在间接驱动惯性约束聚变中，黑腔(Hohlraum)起着至关重要的作用。黑腔通常是由金或其他高原子序数(high-Z)材料制成的球形或圆柱形容器。美国国家点火装置(以下简称NIF)利用192束高能激光照射黑腔产生软X射线，这些射线在黑腔内壁面不断地被反射和吸收，形成一个高温高压的较为稳定的辐射场，进而均匀地加热靶丸并驱动靶丸内爆。黑腔不仅是能量传递的媒介，还是决定聚变点火和能量增益的关键因素之一。因此，对黑腔的精确控制和监测，对理解聚变物理过程以及获得高能量增益极为关键。
在实现点火的210808次实验中，NIF第一次观察到了明显的黑腔二次加热信号。在靶增益G>1的N221204次实验中，黑腔二次加热后的峰值辐射温度达到350 eV，首次超过了激光驱动产生的峰值辐射温度313 eV。近期，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Rubery等科学家通过分析从N210808次到N221204次的总共9个发次的实验数据，深刻揭示了黑腔二次加热现象的物理机制。这一极端的高温高压辐射环境是难以在地球的自然界中获得的，因此这一发现为未来的高能量密度物理实验提供了重要的基础平台。
黑腔二次加热现象的实验观察
精确测量黑腔的辐射温度对于理解和优化激光聚变过程至关重要。在NIF实验中(如图1所示)，Dante量热计是一种高分辨率X射线诊断工具，它由多个独立的诊断通道组成，每个通道都装有针对特定频率的X射线探测器，进而能给出特定时刻的X射线能谱图像。Dante得到的能谱图像通过与UNSPEC程序的拟合结果进行对比，可以快速分辨辐射场的Planck热辐射以及非热辐射，进而确定黑腔内的辐射温度。特别的，Dante量热计能以50 ps的响应时间捕捉到信号的变化，这使得研究辐射场随时间的演化成为可能。为了提高数据的可靠性，NIF实验中部署了两组独立的Dante探测器，它们从不同的角度监测黑腔，提供了重复且一致的测量结果。
在从N210808次到N221204次的共9次实验中，两组独立探测的Dante量热计上都发现了黑腔二次加热的信号，特别是N221204次的实验中，再加热信号甚至超过了入射激光驱动的峰值信号。由于聚变产生的14 MeV的中子难以被黑腔束缚，因此快中子并不是黑腔温度再提高的原因。从能量守恒的角度考虑，黑腔的二次加热能量必然是来自于聚变产生的α粒子的能量。通过对二次加热信号的时间积分，研究人员得到了二次加热能量EH，并将其与α粒子的产额Y进行比较(如图2所示)。通过比较可以发现，二次加热的能量与产额Y近似满足EH~kY1.21的关系。
除此之外，研究人员通过比较聚变产额峰值时刻(即Bang Time)与二次加热信号峰值时刻，发现两者之间大约有500 ps的时间差。这一时间差由两组Dante量热计独立探测到，确保了结果的准确性。最后，科学家们还研究了二次加热信号的能谱，发现这一信号是一个准热辐射信号(如图3所示)。如果二次加热信号是由聚变反应直接产生，那么我们应该观察到该信号是一个轫致辐射型的信号，而不是热辐射信号。结合该信号所具有500 ps延迟，研究人员推测，黑腔二次加热现象不是由聚变反应直接导致的，两者之间应该经历了复杂的能量转化过程。
黑腔二次加热信号的众多奇异之处说明其产生原因是复杂的，由于难以再依赖其他实验诊断设备对其进行进一步的探究，因此需要考虑利用数值模拟程序来探索再加热现象背后的物理机制。研究人员利用2D辐射流体程序LASNEX来重现这一物理过程，该程序在以往NIF实验中发挥了重要作用。研究人员首先利用N210808次的实验数据对数值程序进行标定。通过标定，该程序获得了1.4 MJ的聚变产额，这与N210808次的实验结果——1.36 MJ，非常接近。随后，利用相同的物理模型，结合了考虑自生磁场的物理建模后，LASNEX成功复现了最新的N221204次实验结果。这说明了LASNEX可以自洽地模拟最近的9次黑腔再加热的整个物理过程，为探索再加热信号的物理机制提供了可靠的依据。
