席曉峰,郭 冰,*,符長波,呂 沖,張國強(qiáng)

(1.中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所,北京 102413;2.復(fù)旦大學(xué) 現(xiàn)代物理研究所,上海 200433;3.中國科學(xué)院 上海高等研究院,上海 201210)

自1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性以來,通過使用放射源、加速器和反應(yīng)堆,核物理學(xué)在理解原子核性質(zhì)與原子核反應(yīng)等方面取得了巨大進(jìn)展,核物理相關(guān)技術(shù)在核電、放射治療、醫(yī)學(xué)成像等許多領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。目前,主流的粒子加速器均通過加載在真空中的強(qiáng)電場加速粒子,其加速梯度受限于期間所用絕緣體擊穿場強(qiáng)和腔室極限真空度,一般電場強(qiáng)度不超過108V/m。近年來,隨著高功率激光技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步,激光器作為一種新型加速平臺,是利用相對論強(qiáng)度的超短脈沖激光驅(qū)動等離子體形成的超強(qiáng)靜電分離電場加速粒子,其加速梯度可高達(dá)1011V/m以上,較傳統(tǒng)加速器提高數(shù)個量級。這種加速方式不但避免了傳統(tǒng)加速器中真空擊穿的問題,還可極大減小加速器裝置以及相應(yīng)防護(hù)設(shè)施的尺寸。目前,高功率激光脈沖加速的粒子已能引發(fā)核過程,激光器成為除加速器和反應(yīng)堆外研究核物理的新平臺。激光加速的粒子束具有傳統(tǒng)加速器反應(yīng)堆所不具備的超快特性,為研究fs到ns時間尺度的核物理過程提供了新的手段,也為激光與核物理的學(xué)科交叉提供了機(jī)遇。激光核物理這一新興交叉領(lǐng)域成為了國際物理學(xué)的重要前沿方向之一。

王淦昌先生在1964年建議:“我們認(rèn)為若能使這種光能激射器與原子核物理結(jié)合起來,發(fā)展前途必相當(dāng)大”。建議不僅指明了激光與核物理結(jié)合的戰(zhàn)略發(fā)展方向,還首次獨立提出了激光聚變的概念:“其中比較簡單易行的就是使光激射與含氘的物質(zhì)發(fā)生作用,使之產(chǎn)生中子”。該戰(zhàn)略建議于1988年整理刊登在《原子能科學(xué)技術(shù)》[1]。王乃彥先生也很早就關(guān)注激光核物理這一嶄新的物理學(xué)領(lǐng)域,早在2008年的綜述文章中便對未來激光產(chǎn)生電子、質(zhì)子、中子、X射線和正電子發(fā)展的潛力進(jìn)行了討論與分析,提出了中國核物理學(xué)科與激光技術(shù)相互推動進(jìn)步、相互促進(jìn)發(fā)展的未來藍(lán)圖[2]。

本文將在上述關(guān)于將激光與核物理結(jié)合的戰(zhàn)略建議的基礎(chǔ)上,針對高功率激光驅(qū)動核反應(yīng)這一重要課題,評述激光器脈沖寬度短、時間分辨率高、通量大等特性以及其給核反應(yīng)產(chǎn)物測量帶來的巨大挑戰(zhàn)和獨特的研究機(jī)遇,介紹激光驅(qū)動核反應(yīng)的研究方法,分析并總結(jié)該領(lǐng)域國際最新的研究進(jìn)展和對未來研究的展望。

1 激光與物質(zhì)的相互作用

從19世紀(jì)60年代第1臺激光器出現(xiàn)至今半個多世紀(jì),激光技術(shù)的發(fā)展日新月異,在醫(yī)學(xué)、生物、工業(yè)、航空航天、科研等方面得到了廣泛應(yīng)用。

強(qiáng)激光與物質(zhì)的相互作用[3-4]是包含多學(xué)科理論、數(shù)值計算和實驗研究的領(lǐng)域,目前主要研究對象包括激光與氣體、固體和等離子體的相互作用。它涉及物理學(xué)的許多重要分支,如激光物理、原子分子物理、非線性光學(xué)、等離子體動力學(xué)、熱力學(xué)、爆炸力學(xué)等。在應(yīng)用方面,強(qiáng)激光與物質(zhì)的相互作用與多種重大工程技術(shù)交叉而形成新的研究方向,如激光工業(yè)加工、同位素分離、激光反導(dǎo)、激光驅(qū)動核聚變等。這些重大關(guān)鍵技術(shù)的突破,可能會引起工業(yè)發(fā)展和能源等方面的一系列重大變革。

1961年激光剛發(fā)明時,其功率密度為1010W/cm2左右,經(jīng)過60多年的發(fā)展,已增長到目前的1023W/cm2左右(圖1)[5]。激光器的功率密度達(dá)到百TW甚至PW以上時,相應(yīng)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度將會達(dá)到1011～1014V/m以上[6]。在強(qiáng)激光場中,原子中的電子會在激光脈沖持續(xù)時間(10-9～10-15s)尺度被剝離,形成等離子體。盡管整體呈電中性,這些等離子體“氣團(tuán)”內(nèi)的正負(fù)電荷的運動方式,會受到外加電磁場以及內(nèi)部電荷運動產(chǎn)生的自生電磁場的影響。特別是在激光作用周期內(nèi),電子、離子會被強(qiáng)激光引發(fā)的波動電磁場以及等離子體的空間電荷分布誘發(fā)的電磁場加速或減速?；诖嗽O(shè)想,人們開始研究利用激光脈沖與物質(zhì)的相互作用,發(fā)展激光驅(qū)動的粒子加速技術(shù)。

圖1 激光強(qiáng)度隨年份變化的發(fā)展情況及預(yù)期[5]Fig.1 Development and expectation of laser intensity with time[5]

激光加速是利用強(qiáng)激光與不同密度的靶(如氣體靶、固體靶、團(tuán)簇靶等)相互作用,在等離子體中激發(fā)極強(qiáng)的縱向場,產(chǎn)生不同的加速結(jié)構(gòu)來提升帶電粒子的速度。強(qiáng)激光聚焦在靶上產(chǎn)生了具有陡峭梯度電荷場、密度場和溫度場的非平衡態(tài)等離子體?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)激光參數(shù)(能量、脈沖持續(xù)時間、對比度、光偏振等)、相互作用情況(聚焦尺寸、入射角、緊/松焦距、預(yù)脈沖等)和靶(材料組分、復(fù)合結(jié)構(gòu)、電子密度、含氫量、幾何形狀、次級靶等),精細(xì)控制等離子體特征。因為參數(shù)眾多且互相關(guān)聯(lián),過程非常復(fù)雜。過去幾年,已開展逐漸增多的關(guān)于使用激光產(chǎn)生等離子體加速粒子誘導(dǎo)不同核反應(yīng)的實驗研究[7-15]。

