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中科院俄克拉荷马城物质科研院,物理评论快报

近期,国际知名学术期刊Physical Review
Letters
澳门新葡8455最新网站 ,(《美国物理评论》,影响因子IF=8.462)发表了北京大学应用物理与技术研究中心(CAPT)贺贤土院士课题组与中国工程物理研究院合作者的最新科研进展,报道了他们在ICF黒腔动理学效应实验表征方面取得了重要进展。文章两位通讯作者蔡洪波研究员和谷渝秋研究员均为CAPT中心成员。

近期,国际知名学术期刊Physical Review
Letters
(《美国物理评论》,影响因子IF=8.462)发表了北京大学应用物理与技术研究中心(CAPT)贺贤土院士课题组与中国工程物理研究院合作者的最新科研进展,报道了他们在ICF黒腔动理学效应实验表征方面取得了重要进展。文章两位通讯作者蔡洪波研究员和谷渝秋研究员均为CAPT中心成员。

强激光驱动的高品质离子源在聚变能源、医疗、核物理和粒子物理等领域都有重要应用。近日,北京大学物理学院乔宾研究员课题组在《物理评论快报》【Physical
Review Letters
中科院俄克拉荷马城物质科研院,物理评论快报。 118, 204802
(2017)】上发表文章,提出一种实现稳定激光光压离子加速的动态致稳新方案,解决了困扰激光光压离子加速多年的不稳定性导致加速被过早破坏的难题,获得国际同行关注。

近期,等离子体所理论与数值模拟研究室在托卡马克中杂质密度内外非对称分布物理机制研究中取得进展,潘成康副研究员等人提出托卡马克中科里奥利力效应会导致杂质离子向高场侧聚集的物理机制,相关研究成果以“In-Out
impurity density asymmetry due to the Coriolis force in a rotating
tokamak plasma”为题发表在核聚变领域顶级期刊Nuclear Fusion上。

惯性约束聚变(ICF)点火的实现必将是人类科学技术史上璀璨的明珠。目前,以世界上最大的激光装置——美国国家点火装置(NIF)为代表的点火计划已经实现了显著的a粒子自加热,但是自持燃烧点火尚未实现。经过多年的研究,人们发现基于ICF领域最完善的辐射流体程序仍然难以完全预测实验结果。例如实验观测到的面密度比流体模拟的面密度低10%-20%,近真空黑腔中热斑芯部低阶模不对称性的实验结果和流体模拟结果出现明显偏差等等。在众多“嫌疑因素”中,ICF黑腔中等离子体动理学效应尤为可疑,也是近期ICF领域的关注热点。动理学效应一般发生在离子间碰撞平均自由程大于特征空间尺度的区域内,包括等离子体之间存在显著的相互贯穿、扩散混合、界面电磁场、无碰撞冲击波等现象。

惯性约束聚变(ICF)点火的实现必将是人类科学技术史上璀璨的明珠。目前,以世界上最大的激光装置——美国国家点火装置(NIF)为代表的点火计划已经实现了显著的a粒子自加热,但是自持燃烧点火尚未实现。经过多年的研究,人们发现基于ICF领域最完善的辐射流体程序仍然难以完全预测实验结果。例如实验观测到的面密度比流体模拟的面密度低10%-20%,近真空黑腔中热斑芯部低阶模不对称性的实验结果和流体模拟结果出现明显偏差等等。在众多“嫌疑因素”中,ICF黑腔中等离子体动理学效应尤为可疑,也是近期ICF领域的关注热点。动理学效应一般发生在离子间碰撞平均自由程大于特征空间尺度的区域内,包括等离子体之间存在显著的相互贯穿、扩散混合、界面电磁场、无碰撞冲击波等现象。

