2024年4月4日，美國物理聯(lián)合會周刊《科學(xué)之光(Scilight)》專題報道了雙錐對撞（DCI）聯(lián)合研究團隊近期在創(chuàng)造高密度等容等離子體方面的實驗進展[1]。Scilight是美國物理聯(lián)合會出版社(AIP publishing)出版的網(wǎng)絡(luò)周刊，致力于報道AIP發(fā)表的具有獨特創(chuàng)新性和重大科學(xué)意義的物理研究成果，每年僅從AIP旗下30多個期刊發(fā)表的眾多學(xué)術(shù)論文中挑選300余篇最值得關(guān)注的論文進行報道。

高增益激光聚變反應(yīng)需要用多路激光束對聚變?nèi)剂线M行穩(wěn)定壓縮和高效加熱，以便把聚變?nèi)剂蠅嚎s并加熱到相當(dāng)于太陽核心的密度和比太陽核心還要高得多的溫度，實現(xiàn)聚變點火與燃燒。由于傳統(tǒng)的中心點火路徑將球?qū)ΨQ壓縮過程與對中心燃料氣囊壓縮做功自加熱的過程耦合在一起，因而帶來了內(nèi)界面不穩(wěn)定性和加熱效率較低等困難。與之不同的是，“快點火”路徑將壓縮過程和快速外加熱過程分離開來，因而可以分別優(yōu)化壓縮與加熱過程，使得燃料在壓縮阻滯時刻達到沿加熱方向最大均勻密度，然后通過注入極短脈沖的高能電子束實現(xiàn)壓縮燃料的局域高效率等容加熱，實現(xiàn)快速點火和高增益聚變。但是，長期以來，如何產(chǎn)生具有均勻密度分布并且有陡峭邊緣的高密度等容等離子體一直是實驗上的挑戰(zhàn)，因為使用通常聚焦方法產(chǎn)生的高密度等離子體，其外圍自然存在的冕區(qū)等離子體會使入射的加熱電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，大幅度降低加熱效率。

DCI聯(lián)合研究團隊經(jīng)過長期的理論和實驗研究，近期在上海光機所“神光II”升級激光裝置上進行的第6-8輪實驗中，證明了通過準(zhǔn)確調(diào)控等離子體噴流的高速對撞過程，可以產(chǎn)生高密度的等容等離子體[2]。在實驗中，他們將多路納秒激光束聚焦在壓縮金錐內(nèi)的球殼燃料上，產(chǎn)生沿金錐軸向的高速內(nèi)爆，經(jīng)過高度壓縮與加速后的高密等離子體射流由金錐口出射并與對面金錐口出射的等離子體射流實現(xiàn)準(zhǔn)確對撞，在阻滯時刻形成了中間密度高、邊緣密度陡的等離子體，最后在千特斯拉磁場的引導(dǎo)下，皮秒相對論激光在加熱金錐中產(chǎn)生特定能量的高能電子束，注入到高密度等離子體中實現(xiàn)快速加熱。由于加熱金錐可以直接插入到陡峭邊緣的等容等離子體中，因而可以期待高能電子束對等離子體局部的高效加熱。這些結(jié)果在去年結(jié)束的第7輪和第8輪實驗中得到可靠重復(fù)，他們系列實驗的最終目的是實現(xiàn)高效的聚變點火和燃燒。

X射線條紋相機測得的實驗結(jié)果表明，在總能量為10kJ的納秒激光驅(qū)動下，可以形成內(nèi)爆速度穩(wěn)定在220km/s左右的高速內(nèi)爆等離子體噴流。通過機器學(xué)習(xí)精確調(diào)控等離子體噴流的對撞過程，可以顯著地提高聚變?nèi)剂系臏囟群兔芏?，并且在高速等離子體噴流對撞的界面沒有觀察到顯著發(fā)展的瑞利泰勒不穩(wěn)定性，顯示了對撞過程的魯棒性。以上實驗結(jié)果與二維聚變流體程序MULTI-2D的模擬結(jié)果基本一致。該研究結(jié)果不僅對DCI方案后續(xù)的高能電子束快速加熱過程至關(guān)重要，對致密簡并天體物理的研究也具有重要意義。

在過去的一年時間里，“神光II”升級裝置已被進一步升級為具有總能量大于32kJ的16路納秒驅(qū)動激光束和總能量為3.5kJ的2路皮秒激光束的直接驅(qū)動快點火研究平臺。DCI聯(lián)合研究團隊目前正在該研究平臺上進行第9輪實驗，目的是實現(xiàn)對磁場引導(dǎo)加熱過程的優(yōu)化。

該研究工作以“Observation of the colliding process of plasma jets in the double-cone ignition scheme using an x-ray streak camera”為題發(fā)表在國際等離子體研究界知名期刊《Physics of Plasmas》上。該論文被選為當(dāng)期的編委推薦（Editor's Pick），并被美國物理聯(lián)合會《科學(xué)之光》（Scilight）以《Head-on collision of compressed plasma jets shows promise for high-gain laser fusion》為題進行了專訪報道。該工作由中科院先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金和上海市科技創(chuàng)新行動計劃資助。北京師范大學(xué)博士生劉正東和上海交通大學(xué)吳福源副研究員為論文共同第一作者，上海交通大學(xué)/中國科學(xué)院物理研究所張杰院士和北京師范大學(xué)仲佳勇教授為共同通訊作者。