與傳統(tǒng)射頻驅(qū)動加速器相比,激光加速粒子束具有束流通量大、脈沖寬度短等特點,這些傳統(tǒng)加速器所不具備的特點可為研究核反應(yīng)和核結(jié)構(gòu)提供獨特的實驗手段[16]。如高功率激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的高溫高密度等離子體環(huán)境與激光加速產(chǎn)生的粒子束流相結(jié)合,為解決核天體物理中的許多難題提供了新的途徑[17]。在更強(qiáng)的極端激光場中,還會引發(fā)相對論量子動力學(xué)、量子電動力學(xué)等領(lǐng)域的研究[18]。

峰值功率由脈沖能量和脈沖持續(xù)時間綜合表示,增益材料包括釹玻璃(三角形)、摻鈦藍(lán)寶石(正方形)和OPCPA(圓形)中的非線性晶體圖2 幾種典型的PW激光[19]Fig.2 Several famous PW lasers with peak-power illustrated by pulse-energy and pulse-duration[19]

激光核物理的發(fā)展與強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。幾種典型的PW激光示于圖2。從圖2可清楚看到,激光器未來發(fā)展的趨勢[19]是繼續(xù)增大激光單發(fā)能量和持續(xù)壓縮脈沖持續(xù)時間來提高峰值功率,后一種方式使目前的激光功率達(dá)更高水平。釹玻璃脈寬激光器具有kJ脈沖能量,但受限于光學(xué)元件材料,脈沖持續(xù)時間為ps,目前只能支持PW級的峰值功率;鈦寶石拍瓦激光器具有fs脈沖寬度和102J脈沖能量,峰值功率現(xiàn)已提高到10 PW水平;光學(xué)參量啁啾脈沖放大(OPCPA)拍瓦激光器具有進(jìn)一步縮短脈沖持續(xù)時間的潛力,因此峰值功率可在不久的將來進(jìn)一步增加。增加脈沖能量或減少脈沖持續(xù)時間來提高峰值功率的這兩種方法當(dāng)下均在使用,未來將依賴于光學(xué)材料和技術(shù)的進(jìn)步而持續(xù)發(fā)展。

通常用于慣性約束聚變研究的高能激光設(shè)備,如美國國家點火裝置(National Ignition Facility, NIF)、法國兆焦耳激光器(Laser Magajoule, LMJ)、英國Orion激光設(shè)施、上海神光Ⅱ激光裝置[20-23]等,均正在開展實驗室天體物理和激光核物理方面的工作。目前世界上運行或在建的PW級強(qiáng)激光裝置越來越多,將成為近期的激光與物質(zhì)相互作用研究的主要力量[24]。經(jīng)過近20年的發(fā)展,中國的羲和激光(SULF)、歐洲的ELI-NP均達(dá)10 PW級的最新高度。

與此同時,在百TW級激光器上也在開展激光核物理研究工作。如北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、中國工程物理研究院等,國外主要有美國密歇根大學(xué)、英國盧瑟福實驗室、巴黎大學(xué)、意大利國家核物理研究所、德國德累斯頓-羅森多夫?qū)嶒炇业?。中國原子能科學(xué)研究院自主研發(fā)的百TW級fs激光裝置脈沖時域?qū)Ρ榷葍?yōu)于10-9,到靶峰值功率密度超過1019W/cm2,可用于開展激光加速的電子、質(zhì)子及伽馬射線源核物理的基礎(chǔ)研究。

2 激光驅(qū)動的次級射線束

2.1 電子束的加速

激光尾波場加速電子的原理最早由美國加州大學(xué)Tajima和Dawson于1979年提出[25],2004年,美、英、法的3個研究小組幾乎同時報道了準(zhǔn)單能電子束產(chǎn)生,這3篇文章被Nature作為封面文章以“Dream beam”為題發(fā)表,成為該領(lǐng)域的一個重要里程碑[26-28]。由此,激光尾波加速從最初的概念邁入了快速發(fā)展期[29]。世界上大部分實驗室首先開展的是單級的激光等離子體加速的理論與實驗工作,研究在cm尺度的加速距離內(nèi)產(chǎn)生高能量、準(zhǔn)單能電子束。在單級加速方面,2019年,美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)的Leemans等已實現(xiàn)了單級7.8 GeV電子加速記錄[30]。在級聯(lián)加速方面,2016年,LBNL利用等離子體鏡和等離子體透鏡方法,首次實現(xiàn)了分別對第2束激光的導(dǎo)引和第1級加速電子束的聚焦傳輸,將3.5%的第1級電子耦合到了第2級,并進(jìn)一步獲得了百MeV能量的提升,這被視為激光尾波加速的又一里程碑[31]。中國科學(xué)院上海光機(jī)所研究團(tuán)隊[32]通過在兩段級聯(lián)的等離子體之間引入一段高密度等離子體,控制電子束的穩(wěn)相加速及能量啁啾反轉(zhuǎn)和能散度壓縮,獲得了高亮度高品質(zhì)的高能(200～600 MeV)電子束,首次接近了最先進(jìn)的直線加速器上所能獲得的電子束亮度。美國林肯大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊[33]未采用傳統(tǒng)的電子加速方案,而是選擇在低密度等離子體中以瞬態(tài)光柵的結(jié)構(gòu)對電子束進(jìn)行調(diào)制發(fā)射,加速后的電子能量最高可達(dá)145 MeV,對于現(xiàn)代超強(qiáng)激光電子加速器的設(shè)計工作有著重要的指導(dǎo)意義。

激光加速電子通過韌致輻射、Betatron及湯姆遜散射等方式可產(chǎn)生keV到MeV能量的超快高能伽馬射線[34]。這些次級輻射可為核材料檢測、深層爆炸物檢測、核爆超快診斷、伽馬核嬗變及核物理交叉等前沿研究的發(fā)展提供技術(shù)支持。

