“神光Ⅱ”升级装置首次锥壳靶间接驱动快点火集成实验

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快点火是实现惯性约束聚变的一条新途径。与传统的中心点火的不同之处在于快点火将点火过程分成了两步：DT或者DD燃料首先通过纳秒激光进行预压缩形成高密度燃料区，然后通过另外一束皮秒超短脉冲激光进行加热，在高密度压缩燃料区形成点火热斑。快点火聚变点火技术途径理论上可以降低点火能量一个数量级以上，并且由于点火热斑不是在纳秒激光压缩燃料时同步形成，对压缩对称性和流体力学不稳定性具有较大宽容度，因此，从其概念提出以来受到广泛关注。欧洲和日本等国家分别提出了各自的快点火聚变点火计划(HiPER和FIREX)。

在过去的十年中，人们先后在日本大阪大学激光工程学院的Gekko-Ⅻ激光器以及美国罗切斯特大学的激光动力学实验室的Omega激光器上开展了超热电子束快点火方式的集成实验，对快点火热斑效率进行研究。然而作为表征点火激光加热效果最为直接的观测量即内爆中子产额增加却从最初Gekko-XII报道的1000倍减小到Omega报道的4倍，也使得快点火方案的可行性陷入被质疑的窘境。该如何理解聚变中子产额增加如此巨大的反差，是否有更好的实验设计方式来实现聚变中子的高产额增加，提高点火短脉冲激光耦合到热斑的效率，成为目前快点火研究的重要关注点。

我国“神光Ⅱ”升级装置于2015年建成投入运行，该装置能够提供八路纳秒万焦耳级激光用于快点火靶丸预压缩，同时具有另外一束数百焦耳皮秒超短脉冲激光用于燃料加热产生热斑。这使得我们开展自主快点火综合集成实验成为可能。

1  锥壳靶间接驱动快点火集成实验设计

为了在有限的加热激光脉冲能量条件下提高内爆中子产额和中子诊断的可靠性，需要预压缩燃料达到高密度，以提高加热激光产生的超热电子的能量沉积效率，同时抑制非内爆中子的产额。为此，设计了两台阶整形脉冲的辐射源波形来驱动厚壳靶丸，以保持靶丸的等熵参数a(定义为压缩燃料压力与费米简并冷电子气的压力之比)在一个较低的水平，有效抑制燃料内部温升，以实现靶丸的高密度和高面密度内爆压缩，同时有效减小飞散燃料与黑腔壁碰撞产生的非内爆中子。

实验在“神光Ⅱ”升级装置上进行，实验排布示意图如图1所示，八路纳秒激光驱动内爆腔靶，在三倍频、整形脉冲条件下，本次实验中最高输出到靶能量为14.8 kJ。上下各四路激光通过黑腔注入口入射到黑腔内部，激光采用CPP束匀滑技术，黑腔口焦斑大小为450 μm。皮秒超短脉冲总能量约为100 J，脉宽3 ps，经过f =2.6的离轴抛物面镜聚焦后正入射到金锥锥顶。实验用靶为快点火间接驱动柱腔锥壳靶。柱腔材料为金，尺寸为f1 400 μm′2 400 μm，壁厚25 μm，实验中黑腔充0.07 MPa辛戊烷气体以抑制金腔内壁等离子体膨胀。球壳采用CD球壳，壳层厚度为50 μm，内径440 μm，在靶丸的外壁涂有10 μm厚CH层。导引锥材料为金，张角40°，锥顶直径35 μm，锥顶厚度15 μm，壁厚10 μm，锥顶距离靶丸中心30 μm。 

2  纳秒、皮秒驱动源时序诊断

实验使用平响应XRD对整形脉冲作用下黑腔的辐射流输出进行监测，获得了黑腔辐射温度曲线，以其中一发为例，其最高的峰值辐射温度达到了193 eV。我们使用一维流体模拟程序Multi-1D对该辐射流曲线烧蚀下靶丸的内爆压缩进行模拟，获得的最大压缩时刻发生在驱动压缩脉冲后沿约0.7 ns。

在实验中，在这一时刻将皮秒超短脉冲激光注入到金锥内部以产生超热电子，超热电子向内传输加热高密度氘燃料。由于最大压缩时刻仅能维持约百皮秒量级，因此实验中使用X光条纹相机对纳秒激光和皮秒激光产生的X射线同时进行诊断，从而精确获得二者之间的时间关系，以确保皮秒激光在正确的时间窗口注入。X光条纹相机诊断结果如图2中所示。图中右上角是条纹相机获得的原始图像，水平方向代表时间，竖直方向代表空间，图中可见纳秒激光注入到黑腔后在诊断口方向的发光信息。皮秒激光打靶产生的硬X射线会直接穿过条纹相机的成像狭缝，照亮相机阴极，因此在条纹相机图像上看到的是一个发光很短的过程，但是发光空间区域很大。在实验中还引入了与主激光同步的时标光对条纹相机的时间信息进行进一步的表征。

3  获得皮秒激光加热带来的中子产额增加信号

实验使用三氟化硼(BF₃)中子探测器和低余辉液体闪烁体门控中子探测器对内爆中子产额进行诊断，为了屏蔽超短脉冲激光打靶产生的X射线影响，在探测器的周围设置了铅屏蔽措施。图3为不同延时条件下实验获得的中子产额。横坐标时间零点为压缩激光后沿时刻，0.7 ns处为最大压缩时刻。在最大压缩时刻注入点火皮秒激光脉冲可以获得最高中子产额2.2′10⁵，而在远离最大压缩时刻注入中子产额相对较低，未注入点火脉冲时(零时刻)，中子产额平均只有5′10³。这表明在加载皮秒超短脉冲激光后，内爆中子产额增加最高达到44倍。