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　　北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心在ICF黑腔動(dòng)理學(xué)效應(yīng)研究取得重要進(jìn)展

　　近期，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Physical Review Letters (《美國(guó)物理評(píng)論》，影響因子IF=8.462)發(fā)表了北京大學(xué)工學(xué)院應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心(CAPT)賀賢土">賀賢土院士課題組與中國(guó)工程物理研究院合作者關(guān)于ICF黒腔動(dòng)理學(xué)效應(yīng)研究的最新科研進(jìn)展，報(bào)道了他們?cè)贗CF黒腔動(dòng)理學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表征方面取得了重要進(jìn)展。文章兩位通訊作者蔡洪波研究員和谷渝秋研究員均為CAPT中心成員。

　　慣性約束聚變(ICF)點(diǎn)火的實(shí)現(xiàn)必將是人類(lèi)科學(xué)技術(shù)史上璀璨的明珠。目前，以世界上最大的激光裝置——美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)為代表的點(diǎn)火計(jì)劃已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了顯著的a粒子自加熱，但是自持燃燒點(diǎn)火尚未實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)多年的研究，人們發(fā)現(xiàn)基于ICF領(lǐng)域最完善的輻射流體程序仍然難以完全預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的面密度比流體模擬的面密度低10%~20%，近真空黑腔中熱斑芯部低階模不對(duì)稱(chēng)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和流體模擬結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差等等。在眾多“嫌疑因素”中，ICF黑腔中等離子體動(dòng)理學(xué)效應(yīng)尤為可疑，也是近期ICF領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。動(dòng)理學(xué)效應(yīng)一般發(fā)生在離子間碰撞平均自由程大于特征空間尺度的區(qū)域內(nèi)，包括等離子體之間存在顯著的相互貫穿、擴(kuò)散混合、界面電磁場(chǎng)、無(wú)碰撞沖擊波等現(xiàn)象。

　　由于動(dòng)理學(xué)效應(yīng)發(fā)生時(shí)間短、空間局域性強(qiáng)，所需的時(shí)空診斷精度需在皮秒和微米量級(jí)上，超過(guò)了當(dāng)今診斷儀器的探測(cè)能力，實(shí)驗(yàn)表征是極為困難的;另一方面ICF設(shè)計(jì)使用的輻射流體程序也不包含動(dòng)理學(xué)物理過(guò)程，因而理論模擬方面也是極度缺乏的。NIC點(diǎn)火失敗后，人們逐漸意識(shí)到對(duì)驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱(chēng)性和黑腔物理認(rèn)識(shí)的不足是間接驅(qū)動(dòng)ICF沒(méi)有實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的主要原因，而腔壁等離子體與靶丸燒蝕等離子體/填充氣體等離子體之間的動(dòng)理學(xué)效應(yīng)可能與黑腔輻照對(duì)稱(chēng)性調(diào)控、近真空黑腔內(nèi)爆靶丸低階模不對(duì)稱(chēng)性異常等過(guò)程直接相關(guān)，是迫切需要解決的難題。

　　基于這樣的認(rèn)識(shí)，北京大學(xué)工學(xué)院CAPT中心成員和中國(guó)工程物理研究院科研人員密切配合，通過(guò)巧妙的物理方案設(shè)計(jì)在動(dòng)理學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表征方面取得了突破性進(jìn)展，解決了困擾ICF領(lǐng)域科學(xué)家們多年的挑戰(zhàn)性難題。