2.2 離子束的加速

超強(qiáng)脈沖激光(1018～1023W/cm2)驅(qū)動高密度等離子體加速產(chǎn)生的高能離子束,開創(chuàng)了超強(qiáng)激光物理的全新應(yīng)用方向和發(fā)展前景,如放射性短壽命醫(yī)用同位素、離子治療腫瘤、高能量密度物理和聚變反應(yīng)快點火[35-38]等。目前最主要的激光質(zhì)子加速機(jī)制有靶后鞘層加速(TNSA)[39]、輻射壓力加速(RPA)[40]以及廣泛存在天體環(huán)境中的無碰撞靜電激波加速(CES)[41]等,對這些離子加速機(jī)制的研究已取得了很多重要的實驗結(jié)果[42-53]。2018年,Higginson等在英國Vulcan激光器上利用ps激光,通過混合RPA-TNSA機(jī)制,得到截止能量為94 MeV的質(zhì)子束[54],這是目前實驗所獲得的質(zhì)子最高能量。2019年,北京大學(xué)馬文君等[55]使用功率密度為5.5×1020W/cm2的線偏振激光照射由臨界密度碳納米管和類金剛石靶組成的雙層靶,經(jīng)過TNSA和RPA的級聯(lián)加速,產(chǎn)生的碳離子束能量高達(dá)48 MeV。2020年,王鵬杰等[56]使用功率密度為1022W/cm2的超短超強(qiáng)激光轟擊超薄的Au和臨界密度碳納米管組成的雙層靶,得到了能量為1.2 GeV的金離子束。

激光加速離子的特點主要有:脈沖窄,可達(dá)ps～ns量級;峰值亮度高,1 MeV內(nèi)每脈沖質(zhì)子束可達(dá)109脈沖以上;束斑發(fā)散度小,強(qiáng)激光一般有自聚焦現(xiàn)象,激光加速產(chǎn)生的束斑高度聚焦可達(dá)量級,因此發(fā)散度也較小;體積極小,激光的加速電場可達(dá)1011～1014V/m,激光加速器體積也因此可很小。但激光加速的離子束目前也存在明顯弱點:首先是能散度很大,能譜離散度大多非常大;其次是束流不穩(wěn)定,由于激光及等離子體的不穩(wěn)定性,束流品質(zhì)相較于傳統(tǒng)加速器還有相當(dāng)?shù)牟罹?最后,由于是脈沖式離子束,其平均強(qiáng)度不高。盡管如此,發(fā)展中的激光加速技術(shù)仍已顯現(xiàn)出在核物理基礎(chǔ)研究與核技術(shù)應(yīng)用方面的巨大應(yīng)用潛力。

2.3 中子束的產(chǎn)生

作為核物理研究的一種重要手段,中子具有強(qiáng)穿透能力,易與原子核發(fā)生核反應(yīng),是研究原子核結(jié)構(gòu)的理想探針。中子束的應(yīng)用促進(jìn)了核能的開發(fā)和人工放射性同位素的生產(chǎn)。自查德威克1932年發(fā)現(xiàn)中子以來,經(jīng)近百年的發(fā)展,對中子的研究和應(yīng)用取得了巨大的成就,對中子源的需求也日益強(qiáng)烈。隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展,強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用也成為一種產(chǎn)生中子源的新方式。

目前超短激光驅(qū)動中子源的實現(xiàn)途徑主要有3種。第1種是利用激光輻照含氘團(tuán)簇誘發(fā)聚變核反應(yīng)產(chǎn)生中子[57-58],第2種是利用激光加速電子通過光核反應(yīng)產(chǎn)生中子[59-63],第3種是利用超強(qiáng)激光,特別是大能量(大于數(shù)十J)、高功率密度(高于1019W/cm2)的ps激光加速高能離子轟擊轉(zhuǎn)換體,通過束靶核反應(yīng)產(chǎn)生中子。由于離子的核反應(yīng)截面較高且產(chǎn)生的中子具有前沖性,國際上利用束靶中子源可產(chǎn)生最高約1010sr-1的前向中子,是目前最有希望實現(xiàn)高產(chǎn)額及滿足應(yīng)用需求的短脈沖激光中子源技術(shù)途徑。

1998年,Norreys等[64]利用VUCLAN激光(1.3 ps,8～20 J)和氘化塑料靶相互作用,通過打孔加速產(chǎn)生的氘離子誘發(fā)D(d,n)束靶反應(yīng)得到了7×107sr-1的中子產(chǎn)額,開啟了超短激光驅(qū)動中子源的研究。英國盧瑟福實驗室的Lancaster等[65]于2000年利用超強(qiáng)激光(峰值功率密度>3×1019W/cm2)驅(qū)動TNSA機(jī)制加速質(zhì)子,利用7Li(p,n)反應(yīng)獲得了3×108sr-1的中子產(chǎn)額。隨后,美國海軍研究實驗室(NRL)的Davis和Petrov等[66]從理論上指出,對于4 MeV以上的氘離子,7Li(d,xn)的反應(yīng)截面較D(d,n)和7Li(p,n)的更大,單個離子對應(yīng)的中子產(chǎn)額達(dá)0.01～0.1,且中子發(fā)散角更小。在此基礎(chǔ)上,LLNL的Higginson等[67]和英國貝爾法斯特女王大學(xué)的Kar等[68]利用超強(qiáng)短脈沖激光(脈寬約ps,峰值功率密度1019～1020W/cm2)輻照碳氘靶,通過靶背法線鞘場加速(TNSA)機(jī)制加速氘離子,分別獲得了8×108sr-1和109sr-1具有高度前向性的中子束發(fā)射。

2013年,LANL在其Trident激光裝置上開展實驗,利用氘離子加速在激光傳播方向獲得了1.2×1010sr-1中子產(chǎn)額,并開展了世界上首次激光快中子照相演示實驗[69],被《Nature》列為研究亮點加以報道[70]。基于超短超強(qiáng)激光的新型中子源由于其脈寬窄(幾十ps～百ps)[71]、微焦點(約10 μm)的特性[72],以及具有注量率高(1018～1021cm-2·s-1)[73-75]和時間分辨極佳[76]的優(yōu)勢,有望成為同位素、加速器和反應(yīng)堆等傳統(tǒng)中子源的有力補(bǔ)充,在快中子共振照相[77-79](要求在3 MeV中子吸收峰處對氮和碳進(jìn)行分辨,中子脈寬低于百ps)、聚變材料中子學(xué)研究[80](要求中子注量率超過1015cm-2·s-1)和快速中子俘獲(r過程)研究[81-82](要求中子注量率超過1020cm-2·s-1)等方面有望發(fā)揮重要應(yīng)用。