强激光与物质相互作用中,其电荷分离场高达100 GV/m,
比传统射频加速器高3个数量级,能够在厘米量级的距离内将带电粒子加速到GeV能量,因此利用激光加速器取代传统加速器引起了科学界的广泛兴趣。在诸多激光离子加速机制中,光压加速(Radiation
Pressure
Acceleration,RPA)理论上获得的离子束具有能散小、束流密度大、能量转化效率高等特点,是目前研究的前沿和热点。虽然PRA理论及一维模拟结果极具吸引力,但目前实验上难以获得预期的好结果。究其根源,除去目前实验上激光靶参数不够理想外,最关键的原因就是高维条件下不稳定性的剧烈发展(F.
Pegoraro et al, PRL 2007; A.P.L. Robinson et al, NJP 2008; X.Q. Yan
et al, PRL 2009; B. Qiao et al, PoP 2011; Y. Wan et al., PRL
2016),目前主流认为是类瑞利-泰勒(RT)不稳定性。这种不稳定性发展最终会引发同步加速等离子体片中电子的加热和大量损失,从而导致等离子片发生库仑爆炸,加速被破坏,获得的离子束品质差。如何抑制不稳定性的发生是目前RPA研究最具挑战性的问题之一,诸多方法(B.
Qiao et al, PRL 2010, T. P. Yu et al, PRL 2010, D. Wu et al, PoP
2014)被提出和研究,但实际效果一直都不理想。

托卡马克中杂质聚芯会导致聚变燃料稀释以及辐射能量损失,对等离子体约束和性能产生很大的影响。因此,抑制杂质聚芯对现运行的托卡马克装置和未来磁约束聚变堆(比如ITER、CFETR)实现长脉冲高约束稳态运行至关重要。托卡马克实验、理论以及数值模拟都表明杂质离子密度在磁面上的内外非对称分布对杂质的径向输运有很大影响,从而影响杂质聚芯。但杂质离子密度极向非对称分布形成的物理机制并未完全搞清楚,现有的理论模型都不能完全解释托卡马克实验中观察到的现象,尤其是内-外非对称分布的现象。

由于动理学效应发生时间短、空间局域性强,所需的时空诊断精度需在皮秒和微米量级上,超过了当今诊断仪器的探测能力,实验表征是极为困难的;另一方面ICF设计使用的辐射流体程序也不包含动理学物理过程,因而理论模拟方面也是极度缺乏的。NIC点火失败后,人们逐渐意识到对驱动不对称性和黑腔物理认识的不足是间接驱动ICF没有实现点火的主要原因,而腔壁等离子体与靶丸烧蚀等离子体/填充气体等离子体之间的动理学效应可能与黑腔辐照对称性调控、近真空黑腔内爆靶丸低阶模不对称性异常等过程直接相关,是迫切需要解决的难题。

由于动理学效应发生时间短、空间局域性强,所需的时空诊断精度需在皮秒和微米量级上,超过了当今诊断仪器的探测能力,实验表征是极为困难的;另一方面ICF设计使用的辐射流体程序也不包含动理学物理过程,因而理论模拟方面也是极度缺乏的。NIC点火失败后,人们逐渐意识到对驱动不对称性和黑腔物理认识的不足是间接驱动ICF没有实现点火的主要原因,而腔壁等离子体与靶丸烧蚀等离子体/填充气体等离子体之间的动理学效应可能与黑腔辐照对称性调控、近真空黑腔内爆靶丸低阶模不对称性异常等过程直接相关,是迫切需要解决的难题。

经过数年的深入研究,乔宾课题组另辟蹊径,按照完全不同的思路,考虑如何动态地弥补光压加速中RT等不稳定性带来的破坏作用而非仅仅抑制不稳定性发生这一想法,首次提出利用高Z涂层的电离效应在激光光压加速过程中动态补充电子,弥补RT不稳定性带来的加速等离子体片的电子损失,从而实现动态致稳RPA。这一全新方案非常皮实,三维粒子模拟显示在目前真实的激光和靶参数条件下,此方案可实现稳定的离子光压加速,并且可以应用于加速高Z重离子源。PRL审稿人对该方案给出了高度评价,认为该工作为激光光压加速研究领域作出了重要贡献,揭示了动态电离在强激光与重离子相互作用中的重要意义。