　　在ICF間接驅(qū)動(dòng)柱腔實(shí)驗(yàn)中，納秒激光從上下兩個(gè)注入孔注入(近)真空Au腔(見(jiàn)圖1)，Au等離子體向外膨脹，同時(shí)Au腔驅(qū)動(dòng)的X射線(xiàn)會(huì)輻射燒蝕位于中心的靶丸，靶丸燒蝕CH等離子體與Au等離子體膨脹方向相反，最終會(huì)在中間區(qū)域相遇并發(fā)生動(dòng)理學(xué)效應(yīng)。但是，由于動(dòng)理學(xué)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的數(shù)十keV質(zhì)子不可能穿透靶丸和黒腔壁，為不可觀(guān)測(cè)物理量。如何排除干擾將其診斷是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，這也是困擾美國(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室同行們的難題。CAPT與中國(guó)工程物理研究院團(tuán)隊(duì)在神光III原型上巧妙地解決了這一難題。在其實(shí)驗(yàn)方案中，采用了如下兩個(gè)創(chuàng)新性的物理思想：(1)將普通球殼靶丸改為實(shí)心CH球表面涂氘代GDP(簡(jiǎn)稱(chēng)CD)來(lái)表征動(dòng)理學(xué)效應(yīng)。實(shí)心CH材料可以完全排除內(nèi)爆中子和流體力學(xué)不穩(wěn)定性的干擾，通過(guò)CD涂層將不可觀(guān)測(cè)的數(shù)十keV質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)镈離子，并利用D+D?He3+n(~2.45MeV)反應(yīng)中子信息來(lái)表征動(dòng)理學(xué)過(guò)程，由于能量為MeV的DD中子穿透能力強(qiáng)，很容易穿過(guò)Au腔壁并被中子探測(cè)器探測(cè)，這就解決了動(dòng)理學(xué)引起的微觀(guān)效應(yīng)難以穿過(guò)腔壁被探測(cè)的難題。(2)改變CD涂層厚度獲得DD中子產(chǎn)額與動(dòng)理學(xué)效應(yīng)的依賴(lài)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中采用輝光放電聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了CD涂層厚度跨越兩個(gè)量級(jí)(0.3mm~20mm)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中子產(chǎn)額隨著CD涂層厚度的增加呈現(xiàn)飽和增長(zhǎng)的趨勢(shì)(圖2a)，明顯偏離輻射流體RDMG模擬結(jié)果，這說(shuō)明中子產(chǎn)生機(jī)理不是熱核反應(yīng)主導(dǎo)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)涂層為19mm CD + 1mm CH(圖2a中 C點(diǎn))中子產(chǎn)額相比涂層為20mm CD(圖2a中A點(diǎn))下降一個(gè)量級(jí)，證明了起主導(dǎo)作用的是動(dòng)理學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的DD束靶反應(yīng)機(jī)制，而不是與Au\CD等離子體的離子碰撞加熱機(jī)制。此外，團(tuán)隊(duì)還利用塑料閃爍體大陣列測(cè)量了中子能譜(圖2b)，半高全寬為282keV，考慮到實(shí)測(cè)中子產(chǎn)額的約束條件，如此大的能譜展寬無(wú)法用熱核反應(yīng)機(jī)制解釋?zhuān)@進(jìn)一步證明了動(dòng)理學(xué)束靶反應(yīng)機(jī)制的合理性。

　　為了解釋DD束靶機(jī)制的來(lái)源，團(tuán)隊(duì)首先利用輻射流體模擬給出腔壁Au等離子體和輻射燒蝕的CD等離子體相遇時(shí)的初始狀態(tài)，再利用粒子模擬程序(PIC)計(jì)算后續(xù)動(dòng)理學(xué)過(guò)程(圖3)。模擬結(jié)果顯示Au\CD等離子體界面存在較高的電子溫度梯度和電子密度梯度，最終會(huì)在CD等離子體中驅(qū)動(dòng)靜電沖擊波，靜電沖擊波會(huì)反射界面附近等離子體中的D離子且能量達(dá)到幾十keV，這就是DD束靶反應(yīng)中“D束”的來(lái)源，同時(shí)整個(gè)輻射燒蝕的CD等離子體自身提供“D靶”?；谑袡C(jī)制，團(tuán)隊(duì)細(xì)致計(jì)算了D離子在CD等離子體中輸運(yùn)、能損，以及發(fā)生DD束靶反應(yīng)的時(shí)空分布和中子能譜形狀，計(jì)算的中子產(chǎn)額和中子能譜分布都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得非常好(見(jiàn)圖2中曲線(xiàn))。

　　為了找到靜電沖擊波存在的直接證據(jù)，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了模擬黑腔的Au/CD平面靶對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，納秒激光只打Au平面，Au/CD等離子體在中間區(qū)域相遇并驅(qū)動(dòng)靜電沖擊波，并利用神光Ⅱ升級(jí)裝置的相對(duì)論皮秒激光打靶產(chǎn)生的高能質(zhì)子束成功獲得了靜電場(chǎng)的時(shí)空分布。這也是征服審稿人的“最后一根稻草”。

　　三位PRL審稿人對(duì)該團(tuán)隊(duì)工作均給出了高度評(píng)價(jià)：“作者介紹了一種獨(dú)特和富有創(chuàng)意的診斷ICF黑腔和靶丸動(dòng)力學(xué)的方法，我確實(shí)同意作者的觀(guān)點(diǎn)，物理概念是聰明和新奇的，此工作體現(xiàn)了良好的實(shí)驗(yàn)技巧和新奇的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)ICF領(lǐng)域和等離子動(dòng)理學(xué)研究領(lǐng)域的研究者而言是他們非常感興趣的內(nèi)容，值得發(fā)表在PRL期刊上?！?/p>

　　相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最近一期的物理學(xué)頂級(jí)期刊Physical Review Letters 上(Phys. Rev. Lett. 120, 195001 (2018))。該結(jié)果的發(fā)表標(biāo)志著我國(guó)在ICF黑腔動(dòng)理學(xué)效應(yīng)研究方面走在國(guó)際前沿，對(duì)深入理解黑腔能量學(xué)和內(nèi)爆不對(duì)稱(chēng)性有重要的應(yīng)用價(jià)值。該工作發(fā)展了動(dòng)理學(xué)效應(yīng)診斷和研究方法，開(kāi)拓了ICF動(dòng)理學(xué)效應(yīng)研究的新方向，使得以前不能開(kāi)展的工作成為可能，孕育著新的突破。

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