高效的離子加速是實現(xiàn)高產(chǎn)額激光中子源的必要條件。傳統(tǒng)的TNSA機(jī)制雖相對較穩(wěn)定,但離子加速效率較低,且靶表面沾污層會對離子加速產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)。2018年,Roth團(tuán)隊基于新的靶破燒蝕加速(BOA)機(jī)制開展實驗,在美國LANL實驗室的Trident激光裝置和德國的PHELIX激光裝置[83]上獲得了目前為止最高的激光中子源產(chǎn)額(約1010sr-1)。美國科羅拉多州立大學(xué)(CSU)的合作團(tuán)隊使用超快超強(qiáng)激光轟擊102nm直徑的氘化聚乙烯(CD2)納米絲靶,實驗中獲得的每發(fā)中子最大數(shù)為3.6×106,相當(dāng)于每焦耳2.2×106個中子,較平面靶的中子產(chǎn)額提高500倍[84]。

目前激光驅(qū)動的中子源還處于實驗研究階段,雖已被提出可用于中子共振譜儀(neutron resonance spectroscopy, NRS)和中子共振成像(neutron resonance spectroscopy, NRI)技術(shù)[85-86],但實際應(yīng)用很少,主要限于使用快中子的中子射線照相[87]以及利用中子共振無損分析同位素材料樣品[88]。因此,為激光中子源的盡早實用,未來需進(jìn)一步研究探索更先進(jìn)的物理機(jī)制。

2.4 伽馬束的產(chǎn)生

當(dāng)高能伽馬射線的能量大于核子的分離閾值后,與原子核直接發(fā)生光核反應(yīng)釋放出中子,這樣會影響到核爆過程或反應(yīng)堆內(nèi)部的中子輸運過程。因此精確的測量光核反應(yīng)的截面,不僅能解決核武器和反應(yīng)堆設(shè)計中的一些重要科學(xué)問題,還有可能幫助解決中子嬗變核廢料、核材料檢測、天體重元素合成機(jī)制中的一些疑難問題。

在過去的幾十年內(nèi),高能伽馬射線主要的產(chǎn)生方式有:1) 通過傳統(tǒng)加速器加速的數(shù)十MeV的電子束和高Z靶相互作用產(chǎn)生韌致輻射(如高能閃光X射線),該方式能產(chǎn)生高流強(qiáng)的X射線,但光譜為連續(xù)譜[89];2) 激光和傳統(tǒng)加速器產(chǎn)生的高能電子進(jìn)行康普頓背散射獲得準(zhǔn)單能的高能伽馬射線,國際上有少數(shù)幾個大型國家實驗室在開展這方面的研究[90];3) 全光湯姆遜散射產(chǎn)生準(zhǔn)單能高能伽馬射線。近幾年,隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的迅速發(fā)展,激光功率密度超過相對論強(qiáng)度,激光尾波場加速電子的物理機(jī)制得以在實驗室實現(xiàn)。通過深入研究,激光加速能產(chǎn)生準(zhǔn)單能高亮度高能電子(數(shù)百MeV至數(shù)GeV電子),利用這樣的電子束和激光相互作用,能產(chǎn)生準(zhǔn)單能的高能伽馬射線[91]。2017年,上海交通大學(xué)與美國內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)合作開展了高階多光子湯姆遜散射的實驗和理論研究[92],首次實驗觀察到了高達(dá)500個光子同時與單電子的湯姆遜散射現(xiàn)象,得到了能量超過20 MeV的伽馬光子輻射,并給出了電子束與超強(qiáng)激光束發(fā)生散射的新特征。

上述的光子射線束是診斷溫稠密物質(zhì)、核爆和微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最為有效的手段之一。目前,為了實現(xiàn)高時空分辨和吸收光譜學(xué)研究,光子輻射源的發(fā)展追求更高亮度、更短波長和更短脈沖[93]。

3 激光間接驅(qū)動核反應(yīng)

3.1 激光加速離子驅(qū)動核反應(yīng)

利用激光加速產(chǎn)生的離子束,轟擊另一路同步激光燒蝕后的等離子體,可部分模擬天體等離子體環(huán)境下的相互作用狀態(tài)。激光加速的離子束能量比完全熱平衡態(tài)等離子體中的離子能量高,可部分克服目前激光能量不足的情況。第2束激光燒蝕后的靶處于等離子體狀態(tài),從而形成一類天體的完全等離子體環(huán)境。通過光學(xué)探針、X射線近邊吸收光譜或質(zhì)子照相等方法研究熱等離子體的密度、溫度、電磁場等信息[94],能為核反應(yīng)發(fā)生提供已知的、可控的等離子體靶環(huán)境。

2013年,LULI利用LULI2000激光裝置,通過雙路激光實驗方法,研究了p11B等離子體核反應(yīng)[95]。激光實驗布局如圖3a所示。其中一路ps激光能量20 J、脈寬1 ps,其聚焦功率密度大于1018W/cm2用來轟擊鋁膜產(chǎn)生質(zhì)子束。另一路ns激光能量400 J、脈寬1.5～4 ns,聚焦功率密度在1014W/cm2量級,同步的照射硼靶產(chǎn)生高溫等離子體,與ps激光所加速的質(zhì)子進(jìn)行反應(yīng)。通過磁譜儀以及固體徑跡探測器CR39等對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行測量。

圖3b為ps激光和ns激光共同作用下,使得質(zhì)子束在適當(dāng)?shù)臅r間延遲時轟擊硼等離子體的實驗結(jié)果。該結(jié)果表明,利用ns激光激發(fā)硼等離子體的情況,較無硼等離子體時的α粒子產(chǎn)額高上百倍。在這個實驗方案中,入射束和靶都處于等離子體狀態(tài),很好的模擬了天體環(huán)境。由于入射激光是ns量級以下脈沖,在避開入射時刻的光子脈沖之后,離子信號會在數(shù)十ns到數(shù)百ns之內(nèi)被探測器探測到(取決于被測粒子的能量)。因此這種實驗受周圍環(huán)境本底干擾較小,這對通常很低截面的天體反應(yīng)測量比較有利。實驗可用于研究其他輕同位素反應(yīng),探索等離子體環(huán)境下無中子的核聚變反應(yīng)和天文感興趣的接近早期宇宙或恒星內(nèi)部環(huán)境的核反應(yīng)。

