究所Julian Lütgert、亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）Philipp Hesselbach 等人及其合作者在MRE2024年第四期发表论文“Temperature and structure measurements of heavy-ion-heated diamond using in situ X-ray diagnostics”，给出了强离子脉冲加热下对单晶金刚石样品的光谱分辨 X 射线散射和 X 射线衍射的原位测量结果，由此确定了样品的加热动力学及其在几微秒时间尺度内的微观和宏观结构完整性。

自20世纪初X射线应用于晶体探测和分析以来，特别是在激光诞生以后这几十年间，通过不断运用先进技术和设备，X射线诊断技术飞速发展，作为探测高能量密度（HED）物质的有力工具，不仅广泛应用于了解HED物质的结构、温度、密度和电离态，同时也推动了相关技术的进步和先进设备（特别是大型科研装置）的研发。

在温稠密物质（WDM）研究中，X射线诊断的作用至关重要。WDM 研究是现代物理学中一个迅速扩展的领域，它主要研究处于传统凝聚态和等离子体状态之间过渡状态的物质。WDM密度与环境条件相当，温度与典型的结合能相当，对可见光变得不透明，因此，光学诊断方法不再适用。而在自然界中，WDM广泛存在于诸多星体中，例如，地幔内部、大质量行星如木星的内核和恒星的外壳层等，是物理学研究的重要课题。另一方面，实验室核聚变过程中也存在温稠密物质，对其进行准确测量和分析，有可能找到材料合成的新方法。因此，发展和应用新型、先进的实验诊断工具十分必要。

实验室中WDM状态的产生通常基于冲击实验，使用气炮、Z箍缩或高功率激光器等作为驱动源，使样品快速升温升压到HED状态，只能产生纳秒尺度的短寿命小样品，难以进行探测。为此，Lütgert等人最近提出了使用重离子产生 WDM 的新方法，其所用装置为目前正在德国达姆施塔特建设的反质子和离子研究装置 （FAIR）。

根据预期的离子数，毫米大小的样品可以被加热到超过10 eV 的温度，可在数百纳秒甚至几微秒的更长时间尺度上进行研究。

目前，原位光谱分辨X射线散射（也称为X射线汤姆逊散射，XRTS）和X射线衍射（XRD）等技术已被广泛用作对块体样品内部状态的精密测量方法。因此，对重离子加热材料，采用X射线诊断观察其温度和结构。

作者选择单晶金刚石作为研究对象。在真空炉中，在高于1900 K 的温度下，可以在超过几分钟的时间跨度内观察到金刚石到石墨的体积转变，石墨化速率随温度的升高而迅速增加。或者，可以通过在单个原子上沉积超过 ∼1.2 eV 能量来局部诱导这种结构变化。理论计算预测，对于此类实验，部分石墨化发生在几百飞秒时间尺度内。然而，转变的能量阈值及其速度是十分活跃的研究主题。考虑到离子不仅与电子相互作用，还直接与金刚石晶格相互作用，作者探索了中间时间状态以及不同的加热机制，而这方面的研究至今是比较匮乏的。

更好地理解在微秒时间尺度和常压下被加热的金刚石的强度也有一些直接的应用价值。首先，用快离子轰击金刚石是 GSI、FAIR 和其它加速器装置的典型场景，由于其机械和电子学特性，这种材料被用于粒子探测器的传感器中，因此，关于该材料在这些条件下稳定性的信息具有重要的实际应用意义。其次，这些研究有助于理解激光驱动冲击实验中的纳米金刚石所经历的过程，这种情况下可以使用 XRD 原位探测其形成过程，但尚不能探测其恢复过程。

实验在亥姆霍兹重离子研究中心（德国达姆施塔特）进行，使用 SIS18 重离子同步加速器的重离子²⁰⁸Pb⁶⁷⁺和 PHELIX 高能激光装置的纳秒脉冲来产生用于诊断的 X 射线。使用这种现有的基础设施可以测试和改进未来用于FAIR的方法和诊断，它被称为 FAIR Phase-0研究计划。

使用重离子驱动会给 XRTS 信号的检测带来一些独特的挑战，因为离子束撞击样品会诱发大量背景噪声。这个问题可以通过物理屏蔽和数据后处理加以解决，同时依靠神经网络识别有缺陷的像素。此外，由于样品上 X 射线源的尺寸较大，实验探测到了大范围的散射光，因此实验分析需要对从背光源到探测器的整个设置进行光路追踪模拟。

审稿专家认为：论文介绍了采用 X 射线散射的离子束加热金刚石实验研究工作。应用密度泛函理论-分子动力学（DFT-MD）模拟和离子加热建模对数据的解读提供了支持。金刚石的（快速）石墨化最近已经成为关注重点，因为它可能在自由电子激光（FEL）装置中观察到，因此，这项工作既有趣又及时。离子加热为真空炉中的超快转变和准静态条件提供了一个很好的中间状态。此外，温度测量是许多高能量密度物理（HEDP）实验的薄弱环节，新方法的开发和测试非常受欢迎。论文写得很好，方法和结果都很清晰，所有结论均进行了合理论证和讨论。