近期，國際學術期刊Nature Physics（《自然?物理》）發(fā)表了北京大學應用物理與技術研究中心（CAPT）激光等離子體相互作用教研室與中物院激光聚變研究中心（LFRC）、北京應用物理與計算數(shù)學研究所（IAPCM）、國防科技大學、深圳技術大學和上海光機所聯(lián)合室等單位在間接驅動高增益激光聚變快點火領域的合作研究成果（題為“Enhanced energy coupling for indirect-drive fast-ignition fusion targets”），報道了他們在神光II升級裝置上努力提高相對論電子束品質和能量沉積效率與中子產額方面取得的重要進展。蔡洪波研究員為該文的共同第一作者，谷渝秋研究員為該文的共同通訊作者，中心兩任主任賀賢土院士、張維巖院士是該工作項目的責任專家。

慣性約束聚變（ICF）是利用高功率激光等驅動源實現(xiàn)聚變點火進而獲得較大能量增益的一種受控聚變實現(xiàn)方式，因其有望解決全球能源問題而備受矚目?？禳c火是實現(xiàn)高增益聚變點火的一種可能技術途徑，其物理機理是ICF領域研究的核心內容之一。

圖1. 間接驅動快點火方案示意圖。將慣性約束聚變過程分為了兩個過程：(a)內爆預壓縮和(b)快速等容點火

不同于目前在美國國家點火裝置（NIF）上采用的中心點火方式，快點火將實現(xiàn)熱核聚變點火過程分為內爆預壓縮和快速等容加熱兩個階段（圖1）。研究團隊首先通過激光直接燒蝕（直接驅動）或者激光轉換為X光（間接驅動）對燃料進行預壓縮；然后通過一束或多束皮秒激光產生相對論電子束作為能量載體，將預壓縮燃料迅速加熱至點火溫度從而實現(xiàn)熱核聚變點火。相比中心點火方式，快點火降低了對總激光能量的需求，同時理論上可提供更高的能量增益。

迄今為止，國際快點火研究主要采用直接驅動方式。但由于直接驅動方式下靶丸預壓縮狀態(tài)控制和相對論電子束控制困難，快點火近年來進展緩慢。為了克服這些困難，我國的激光聚變聯(lián)合研究團隊另辟蹊徑，利用間接驅動方式（圖2），在神光II升級裝置上完成了國際首輪間接驅動快點火集成實驗，驗證了間接驅動快點火創(chuàng)新設計方案的科學可行性。主要創(chuàng)新點如下：

圖2.間接驅動快點火實驗裝配圖

1．提出可抑制內爆流體不穩(wěn)定性的high-foot脈沖時間波形、控制激光加源卸載和內爆特征時刻的間隔兩個技術關鍵點，將靶丸精密地壓縮成梭狀分布，以增加電子束方向物質面密度、提高相對論電子束的能量沉積。結果顯示由電子束加熱帶來的聚變中子產額增加由44倍（low-foot）提升至280倍（high-foot），顯著提升了超熱電子束的能量耦合效率。

圖3.間接驅動快點火聚變中子增益

2．采用雙層錐靶對超熱電子束導引，降低電子束發(fā)散角，使超熱電子束更多的朝向高密度預壓縮區(qū)域發(fā)射；結合預壓縮成梭狀的靶丸密度分布，借助這一壓縮狀態(tài)，電子束輸運時產生的自生磁場進一步對后續(xù)的超熱電子束流進行準直，增強電子束在高密度壓縮燃料中的能量沉積，相關理論由本文作者發(fā)表于Phys.Rev.Lett.102,245001(2009)。

圖4.間接驅動快點火內爆壓縮狀態(tài)與集成模擬結果

3．采用間接驅動黒腔輻射方式，降低冕區(qū)非內爆中子的干擾。借鑒本團隊前期在黒腔動理學的研究成果（Phys. Rev. Lett. 120, 195001 (2018)），在實驗設計中采用間接驅動黑腔輻射方式替代激光直接燒蝕，降低了聚變靶丸冕區(qū)溫度，進一步結合靶丸表面涂CH以及黑腔充氣等手段，徹底排除了冕區(qū)非內爆中子對實驗結果的影響，使中子診斷環(huán)境更加干凈。

4．采用創(chuàng)新性的高時間精度時序診斷手段，精密調控皮秒激光加載時間?？朔思{秒激光束產生的軟X射線和皮秒激光產生的硬X射線時空重疊的困難，實現(xiàn)了高時間精度時序測量，這一成果由本文作者發(fā)表于Rev.Sci.Instrum.90,033504(2019)。

5．綜合理論研究團隊完成了間接驅動快點火中涉及到的從黑腔能量學、輻射流體力學、動理學強流粒子束產生，混合流體-PIC電子能量輸運及能量沉積等物理過程的模擬，結合實驗中的預脈沖、中子產額以及逃逸超熱電子譜診斷等結果對模擬程序進行約束，完成了綜合集成實驗結果的研究分析。結果顯示，在實驗中，皮秒激光束至靶丸的能量耦合效率達到了9.4%。在此基礎上，對NIF尺度預壓縮條件下間接驅動快點火達到點火需求的超短脈沖激光能量進行了外推，結果顯示需要的激光能量為200kJ/10ps。

快點火集成實驗結果表明：皮秒激光束至靶丸的能量耦合效率達到了9.4%，對預壓縮靶丸由顯著的加熱作用，內爆中子產額增加了280倍。該研究成果對理解快點火物理有重要意義。神光II升級裝置上間接驅動快點火實驗的成果表明：過去直接驅動快點火所面臨的一些困難可以在間接驅動中得到改善甚至解決，而間接驅動也是目前國際上超大型慣性約束聚變裝置如美國NIF，我國神光系列裝置等所采用的驅動方式，因此這些成果有望在這些超大型裝置上得到應用。正如Nature Physics審稿人所指出，“這些結果引起了短脈沖學界的強烈興趣，并有可能使世界范圍內的快點火研究重新煥發(fā)活力（these result of strong interest to the short pulse community and could potentially rejuvenate the fast ignition research worldwide）”“研究取得許多新進展：這是第一次將快點火與間接驅動結合（There are quite a few novel aspects: this is the first time to combine fast ignition with indirect drive）”“是一項較有影響力的成果（is a relatively high impact result）”，這些是對該成果中肯的評價。