p+11B→3α+8.7 MeV是最有吸引力的無中子聚變反應(yīng)之一。2015年,俄羅斯研究小組提出利用強(qiáng)激光驅(qū)動p11B聚變反應(yīng)鏈的可能性[96]。2016年, LULI利用Elfie激光裝置同樣采用雙路激光方法進(jìn)行了由天然硼(B)或天然氮化硼(BN)組成的復(fù)合靶實驗[97],結(jié)果顯示,初級核反應(yīng)產(chǎn)物可引發(fā)次級核反應(yīng),激光實驗布局如圖4a所示,pB/BN反應(yīng)鏈如圖4b所示。一路亞ps激光能量10 J、脈寬350 fs,其聚焦功率密度大于1019W/cm2用來轟擊鋁膜產(chǎn)生質(zhì)子束。另一路亞ns激光能量80 J、脈寬600 ps,聚焦功率密度約為1013W/cm2,同步的照射B/BN復(fù)合靶產(chǎn)生高溫等離子體,并與ps激光所加速的質(zhì)子束進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物通過磁譜儀、湯普遜曲面譜儀以及固體徑跡探測器CR39等測量。通過激光加速粒子束轟擊靶材料的放射性衰變特征,證明了初級反應(yīng)中產(chǎn)生的α粒子引起了次極核反應(yīng)。影響此反應(yīng)率的物理參數(shù)有B離子密度、質(zhì)子密度、反應(yīng)截面、反應(yīng)體積以及相互作用時間。第2路ns激光束產(chǎn)生的等離子體靶可提高反應(yīng)率,盡管有爭議,等離子體中可能存在的反應(yīng)鏈有望進(jìn)一步提高反應(yīng)率。

圖3 LULI2000雙路激光實驗布局(a)與α粒子能譜結(jié)果(b)[95]Fig.3 Scheme of LULI2000 double laser beams experimental set up (a) and α-particle spectrum (b)[95]

圖4 Elfie雙路激光實驗布局圖(a)與pB/BN反應(yīng)鏈(b、c)[97]Fig.4 Scheme of Elfie double laser beams experimental setup (a) and nuclear reactions chain produced by interaction of pB/BN (b and c)[97]

針對p11B聚變反應(yīng),2015年捷克ELI束線小組與意大利研究團(tuán)隊合作在布拉格PALS激光裝置上進(jìn)行了單束調(diào)制的亞ns激光與復(fù)合HB靶[98-99]的實驗工作,聚焦功率密度約為1016W/cm2,產(chǎn)生了1010個α粒子(4π方向),較LULI實驗室的工作提高了約3個量級。西班牙馬德里核聚變研究所和澳大利亞南威爾士大學(xué)與捷克小組共同提出了3α雪崩機(jī)制[100]來解釋該現(xiàn)象并提出了利用該機(jī)制進(jìn)行p11B聚變反應(yīng)堆的概念設(shè)計[101]。2022年,上述這些合作團(tuán)隊在日本大阪大學(xué)的PW激光器LFEX上共同開展了氫硼反應(yīng)實驗[102](圖5,包括位于中心的球體和氫硼聚變反應(yīng)堆單元),獲得了約1010sr-1的α離子產(chǎn)額,并討論了近年來的實驗結(jié)果[103](圖6)。

澳大利亞南威爾士大學(xué)Hora長期致力于這項研究[104],他利用激光大規(guī)模地加速氫原子核,使之穿過硼樣品,就像是用氫作為標(biāo)槍,希望擊中硼原子。若擊中硼原子核,就可啟動p+11B→3α放能反應(yīng)。從物理學(xué)角度看來,溫度與原子運動的速度相關(guān),利用高溫實現(xiàn)該反應(yīng)本質(zhì)上相當(dāng)于希望隨機(jī)運動的原子核可彼此碰撞,這在現(xiàn)有實驗條件下可能性很小。雖然在聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能否發(fā)生的關(guān)鍵問題上存在很大爭議,脫胎于澳大利亞新南威爾士大學(xué)的HB11能源公司近期稱有方法使得氫硼聚變的反應(yīng)速率比預(yù)期水平高出10億倍,相關(guān)的氫硼聚變研究也會繼續(xù)下去。

圖5 H11B聚變反應(yīng)堆概念圖[102]Fig.5 Schematic of H11B fusion reactor including sphere and hydrogen-boron fusion reactor unit at the centre[102]

根據(jù)“單靶”和“次級靶”的不同實驗設(shè)置分類,左邊刻度表示絕對α粒子通量,而右邊刻度則歸一化為目標(biāo)上的激光能量圖6 p-B聚變實驗進(jìn)展[103]Fig.6 Experimental progress in p-B fusion[103]

激光加速粒子束誘導(dǎo)的核反應(yīng)在醫(yī)療放射性同位素到無中子的潔凈能源生產(chǎn)等許多應(yīng)用方向上均是有潛力的新方法,高反應(yīng)速率和反應(yīng)鏈發(fā)生對于這些應(yīng)用是極具吸引力的。未來需對等離子體內(nèi)溫度、密度引起的粒子阻止本領(lǐng)的變化和等離子體靶核電離引起的聚變反應(yīng)截面的調(diào)制等問題進(jìn)行細(xì)致深入研究[105]。

3.2 激光驅(qū)動光核反應(yīng)

前文提到,現(xiàn)在光子輻射源的發(fā)展追求更高亮度、更短波長和更短脈沖。目前,產(chǎn)生超短光子射線的主要方式有:利用傳統(tǒng)高能射頻電子加速器通過周期調(diào)制磁場(wiggler或undulator)產(chǎn)生的同步輻射X射線和自由電子激光、激光驅(qū)動的高次諧波、激光尾波場加速的高能電子和激光進(jìn)行湯姆遜背散射產(chǎn)生高能X射線、激光驅(qū)動的KαX射線、激光驅(qū)動的Betatron輻射[106]等?；趥鹘y(tǒng)加速器產(chǎn)生的同步輻射可產(chǎn)生高亮度的超短X射線,但存在體積龐大、建造和維護(hù)成本高昂等不足,同時世界上現(xiàn)有裝置數(shù)量非常有限,只能滿足少量用戶使用,人們一直期待小型化高亮度X射線源的建設(shè)。激光驅(qū)動的高次諧波和湯姆遜背散射產(chǎn)生的高能X射線的亮度較低;激光驅(qū)動的KαX射線源是4π立體角發(fā)散,可有效利用的X射線光子數(shù)有限。激光驅(qū)動的Betatron X射線源是基于相對論飛秒激光與氣體等離子體相互作用產(chǎn)生的X射線源,激光尾波場在縱向加速產(chǎn)生的電子束團(tuán),同時在橫向的等離子波引起電子的振蕩輻射出keV的X射線。具有源尺寸小(幾μm)、脈沖寬度短(fs量級)、發(fā)散度小(幾十mrad)[107],產(chǎn)生方法較簡單且易于小型臺面化等優(yōu)點,因此成為最具有潛力的候選者。2021年,中國科學(xué)院上海光機(jī)所基于激光加速器實現(xiàn)了百nJ量級27 nm波段的臺式化自由電子激光輸出,國際首次完成臺式化、相干、極短脈沖X射線自由電子激光的原理驗證[108],被稱為等離子體尾波加速的里程碑,為光核物理的研究提供了強(qiáng)有力的實驗平臺。在過去的20年里,英國盧瑟福阿普爾頓實驗室(RAL)、美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)、LBNL、德國耶拿大學(xué)等國際著名科研機(jī)構(gòu)均開展了光核物理研究及相關(guān)應(yīng)用[109-113]。

