激光系統(tǒng)上實現(xiàn)聚變點火過程中到底內爆運動是什么樣的？怎么衡量這些運動？慣性約束聚變內爆產(chǎn)生的溫度能有多高？

你了解過激光驅動不對稱么？想象一下，雙手之間夾著一個氣球，用同樣的力擠壓它的兩邊，使它均勻地向下收縮。然而，如果你在一側比另一側用力，氣球不會均勻壓縮，氣球不僅不會下降，反而會離用力的手越來越遠。

圖片來自網(wǎng)絡

與此類似，慣性約束聚變(inertial confinement fusion,ICF)靶丸驅動也存在不平衡現(xiàn)象——如果它在頂部的推動力大于底部，靶丸將向下移動。這種運動分散了加熱靶丸和產(chǎn)生聚變的能量。與手不同的是，可以想象用兩個活塞壓縮氣體。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)科研人員Dave Schlossberg就是這樣解釋激光驅動不對稱效應的。

LLNL

該團隊在國家點火設施進行了實驗，以研究一種會顯著降低性能的“低模式”激光不對稱。有了這些知識，就有可能減少不對稱并提高其性能。這也是過去幾年中一系列修復輻射損失、工程特征和燒蝕不對稱造成的退化的眾多實驗之一。

顯示內爆ICF熱點內測量和模擬氣流的組合圖。(a)時間分辨X射線發(fā)射用于在內爆過程中跟蹤明亮的“示蹤”粒子。(b)三種不對稱驅動的水平流速和(c)垂直流速:向上(▲)和向下(▼)驅動的內爆顯示出強烈的垂直流。(d)來自向下(▼)驅動的內部流動流線數(shù)據(jù)，覆蓋在2D HYDRA模擬的流場上

精確表征測量

這項工作有四個關鍵發(fā)現(xiàn)——不對稱激光驅動的測量特征；模擬和實驗的一致性；隨著整體等離子體運動的增加，表觀離子溫度的多普勒展寬的量化；觀察到的驅動熱點流與宏觀輸入?yún)?shù)的關聯(lián)?！霸趯嶒灴茖W中，我們只知道我們能測量什么——所以首先我們需要描述顯示這些內爆遭受激光驅動不對稱的測量參數(shù)，接著將這些測量結果與模型進行比較，看看它們是否一致。結果證實確實存在一致性?！?/p>

氘氚聚變的一個產(chǎn)物是在質心框架中以51234公里/秒速度運動的中子（速度大約是光速的17%）。如果產(chǎn)生這些中子的等離子體也以一定的速度運動，那么這個速度會疊加到中子運動上。研究小組表明，中子速度的微小變化與測量的飛行時間中子譜的加寬直接相關。我們可以想象一下測量槍支子彈發(fā)射的到達時間，子彈其實就代表著中子?！叭绻闶且幻駱屖?，每次你發(fā)射子彈時，它都絕對靜止，會在完全相同的時間到達目標。但是，現(xiàn)在假設你跑動射擊，那么有些子彈會早些到達，有些子彈會晚些到達，這取決于你每次開槍時的速度?！?/p>

Schlossberg說，同樣的事情也發(fā)生在內爆、聚變等離子體中，這些等離子體在運動的同時產(chǎn)生中子。中子飛行時間診斷精確測量中子到達時間，并將它們與等離子體的內能聯(lián)系起來。因為等離子體在運動，到達時間有額外的擴散，這是推斷等離子體溫度時的一個重要考慮因素。這項工作描述了表觀離子溫度如何由于氘氚速度的變化而升高。

“示蹤”粒子繪制聚變等離子體中的流動

這項工作的最終發(fā)現(xiàn)是直接測量聚變熱點內流動的氘氚離子。膠囊里摻雜的鎢——作為內部流動的“示蹤”粒子，被注入熱等離子體，并在X射線范圍內被點亮。通過追蹤這種“示蹤”粒子隨時間的運動，研究小組繪制出了等離子體熔化時的流線。這一點很重要，因為這些流動是表觀溫度升高的原因，而且兩次測量結果一致。

該團隊利用這一測量將微觀熱點內的流動與宏觀激光驅動中的不對稱聯(lián)系起來。當它們平衡激光驅動時，這些流動消失了(見圖中的●軌跡)。這些發(fā)現(xiàn)提供了對激光驅動不對稱對內爆性能影響的全面理解，并且在實驗、模擬和理論上顯示了一致性。這為未來識別和減少激光驅動中的這些不對稱現(xiàn)象的工作提供了更多可能，未來有望全面提高性能。

任何研究不是一蹴而就的，是通過多次實驗不斷優(yōu)化的。研究人員回憶實驗過程時說：“當我們在第一次拍攝后看到初步的時間分辨X射線成像時，我們立即j就被這些微觀的壯觀現(xiàn)象吸引住了，最終發(fā)現(xiàn)了示蹤粒子穿過熱點的時間分辨運動，”施洛斯伯格說。這種材料的傳播速度約為光速的0.1%，密度約為固體材料的10倍。"該研究離不開數(shù)據(jù)處理分析、靶制造、操作和診斷多部門、多小組的努力，讓人再一次驚嘆團隊的力量之大！