2024年4月4日，美国物理联合会周刊《科学之光(Scilight)》专题报道了双锥对撞(DCI)联合研究团队近期在创造高密度等容等离子体方面的实验进展[1]。Scilight是美国物理联合会出版社(AIP publishing)出版的网络周刊，致力于报道AIP发表的具有独特创新性和重大科学意义的物理研究成果，每年仅从AIP旗下30多个期刊发表的众多学术论文中挑选300余篇最值得关注的论文进行报道。
高增益激光聚变反应需要用多路激光束对聚变燃料进行稳定压缩和高效加热，以便把聚变燃料压缩并加热到相当于太阳核心的密度和比太阳核心还要高得多的温度，实现聚变点火与燃烧。由于传统的中心点火路径将球对称压缩过程与对中心燃料气囊压缩做功自加热的过程耦合在一起，因而带来了内界面不稳定性和加热效率较低等困难。与之不同的是，“快点火”路径将压缩过程和快速外加热过程分离开来，因而可以分别优化压缩与加热过程，使得燃料在压缩阻滞时刻达到沿加热方向最大均匀密度，然后通过注入极短脉冲的高能电子束实现压缩燃料的局域高效率等容加热，实现快速点火和高增益聚变。但是，长期以来，如何产生具有均匀密度分布并且有陡峭边缘的高密度等容等离子体一直是实验上的挑战，因为使用通常聚焦方法产生的高密度等离子体，其外围自然存在的冕区等离子体会使入射的加热电子束发生偏转，大幅度降低加热效率。
DCI联合研究团队经过长期的理论和实验研究，近期在上海光机所“神光II”升级激光装置上进行的第6-8轮实验中，证明了通过准确调控等离子体喷流的高速对撞过程，可以产生高密度的等容等离子体[2]。在实验中，他们将多路纳秒激光束聚焦在压缩金锥内的球壳燃料上，产生沿金锥轴向的高速内爆，经过高度压缩与加速后的高密等离子体射流由金锥口出射并与对面金锥口出射的等离子体射流实现准确对撞，在阻滞时刻形成了中间密度高、边缘密度陡的等离子体，最后在千特斯拉磁场的引导下，皮秒相对论激光在加热金锥中产生特定能量的高能电子束，注入到高密度等离子体中实现快速加热。由于加热金锥可以直接插入到陡峭边缘的等容等离子体中，因而可以期待高能电子束对等离子体局部的高效加热。这些结果在去年结束的第7轮和第8轮实验中得到可靠重复，他们系列实验的最终目的是实现高效的聚变点火和燃烧。
图1 DCI实验用靶和X射线条纹相机测得的时空分辨的对撞过程
X射线条纹相机测得的实验结果表明，在总能量为10kJ的纳秒激光驱动下，可以形成内爆速度稳定在220km/s左右的高速内爆等离子体喷流。通过机器学习精确调控等离子体喷流的对撞过程，可以显著地提高聚变燃料的温度和密度，并且在高速等离子体喷流对撞的界面没有观察到显著发展的瑞利泰勒不稳定性，显示了对撞过程的鲁棒性。以上实验结果与二维聚变流体程序MULTI-2D的模拟结果基本一致。该研究结果不仅对DCI方案后续的高能电子束快速加热过程至关重要，对致密简并天体物理的研究也具有重要意义。
在过去的一年时间里，“神光II”升级装置已被进一步升级为具有总能量大于32kJ的16路纳秒驱动激光束和总能量为3.5kJ的2路皮秒激光束的直接驱动快点火研究平台。DCI联合研究团队目前正在该研究平台上进行第9轮实验，目的是实现对磁场引导加热过程的优化。
该研究工作以“Observation of the colliding process of plasma jets in the double-cone ignition scheme using an x-ray streak camera”为题发表在国际等离子体研究界知名期刊《Physics of Plasmas》上。该论文被选为当期的编委推荐(Editor's Pick)，并被美国物理联合会《科学之光》(Scilight)以《Head-on collision of compressed plasma jets shows promise for high-gain laser fusion》为题进行了专访报道。该工作由中科院先导专项、国家自然科学基金和上海市科技创新行动计划资助。北京师范大学博士生刘正东和上海交通大学吴福源副研究员为论文共同第一作者，上海交通大学/中国科学院物理研究所张杰院士和北京师范大学仲佳勇教授为共同通讯作者。
图2 MULTI-2D程序获得的等离子体内爆密度演化图像