2003年,Magill[114]和Ledingham[115]等先后利用超短超強(qiáng)激光驅(qū)動的電子-軔致輻射源對長壽命核廢物中的關(guān)鍵核素129I(半衰期為15.7×106a)進(jìn)行伽馬核嬗變實驗,測量了128I(半衰期為25 min)的嬗變產(chǎn)額及其兩條特征伽馬譜線。上述研究表明,通過相對論激光等離子體來觸發(fā)伽馬核嬗變,可使長壽命核素轉(zhuǎn)化為短壽命或穩(wěn)定同位素。然而,由于當(dāng)時激光加速器技術(shù)的相對不成熟以及實驗布局未曾優(yōu)化,導(dǎo)致嬗變產(chǎn)額非常低,通常每發(fā)要小于105。近年來,在理論方面,在僅考慮單一核素靶材的情況下,針對幾種主要的長壽命裂變產(chǎn)物核素135Cs[116]、93Zr[117]、126Sn[118-119]、107Pd[120]的伽馬核嬗變過程有了一些理論計算結(jié)果。

國際上基于激光和傳統(tǒng)加速器產(chǎn)生的高能電子進(jìn)行康普頓背散射的伽馬源大多是基于儲存環(huán)的電子束與激光碰撞產(chǎn)生[121-122]。我國目前已建成的激光康普頓散射光源有兩臺,分別是清華大學(xué)的康普頓散射初步實驗裝置[123]和上海的SLEGS裝置[124]。SLEGS裝置是我國上海光源二期的16條束線之一,2022年為用戶開放。SLEGS裝置的光子能量分布在0.25～21 MeV,能量覆蓋了光核反應(yīng)所在的巨共振能區(qū),為開展光核嬗變、放射性同位素以及天體核物理光核反應(yīng)截面的研究提供有力的平臺。

4 激光直接驅(qū)動核反應(yīng)

4.1 庫侖爆炸

早在1999年,LLNL的Ditmire等就利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)氘團(tuán)簇氣體發(fā)生庫侖爆炸,成功實現(xiàn)了“臺面聚變”[125],并測量了D-D核反應(yīng)的中子產(chǎn)物。激光與團(tuán)簇相互作用產(chǎn)生庫侖爆炸誘導(dǎo)核聚變反應(yīng)的研究成為一個熱點。

2013年,美國德州農(nóng)工大學(xué)利用D與3He的混合氣體團(tuán)簇靶,通過高功率fs激光裝置驅(qū)動的庫侖爆炸方法,首次測量了等離子體環(huán)境中3He(d,p)4He在數(shù)十keV能量的天體S因子(圖7)[126]。測量的結(jié)果與非等離子體環(huán)境中的結(jié)果基本一致,證明在這一能量范圍內(nèi)電子屏蔽效應(yīng)可忽略。實驗室內(nèi)等離子體環(huán)境下S因子的直接測量,對更好理解星體等離子體中的庫侖屏蔽效應(yīng)非常重要。

作為質(zhì)心系能量的函數(shù)用實心黑色圓圈表示圖7 核反應(yīng)3He(d,p)4He的天體物理S因子[126]Fig.7 Astrophysical S factor for 3He(d,p)4He reaction[126]

此外,該研究團(tuán)隊還分別測量了激光轟擊D與3He的混合氣體團(tuán)簇靶時,同時發(fā)生D(d,3He)n和3He(d,p)4He聚變反應(yīng)的中子產(chǎn)物與質(zhì)子產(chǎn)物,通過兩個聚變反應(yīng)截面對等離子體溫度依賴度不同的物理機(jī)制,利用中子和質(zhì)子的產(chǎn)額比,分析得出了在聚變反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵時刻等離子體內(nèi)的等離子體溫度[127],實驗區(qū)域布局如圖8所示。

最近,隨著激光強(qiáng)度的提升,強(qiáng)激光驅(qū)動下與原子核相關(guān)的物理過程引起越來越多的研究興趣。原子核同質(zhì)異能態(tài),即處在亞穩(wěn)態(tài)的核素,由于其核結(jié)構(gòu)理論的研究價值以及潛在的應(yīng)用價值,一直是核物理研究的重要課題。

2022年,上海交通大學(xué)馮杰等首次報道了利用庫侖爆炸實驗方法[128],觀測到了飛秒激光驅(qū)動產(chǎn)生的同質(zhì)異能態(tài)。實驗裝置如圖9所示,實驗通過200 TW激光器轟擊氪氣團(tuán)簇,產(chǎn)生了83Kr核素的同質(zhì)異能態(tài),其能級為42 keV,壽命為1.83 h,產(chǎn)生的峰值效率最高可達(dá)2.34×1015s-1,超過傳統(tǒng)加速器幾個量級。通過進(jìn)一步理論分析說明,實驗中近固體密度的團(tuán)簇電子在強(qiáng)激光場和等離子體共同作用下,開始多次往返運動形成共振。這極大增加了電子與原子核的相互作用機(jī)會,從而大幅提高了同質(zhì)異能素的產(chǎn)生效率。雖然實驗中同質(zhì)異能素主要來自于庫侖激發(fā)機(jī)制,但也可能部分受電子俘獲核激發(fā)機(jī)制(NEEC)影響,NEEC是原子核內(nèi)轉(zhuǎn)換的逆過程,在近年來的實驗研究中尚未被證實。該實驗為同核異能態(tài)研究提供了新的思路。

激光束從左側(cè)射入,噴嘴位于靶室中心附近,圖中顯示了中子探測器和質(zhì)子探測器,插圖顯示了氣體噴嘴和激光簇相互作用區(qū)域圖8 激光轟擊D與3He的混合氣體團(tuán)簇靶實驗區(qū)域布局[127]Fig.8 Layout of experimental area for laser bombardment of D and 3He mixed gas cluster targets[127]

