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　　北京大學應用物理與技術研究中心在ICF黑腔動理學效應研究取得重要進展

　　近期，國際知名學術期刊Physical Review Letters (《美國物理評論》，影響因子IF=8.462)發表了北京大學工學院應用物理與技術研究中心(CAPT)賀賢土">賀賢土院士課題組與中國工程物理研究院合作者關于ICF黒腔動理學效應研究的最新科研進展，報道了他們在ICF黒腔動理學效應實驗表征方面取得了重要進展。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)點火的實現必將是人類科學技術史上璀璨的明珠。目前，以世界上最大的激光裝置——美國國家點火裝置(NIF)為代表的點火計劃已經實現了顯著的a粒子自加熱，但是自持燃燒點火尚未實現。經過多年的研究，人們發現基于ICF領域最完善的輻射流體程序仍然難以完全預測實驗結果。例如實驗觀測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稱性的實驗結果和流體模擬結果出現明顯偏差等等。在眾多“嫌疑因素”中，ICF黑腔中等離子體動理學效應尤為可疑，也是近期ICF領域的關注熱點。動理學效應一般發生在離子間碰撞平均自由程大于特征空間尺度的區域內，包括等離子體之間存在顯著的相互貫穿、擴散混合、界面電磁場、無碰撞沖擊波等現象。

　　由于動理學效應發生時間短、空間局域性強，所需的時空診斷精度需在皮秒和微米量級上，超過了當今診斷儀器的探測能力，實驗表征是極為困難的;另一方面ICF設計使用的輻射流體程序也不包含動理學物理過程，因而理論模擬方面也是極度缺乏的。NIC點火失敗后，人們逐漸意識到對驅動不對稱性和黑腔物理認識的不足是間接驅動ICF沒有實現點火的主要原因，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理學效應可能與黑腔輻照對稱性調控、近真空黑腔內爆靶丸低階模不對稱性異常等過程直接相關，是迫切需要解決的難題。

　　基于這樣的認識，北京大學工學院CAPT中心成員和中國工程物理研究院科研人員密切配合，通過巧妙的物理方案設計在動理學效應實驗表征方面取得了突破性進展，解決了困擾ICF領域科學家們多年的挑戰性難題。

　　在ICF間接驅動柱腔實驗中，納秒激光從上下兩個注入孔注入(近)真空Au腔(見圖1)，Au等離子體向外膨脹，同時Au腔驅動的X射線會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，最終會在中間區域相遇并發生動理學效應。但是，由于動理學效應驅動的數十keV質子不可能穿透靶丸和黒腔壁，為不可觀測物理量。如何排除干擾將其診斷是實驗成功的關鍵，這也是困擾美國LLNL實驗室同行們的難題。CAPT與中國工程物理研究院團隊在神光III原型上巧妙地解決了這一難題。在其實驗方案中，采用了如下兩個創新性的物理思想：(1)將普通球殼靶丸改為實心CH球表面涂氘代GDP(簡稱CD)來表征動理學效應。實心CH材料可以完全排除內爆中子和流體力學不穩定性的干擾，通過CD涂層將不可觀測的數十keV質子轉變為D離子，并利用D+D?He3+n(~2.45MeV)反應中子信息來表征動理學過程，由于能量為MeV的DD中子穿透能力強，很容易穿過Au腔壁并被中子探測器探測，這就解決了動理學引起的微觀效應難以穿過腔壁被探測的難題。(2)改變CD涂層厚度獲得DD中子產額與動理學效應的依賴關系。實驗中采用輝光放電聚合技術實現了CD涂層厚度跨越兩個量級(0.3mm~20mm)，實驗發現中子產額隨著CD涂層厚度的增加呈現飽和增長的趨勢(圖2a)，明顯偏離輻射流體RDMG模擬結果，這說明中子產生機理不是熱核反應主導。進一步實驗發現涂層為19mm CD + 1mm CH(圖2a中 C點)中子產額相比涂層為20mm CD(圖2a中A點)下降一個量級，證明了起主導作用的是動理學效應導致的DD束靶反應機制，而不是與Au\CD等離子體的離子碰撞加熱機制。此外，團隊還利用塑料閃爍體大陣列測量了中子能譜(圖2b)，半高全寬為282keV，考慮到實測中子產額的約束條件，如此大的能譜展寬無法用熱核反應機制解釋，這進一步證明了動理學束靶反應機制的合理性。

　　為了解釋DD束靶機制的來源，團隊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等離子體相遇時的初始狀態，再利用粒子模擬程序(PIC)計算后續動理學過程(圖3)。模擬結果顯示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，最終會在CD等離子體中驅動靜電沖擊波，靜電沖擊波會反射界面附近等離子體中的D離子且能量達到幾十keV，這就是DD束靶反應中“D束”的來源，同時整個輻射燒蝕的CD等離子體自身提供“D靶”。基于束靶機制，團隊細致計算了D離子在CD等離子體中輸運、能損，以及發生DD束靶反應的時空分布和中子能譜形狀，計算的中子產額和中子能譜分布都與實驗結果符合得非常好(見圖2中曲線)。

　　為了找到靜電沖擊波存在的直接證據，團隊還創新性地設計了模擬黑腔的Au/CD平面靶對撞實驗，納秒激光只打Au平面，Au/CD等離子體在中間區域相遇并驅動靜電沖擊波，并利用神光Ⅱ升級裝置的相對論皮秒激光打靶產生的高能質子束成功獲得了靜電場的時空分布。這也是征服審稿人的“最后一根稻草”。

　　三位PRL審稿人對該團隊工作均給出了高度評價：“作者介紹了一種獨特和富有創意的診斷ICF黑腔和靶丸動力學的方法，我確實同意作者的觀點，物理概念是聰明和新奇的，此工作體現了良好的實驗技巧和新奇的研究發現，對ICF領域和等離子動理學研究領域的研究者而言是他們非常感興趣的內容，值得發表在PRL期刊上。”

　　相關研究結果發表在最近一期的物理學頂級期刊Physical Review Letters 上(Phys. Rev. Lett. 120, 195001 (2018))。該結果的發表標志著我國在ICF黑腔動理學效應研究方面走在國際前沿，對深入理解黑腔能量學和內爆不對稱性有重要的應用價值。該工作發展了動理學效應診斷和研究方法，開拓了ICF動理學效應研究的新方向，使得以前不能開展的工作成為可能，孕育著新的突破。

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