除了重现黑腔二次加热的整个物理过程，数值模拟中还通过计算与实验设置中与Dante量热计相同位置的X射线通量，得到了数值模拟的“诊断结果”。这一结果可以与Dante量热计的结果直接进行比较(如图4所示)，可以发现数值模拟的结果与实际探测的结果从通量形状、通量大小以及通量时间演化三个方面都几乎完全一致，这说明了利用LASNEX重现的实验过程是抓住了最重要的物理过程的，因此足以用来探究黑腔二次加热现象的物理机制。
与14 MeV的中子不同，α粒子的能量几乎完全沉积在内爆靶丸中，因此分析黑腔的二次加热现象需要考虑α粒子的能量转化过程。当聚变反应达到峰值后(也就是Bang Time之后)，向内压缩的靶丸开始向外膨胀，α粒子沉积在靶丸中的内能开始转化为靶丸膨胀的体积功。虽然极高温度(约10 keV)和极高密度(约100 g/cc)的等离子体膨胀也会产生X射线，但细致的理论分析表明这并不是二次加热信号产生的原因。这是由于产生的X射线中的高能部分，即能量大于5 keV的部分，会沉积在黑腔金壁的深处。这部分光子沉积的深度大于金壁的光厚，因此被此部分光子加热的金壁产生的辐射无法被Dante量热计探测。而能量小于5 keV的X射线，会被内爆靶丸外残余的掺钨烧蚀层所吸收，也无法被Dante量热计所探测到。当内爆靶丸向外膨胀后，会迅速追上向外扩散的残余烧蚀层，并被烧蚀层阻滞。在被烧蚀层阻滞的同时，内爆靶丸向外膨胀的动能会转化为残余烧蚀层的内能，即加热残余烧蚀层。烧蚀层有多种组分，其中在之前吸收了低能量X射线的掺钨烧蚀层被进一步加热后会产生辐射，而正是这部分辐射加热了黑腔内壁，形成了观察到的黑腔二次加热现象。研究人员称这一膨胀加热掺钨烧蚀层并最终引发黑腔再加热的过程为Detritus驱动(如图5所示)。显然我们可以想象，当内爆靶丸进一步膨胀，其最终会和黑腔内金壁相撞，并引起内金壁的加热，进而产生黑腔再加热的信号。然而，通过数值模拟以及简单的估算可以发现，内爆靶丸和黑腔内金壁的碰撞发生在Bang Time后的数个纳秒，因此也不会是实验中观察到的黑腔二次加热现象的原因。
总结与展望
研究人员通过辐射流体程序LASNEX对实验的复现以及分析，完全理解了黑腔二次加热的物理机制：聚变反应后产生的α粒子沉积在内爆靶丸中转化为靶丸的内能，而内能在靶丸膨胀时转化为体积功PdV和X射线的能量，低能部分的X射线和体积功的一部分被掺钨烧蚀层吸收并转化为其内能，进而产生辐射加热内金壁转化为内金壁的内能。这一复杂的能量转化机制导致了实验上观察到的黑腔二次加热现象，对这一现象的研究也进一步加深了对黑腔中能量转化过程的物理理解。同时，对这一解释的另一力证是再加热能量EH与α粒子产额Y的1.21次方比例关系。在之前的研究中，科学家们发现α粒子的损失与黑腔内壁的温度的关系满足，而二次加热能量EH作为黑腔内壁的热辐射，满足经典Planck辐射谱的关系，因此，这与实验中观测到的数据吻合，进一步说明了理论解释的合理性。
黑腔的二次加热是激光聚变实现点火之后愈发凸显的新物理现象，研究这一现象对理解聚变过程中的能量转化至关重要，还可以为新的聚变实验设计提供思路。除此之外，黑腔二次加热现象会产生极高能量密度(辐射温度大于300 eV)的辐射场环境，这一环境也为以后的高能量密度物理研究提供了重要的实验平台。