4.2 慣性約束聚變

從60年前開始,人類開始把受控核聚變能作為人類社會的終極能源候選對象加以研究。核聚變能的效率是化石能源的數(shù)十萬倍以上;核聚變反應(yīng)氘氚核聚變不會產(chǎn)生長壽命的核廢料。在實驗室里實現(xiàn)激光核聚變點火的必要條件是,壓縮氘氚燃料達(dá)到太陽核心的極端狀態(tài),即溫度達(dá)到5 keV,密度達(dá)到100 g/cm3。因此在實驗室實現(xiàn)的激光聚變是一瞬態(tài)過程,而持續(xù)時間正是慣性約束的時間。早在20世紀(jì)60年代,王淦昌先生和蘇聯(lián)物理學(xué)家尼古拉巴索夫就分別獨立提出了用激光打靶的方法產(chǎn)生核聚變,即激光慣性約束核聚變的想法,其原理非常接近氫彈爆炸的真實物理過程,在世界上具有開創(chuàng)性意義。此后不久蘇聯(lián)在激光聚變實驗上取得的進(jìn)展使得激光聚變研究得到了廣泛重視。從70年代至今,中、美、日、法、英、德等國在激光聚變研究方面均投入了很大力量。

美國在1977年建成Argus激光裝置,輸出功率達(dá)到3×1012W,能量達(dá)到2 000 J,獲得熱核中子的產(chǎn)額達(dá)到109。1978年,建成20路激光束的激光裝置SHHVA,輸出功率達(dá)到2.6×1013W,能量達(dá)到10 kJ,獲得的中子產(chǎn)額達(dá)到了3×1010。同期蘇聯(lián)也分別建成了9路、54路和216路激光束的數(shù)個激光裝置,輸出能量也達(dá)到了10 kJ。1993年,美國能源部正式簽署并批準(zhǔn)了NIF的概念設(shè)計和研制任務(wù),并將其指標(biāo)定為3 ns脈寬時輸出1.8 MJ,總共192束高功率激光(圖10)。在中國,中國慣性約束聚變研究被列入國家863計劃,制定了慣性約束聚變的發(fā)展戰(zhàn)略。繼神光Ⅰ激光裝置之后,在上海建造了神光Ⅱ八路固體釹玻璃激光裝置,并同時開展規(guī)模更大的神光Ⅲ激光裝置的預(yù)研。2006年,神光Ⅱ升級系統(tǒng)建成并投入運行,8路激光輸出總能量為40 kJ/3ω/3 ns,目前該系統(tǒng)已經(jīng)成為世界上繼NIF之后的最穩(wěn)定的慣性約束激光驅(qū)動系統(tǒng)。與此同時,中國工程物理研究院于2005年建成了神光Ⅲ 8路系統(tǒng),其初期可提供15～20 kJ的3倍頻輸出。2010年,神光Ⅲ主機(jī)64路激光也按計劃完成,可提供150～200 kJ的3倍頻輸出。

圖10 NIF裝置192路激光注入黑腔產(chǎn)生X射線輻照靶球的示意圖[129]Fig.10 Schematic diagram of target irradiated by X-ray generated by 192 laser injection into black cavity of NIF facility[129]

目前最主流點火方案是中心點火方案[130]。該方案采用聚心的球形壓縮,最終密度的壓縮倍數(shù)與壓縮半徑的立方相關(guān)。但其能量利用效率較低,最終燃燒階段難以控制。2021年8月8日NIF里程碑式的實驗發(fā)次,在輸入激光能量為1.9 MJ的條件下,最終轉(zhuǎn)化為燃料聚心動能的能量僅為20 kJ。從9個不同的勞森判據(jù)公式來看,NIF裝置達(dá)到了點火[131-133]。然而雖然輸出能量達(dá)到1.3 MJ,但對應(yīng)靶增益為0.72,仍未達(dá)到增益>1的突破。近日美國能源部宣布,LLNL首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)凈能量增益,即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。據(jù)悉,實驗向目標(biāo)輸入了2.1 MJ的能量,產(chǎn)生了2.5 MJ的聚變能量輸出,產(chǎn)生的能量較投入的能量多20%以上。在NIF裝置上實現(xiàn)了增益為1的科學(xué)突破,實現(xiàn)了點火的目標(biāo);后續(xù)向聚變反應(yīng)的輸出能量大于輸入能量百倍的里程碑目標(biāo)努力,那時就可探索建立電站,實現(xiàn)核聚變能源的商用目標(biāo)。

在1995年,Tabak等提出了快點火方案[134],分離了壓縮和加熱過程。提高了聚變的增益,降低了內(nèi)爆速度要求,使內(nèi)爆過程更加穩(wěn)定。但經(jīng)過數(shù)十年的理論和實驗研究,未獲得突破性進(jìn)展。這是因為普通球?qū)ΨQ激光壓縮方式不能達(dá)到快點火要求的等密度分布等離子體的要求;此外,快點火需數(shù)十kJ量級的ps激光器,目前技術(shù)能力還不能達(dá)到。

圖11 ICF雙錐對撞點火模式示意圖[135]Fig.11 Schematic diagram of ICF double cone collision ignition[135]

1997年,張杰院士提出了雙錐對撞點火方案(double-cone-ignition, DCI),如圖11所示[135]。方案是將燃料放到兩個水平方向同心對稱放置的兩個主錐體的入口處。通過兩端大能量ns激光燒蝕錐體內(nèi)的燃料,使其沿內(nèi)錐面壓縮加速產(chǎn)生高速度高密度等離子體,并從錐口噴射出來,與對面錐口相向而來的等離子體進(jìn)行對撞,在對撞過程中燃料密度會提高到100 g/cm3的量級。在與對撞軸垂直的平面上可放置額外的錐體,以引導(dǎo)PW ps激光脈沖產(chǎn)生強(qiáng)流的熱電子束快速加熱高密度燃料。方案中磁輔助點火方法也是可選項。

張杰院士團(tuán)隊還提出了用人工智能優(yōu)化設(shè)計方法,通過機(jī)器學(xué)習(xí)中的遺傳算法和隨機(jī)森林算法引導(dǎo)的大規(guī)模流體力學(xué)模擬,實現(xiàn)激光波形的高效優(yōu)化。與傳統(tǒng)方法相比,該方法能將雙錐對撞后的燃料面密度提高63%,同時將表征流體不穩(wěn)定性的飛行形狀因子(內(nèi)爆殼層半徑和厚度的比值)降低30%。此外,該方法將激光波形的優(yōu)化周期從過去的14 d縮短到2 d,大幅提高了激光波形的優(yōu)化效率和優(yōu)化質(zhì)量。該方法不僅適用于直接驅(qū)動激光聚變,同時也適用于間接驅(qū)動激光聚變等聚變方案。2021年8月,在神光Ⅱ升級激光裝置上進(jìn)行的雙錐對撞點火實驗成功演示了這種設(shè)計方法的有效性[136]。