在托卡马克中等离子体转动现象普遍存在,杂质离子的环向与极向转动会产生科里奥利力效应,科里奥利力效应与磁力线的螺旋性会对杂质离子密度在磁面上的极向分布产生很大的影响,会导致杂质离子密度在磁面上的内-外或外-内非对称分布。研究发现当杂质离子沿着磁力线从低场侧向高场侧运动时受到正的科里奥利力时(澳门新葡8455最新网站 1)会导致杂质离子向高场侧聚集,即形成杂质离子密度内-外非对称分布,如图一所示。另外主离子密度也会由于科里奥利力效应在磁面上形成内外非对称分布,为了保持准中性而产生极向电场,这个极向电场也会对杂质离子密度在磁面上的分布产生很大的影响。研究人员提出的理论模型能够很好地解释ASDEX
Upgrade装置上的实验现象,为通过外部手段控制杂质聚芯提供了理论基础。

基于这样的认识,北京大学工学院CAPT中心成员和中国工程物理研究院科研人员密切配合,通过巧妙的物理方案设计在动理学效应实验表征方面取得了突破性进展,解决了困扰ICF领域科学家们多年的挑战性难题。

基于这样的认识,北京大学工学院CAPT中心成员和中国工程物理研究院科研人员密切配合,通过巧妙的物理方案设计在动理学效应实验表征方面取得了突破性进展,解决了困扰ICF领域科学家们多年的挑战性难题。

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相关研究得到了国家磁约束核聚变能发展研究专项和国家自然科学基金项目的资助。

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(a)光压加速动态致稳方案示意图;(b)和(c)三维粒子模拟结果:带有Cu涂层的Al靶加速后Al离子密度分布和能谱

论文链接:

图1 靶构型设计示意图

图1 靶构型设计示意图

乔宾课题组博士研究生沈晓飞为该论文第一作者,乔宾研究员为通讯作者,合作者包括贺贤土院士等。该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、千人计划和挑战计划的大力支持。

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在ICF间接驱动柱腔实验中,纳秒激光从上下两个注入孔注入(近)真空Au腔(见图1),Au等离子体向外膨胀,同时Au腔驱动的X射线会辐射烧蚀位于中心的靶丸,靶丸烧蚀CH等离子体与Au等离子体膨胀方向相反,最终会在中间区域相遇并发生动理学效应。但是,由于动理学效应驱动的数十keV质子不可能穿透靶丸和黒腔壁,为不可观测物理量。如何排除干扰将其诊断是实验成功的关键,这也是困扰美国LLNL实验室同行们的难题。CAPT与中国工程物理研究院团队在神光III原型上巧妙地解决了这一难题。在其实验方案中,采用了如下两个创新性的物理思想:(1)将普通球壳靶丸改为实心CH球表面涂氘代GDP(简称CD)来表征动理学效应。实心CH材料可以完全排除内爆中子和流体力学不稳定性的干扰,通过CD涂层将不可观测的数十keV质子转变为D离子,并利用D+D®He3+n(~2.45MeV)反应中子信息来表征动理学过程,由于能量为MeV的DD中子穿透能力强,很容易穿过Au腔壁并被中子探测器探测,这就解决了动理学引起的微观效应难以穿过腔壁被探测的难题。(2)改变CD涂层厚度获得DD中子产额与动理学效应的依赖关系。实验中采用辉光放电聚合技术实现了CD涂层厚度跨越两个量级(0.3mm-20mm),实验发现中子产额随着CD涂层厚度的增加呈现饱和增长的趋势(图2a),明显偏离辐射流体RDMG模拟结果,这说明中子产生机理不是热核反应主导;进一步实验发现涂层为19mm
CD + 1mm CH(图2a中 C点)中子产额相比涂层为20mm
CD(图2a中A点)下降一个量级,证明了起主导作用的是动理学效应导致的DD束靶反应机制,而不是与Au\CD等离子体的离子碰撞加热机制。此外,团队还利用塑料闪烁体大阵列测量了中子能谱(图2b),半高全宽为282keV,考虑到实测中子产额的约束条件,如此大的能谱展宽无法用热核反应机制解释,这进一步证明了动理学束靶反应机制的合理性。

