激光系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火過程中到底內(nèi)爆運(yùn)動(dòng)是什么樣的？怎么衡量這些運(yùn)動(dòng)？慣性約束聚變內(nèi)爆產(chǎn)生的溫度能有多高？

你了解過激光驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱么？想象一下，雙手之間夾著一個(gè)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(cè)比另一側(cè)用力，氣球不會(huì)均勻壓縮，氣球不僅不會(huì)下降，反而會(huì)離用力的手越來越遠(yuǎn)。

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

與此類似，慣性約束聚變(inertial confinement fusion,ICF)靶丸驅(qū)動(dòng)也存在不平衡現(xiàn)象——如果它在頂部的推動(dòng)力大于底部，靶丸將向下移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)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(gè)活塞壓縮氣體。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)科研人員Dave Schlossberg就是這樣解釋激光驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱效應(yīng)的。

LLNL

該團(tuán)隊(duì)在國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以研究一種會(huì)顯著降低性能的“低模式”激光不對(duì)稱。有了這些知識(shí)，就有可能減少不對(duì)稱并提高其性能。這也是過去幾年中一系列修復(fù)輻射損失、工程特征和燒蝕不對(duì)稱造成的退化的眾多實(shí)驗(yàn)之一。

顯示內(nèi)爆ICF熱點(diǎn)內(nèi)測(cè)量和模擬氣流的組合圖。(a)時(shí)間分辨X射線發(fā)射用于在內(nèi)爆過程中跟蹤明亮的“示蹤”粒子。(b)三種不對(duì)稱驅(qū)動(dòng)的水平流速和(c)垂直流速:向上(▲)和向下(▼)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)爆顯示出強(qiáng)烈的垂直流。(d)來自向下(▼)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部流動(dòng)流線數(shù)據(jù)，覆蓋在2D HYDRA模擬的流場(chǎng)上

精確表征測(cè)量

這項(xiàng)工作有四個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)——不對(duì)稱激光驅(qū)動(dòng)的測(cè)量特征；模擬和實(shí)驗(yàn)的一致性；隨著整體等離子體運(yùn)動(dòng)的增加，表觀離子溫度的多普勒展寬的量化；觀察到的驅(qū)動(dòng)熱點(diǎn)流與宏觀輸入?yún)?shù)的關(guān)聯(lián)?！霸趯?shí)驗(yàn)科學(xué)中，我們只知道我們能測(cè)量什么——所以首先我們需要描述顯示這些內(nèi)爆遭受激光驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱的測(cè)量參數(shù)，接著將這些測(cè)量結(jié)果與模型進(jìn)行比較，看看它們是否一致。結(jié)果證實(shí)確實(shí)存在一致性。”

氘氚聚變的一個(gè)產(chǎn)物是在質(zhì)心框架中以51234公里/秒速度運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)速度會(huì)疊加到中子運(yùn)動(dòng)上。研究小組表明，中子速度的微小變化與測(cè)量的飛行時(shí)間中子譜的加寬直接相關(guān)。我們可以想象一下測(cè)量槍支子彈發(fā)射的到達(dá)時(shí)間，子彈其實(shí)就代表著中子?！叭绻闶且幻駱屖?，每次你發(fā)射子彈時(shí)，它都絕對(duì)靜止，會(huì)在完全相同的時(shí)間到達(dá)目標(biāo)。但是，現(xiàn)在假設(shè)你跑動(dòng)射擊，那么有些子彈會(huì)早些到達(dá)，有些子彈會(huì)晚些到達(dá)，這取決于你每次開槍時(shí)的速度。”

Schlossberg說，同樣的事情也發(fā)生在內(nèi)爆、聚變等離子體中，這些等離子體在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生中子。中子飛行時(shí)間診斷精確測(cè)量中子到達(dá)時(shí)間，并將它們與等離子體的內(nèi)能聯(lián)系起來。因?yàn)榈入x子體在運(yùn)動(dòng)，到達(dá)時(shí)間有額外的擴(kuò)散，這是推斷等離子體溫度時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。這項(xiàng)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(dòng)

這項(xiàng)工作的最終發(fā)現(xiàn)是直接測(cè)量聚變熱點(diǎn)內(nèi)流動(dòng)的氘氚離子。膠囊里摻雜的鎢——作為內(nèi)部流動(dòng)的“示蹤”粒子，被注入熱等離子體，并在X射線范圍內(nèi)被點(diǎn)亮。通過追蹤這種“示蹤”粒子隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，研究小組繪制出了等離子體熔化時(shí)的流線。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)檫@些流動(dòng)是表觀溫度升高的原因，而且兩次測(cè)量結(jié)果一致。

該團(tuán)隊(duì)利用這一測(cè)量將微觀熱點(diǎn)內(nèi)的流動(dòng)與宏觀激光驅(qū)動(dòng)中的不對(duì)稱聯(lián)系起來。當(dāng)它們平衡激光驅(qū)動(dòng)時(shí)，這些流動(dòng)消失了(見圖中的●軌跡)。這些發(fā)現(xiàn)提供了對(duì)激光驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱對(duì)內(nèi)爆性能影響的全面理解，并且在實(shí)驗(yàn)、模擬和理論上顯示了一致性。這為未來識(shí)別和減少激光驅(qū)動(dòng)中的這些不對(duì)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(shí)驗(yàn)不斷優(yōu)化的。研究人員回憶實(shí)驗(yàn)過程時(shí)說：“當(dāng)我們?cè)诘谝淮闻臄z后看到初步的時(shí)間分辨X射線成像時(shí)，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(diǎn)的時(shí)間分辨運(yùn)動(dòng)，”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(tuán)隊(duì)的力量之大！