在ICF间接驱动柱腔实验中,纳秒激光从上下两个注入孔注入(近)真空Au腔(见图1),Au等离子体向外膨胀,同时Au腔驱动的X射线会辐射烧蚀位于中心的靶丸,靶丸烧蚀CH等离子体与Au等离子体膨胀方向相反,最终会在中间区域相遇并发生动理学效应。但是,由于动理学效应驱动的数十keV质子不可能穿透靶丸和黒腔壁,为不可观测物理量。如何排除干扰将其诊断是实验成功的关键,这也是困扰美国LLNL实验室同行们的难题。CAPT与中国工程物理研究院团队在神光III原型上巧妙地解决了这一难题。在其实验方案中,采用了如下两个创新性的物理思想:(1)将普通球壳靶丸改为实心CH球表面涂氘代GDP(简称CD)来表征动理学效应。实心CH材料可以完全排除内爆中子和流体力学不稳定性的干扰,通过CD涂层将不可观测的数十keV质子转变为D离子,并利用D+D®He3+n(~2.45MeV)反应中子信息来表征动理学过程,由于能量为MeV的DD中子穿透能力强,很容易穿过Au腔壁并被中子探测器探测,这就解决了动理学引起的微观效应难以穿过腔壁被探测的难题。(2)改变CD涂层厚度获得DD中子产额与动理学效应的依赖关系。实验中采用辉光放电聚合技术实现了CD涂层厚度跨越两个量级(0.3mm-20mm),实验发现中子产额随着CD涂层厚度的增加呈现饱和增长的趋势(图2a),明显偏离辐射流体RDMG模拟结果,这说明中子产生机理不是热核反应主导;进一步实验发现涂层为19mm
CD + 1mm CH(图2a中 C点)中子产额相比涂层为20mm
CD(图2a中A点)下降一个量级,证明了起主导作用的是动理学效应导致的DD束靶反应机制,而不是与Au\CD等离子体的离子碰撞加热机制。此外,团队还利用塑料闪烁体大阵列测量了中子能谱(图2b),半高全宽为282keV,考虑到实测中子产额的约束条件,如此大的能谱展宽无法用热核反应机制解释,这进一步证明了动理学束靶反应机制的合理性。

图1.物理机制示意图:澳门新葡8455最新网站 6澳门新葡8455最新网站 7

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图2 (a)中子产额随CD涂层厚度的变化规律和模拟结果 (b)大阵列测量的中子能谱

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图2. 基于理论模型的数值计算

为了解释DD束靶机制的来源,团队首先利用辐射流体模拟给出腔壁Au等离子体和辐射烧蚀的CD等离子体相遇时的初始状态,再利用粒子模拟程序(PIC)计算后续动理学过程(图3)。模拟结果显示Au\CD等离子体界面存在较高的电子温度梯度和电子密度梯度,最终会在CD等离子体中驱动静电冲击波,静电冲击波会反射界面附近等离子体中的D离子且能量达到几十keV,这就是DD束靶反应中“D束”的来源,同时整个辐射烧蚀的CD等离子体自身提供“D靶”。基于束靶机制,团队细致计算了D离子在CD等离子体中输运、能损,以及发生DD束靶反应的时空分布和中子能谱形状,计算的中子产额和中子能谱分布都与实验结果符合得非常好(见图2中曲线)。

为了解释DD束靶机制的来源,团队首先利用辐射流体模拟给出腔壁Au等离子体和辐射烧蚀的CD等离子体相遇时的初始状态,再利用粒子模拟程序(PIC)计算后续动理学过程(图3)。模拟结果显示Au\CD等离子体界面存在较高的电子温度梯度和电子密度梯度,最终会在CD等离子体中驱动静电冲击波,静电冲击波会反射界面附近等离子体中的D离子且能量达到几十keV,这就是DD束靶反应中“D束”的来源,同时整个辐射烧蚀的CD等离子体自身提供“D靶”。基于束靶机制,团队细致计算了D离子在CD等离子体中输运、能损,以及发生DD束靶反应的时空分布和中子能谱形状,计算的中子产额和中子能谱分布都与实验结果符合得非常好(见图2中曲线)。

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图3 典型粒子模拟结果:(a)动理学混合区域 (b)Au离子和D离子相图
(c)静电冲击波电场 (d)冲击波反射D、C离子能谱

图3 典型粒子模拟结果:(a)动理学混合区域 (b)Au离子和D离子相图
(c)静电冲击波电场 (d)冲击波反射D、C离子能谱

为了找到静电冲击波存在的直接证据,团队还创新性地设计了模拟黑腔的Au/CD平面靶对撞实验,纳秒激光只打Au平面,Au/CD等离子体在中间区域相遇并驱动静电冲击波,并利用神光Ⅱ升级装置的相对论皮秒激光打靶产生的高能质子束成功获得了静电场的时空分布。这也是征服审稿人的“最后一根稻草”。

为了找到静电冲击波存在的直接证据,团队还创新性地设计了模拟黑腔的Au/CD平面靶对撞实验,纳秒激光只打Au平面,Au/CD等离子体在中间区域相遇并驱动静电冲击波,并利用神光Ⅱ升级装置的相对论皮秒激光打靶产生的高能质子束成功获得了静电场的时空分布。这也是征服审稿人的“最后一根稻草”。

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图4 RCF堆栈测量得到的冲击波静电场

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三位PRL审稿人对该团队工作均给出了高度评价:“作者介绍了一种独特和富有创意的诊断ICF黑腔和靶丸动力学的方法,我确实同意作者的观点,物理概念是聪明和新奇的,此工作体现了良好的实验技巧和新奇的研究发现,对ICF领域和等离子动理学研究领域的研究者而言是他们非常感兴趣的内容,值得发表在PRL期刊上。”

三位PRL审稿人对该团队工作均给出了高度评价:“作者介绍了一种独特和富有创意的诊断ICF黑腔和靶丸动力学的方法,我确实同意作者的观点,物理概念是聪明和新奇的,此工作体现了良好的实验技巧和新奇的研究发现,对ICF领域和等离子动理学研究领域的研究者而言是他们非常感兴趣的内容,值得发表在PRL期刊上。”

相关研究结果发表在最近一期的物理学顶级期刊Physical Review
Letters
上【Phys. Rev. Lett. 120,
195001(2018)】。该结果的发表标志着我国在ICF黑腔动理学效应研究方面走在国际前沿,对深入理解黑腔能量学和内爆不对称性有重要的应用价值。该工作发展了动理学效应诊断和研究方法,开拓了ICF动理学效应研究的新方向,使得以前不能开展的工作成为可能,孕育着新的突破。

相关研究结果发表在最近一期的物理学顶级期刊Physical Review
Letters
上【Phys. Rev. Lett. 120,
195001(2018)】。该结果的发表标志着我国在ICF黑腔动理学效应研究方面走在国际前沿,对深入理解黑腔能量学和内爆不对称性有重要的应用价值。该工作发展了动理学效应诊断和研究方法,开拓了ICF动理学效应研究的新方向,使得以前不能开展的工作成为可能,孕育着新的突破。

文献链接:

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编辑:山石

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