賀賢土院士團(tuán)隊也提出了混合驅(qū)動點火模式(直接驅(qū)動+間接驅(qū)動+快點火),如圖12所示[137],其主要物理過程是通過較低輻射溫度直接驅(qū)動內(nèi)爆預(yù)壓縮靶球,在表面形成冕區(qū)等離子體;間接驅(qū)動脈沖在冕區(qū)臨界面上被吸收,形成高壓壓縮波;高壓壓縮波在冕區(qū)臨界面和靶丸燒蝕面間壓縮等離子體密度,形成高密度區(qū);從而獲得較直接驅(qū)動燒蝕壓力大得多的混合驅(qū)動壓力,稱為“雪耙”增壓模型;最后利用短脈沖激光沿錐體入射到靶丸上點火。

圖12 ICF混合驅(qū)動點火模式示意圖[137]Fig.12 Schematic diagram of ICF hybrid drive ignition[137]

4.3 激光驅(qū)動噴流對撞無碰撞等離子體

在傳統(tǒng)加速器發(fā)展中,離子對撞機(jī)的出現(xiàn)有效克服了提高離子能量的工程和技術(shù)瓶頸?？刹捎幂^低能量的加速技術(shù)獲得質(zhì)心系中能量4倍的提升?，F(xiàn)在激光技術(shù)也同樣面臨如何提高離子能量的問題。雖然激光器技術(shù)已可在實驗室內(nèi)產(chǎn)生用于核物理研究的等離子體環(huán)境[138],但由于激光的總功率、工程造價等因素,限制了產(chǎn)生等離子體的最高溫度。此前,在激光等離子體物理的實驗研究中,等離子體噴流對撞方法常用于研究等離子體碰撞動力學(xué)或者與天體環(huán)境中相關(guān)的韋伯不穩(wěn)定性導(dǎo)致的磁場放大等[139-142]。那么,可借鑒傳統(tǒng)加速器的模式,用較低能量的激光器產(chǎn)生等離子體噴流,利用等離子體噴流對撞的方法,達(dá)到獲得提高質(zhì)心系能量的目的。從而可用較小的工程代價進(jìn)行激光核物理的研究。

2015年,上海交通大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所等實驗合作組,首次利用等離子體噴流對撞的方法,開展了激光驅(qū)動的氘氘聚變核反應(yīng)研究。實驗利用了神光Ⅱ激光裝置的9路激光束(圖13)。其中4路,能量約150 J,脈沖寬度為ns的激光聚焦在CD靶上,產(chǎn)生等離子體沖擊波或噴流[143];另外4路聚焦在對面的CD靶,產(chǎn)生方向相反的噴流,實現(xiàn)二者的對撞。利用第9路激光對噴流進(jìn)行成像,測量等離子體的密度。反應(yīng)產(chǎn)物被固體徑跡探測器和中子探測器記錄。實驗觀測到了反應(yīng)產(chǎn)物中子的增強(qiáng)現(xiàn)象,這為研究天體核反應(yīng)開辟了一個新的實驗途徑。

實驗通過使用激光驅(qū)動的無碰撞等離子體噴流對撞[144],研究了在27 keV附近Gamow窗口中的D+D→n+3He聚變反應(yīng)。結(jié)果表明,天體核反應(yīng)產(chǎn)率可通過自發(fā)電磁場和等離子體的集體運動被顯著調(diào)制。這種等離子體型微型對撞機(jī)為地面實驗室中具有核天體物理學(xué)感興趣能量區(qū)間的核反應(yīng)研究提供了一種新型的等離子體工具。激光驅(qū)動等離子體噴流對撞方法對研究天體中無碰撞激波對的形成、演化與長時間維持[145]也有幫助。

2016年,該合作組在神光Ⅱ激光裝置上繼續(xù)采用“激光碰撞”方法,通過7Li(d,n)核反應(yīng)產(chǎn)生單能中子[146]。方案布局如圖14所示,特殊設(shè)計的K型LiD靶顯著增加了keV能量的入射D和Li離子數(shù)量,最終得到13.3 MeV的中子束,并通過探測器飛行時間法以及干涉測量和多流體動力學(xué)模擬證實了這些中子的單能特性。中子能量與涉及激光驅(qū)動核反應(yīng)的實驗中入射離子的能量直接相關(guān),使用高能量入射離子可提高所產(chǎn)生的中子的單能性。

這種新方法可用于研究keV水平的7Li(d,n)核反應(yīng)截面,在核天體物理學(xué)領(lǐng)域是非常有意義的。此外,在實驗測量中還發(fā)展了激光等離子體誘導(dǎo)脈沖中子束的新的飛行時間測量方法[147],在1 μs的時間窗中記錄強(qiáng)激光環(huán)境下誘導(dǎo)的快中子和中子的輻射俘獲產(chǎn)生的延遲γ射線,這些延遲的γ事件用于中子診斷可降低由高能γ射線引起的探測效率下降問題,為強(qiáng)激光與靶相互作用實驗中的中子診斷提供了新的途徑。

上海交通大學(xué)合作團(tuán)隊利用平面CD靶開展了噴流對撞實驗,通過改變單側(cè)與雙側(cè)的靶結(jié)構(gòu),通過D-D聚變反應(yīng)的中子產(chǎn)額闡明了噴流對撞等離子體實驗中發(fā)生的聚變反應(yīng)絕大多數(shù)是來源于兩束等離子體噴流對撞的結(jié)果[148]。此外,中國科學(xué)院上海高等研究院牽頭的國際合作團(tuán)隊,還在神光Ⅱ升級裝置上開展了ns激光壓縮實驗,通過測量8束激光對稱壓縮平面靶產(chǎn)生的d(d,n)t及其次級反應(yīng)d(t,n)α的反應(yīng)比,推斷出激光等離子體的極大壓縮狀態(tài),首次在氘氘激光等離子體中產(chǎn)生了級聯(lián)核反應(yīng)[149]。實驗利用中子產(chǎn)額比對等離子體密度進(jìn)行了診斷,同時也測量到了不平衡的等離子體,預(yù)示著激光等離子體中短暫的能量交換過程是非常劇烈的。

圖13 氘氘聚變激光等離子體噴流對撞實驗布局圖(a)與中子產(chǎn)額(b)[143]Fig.13 Schematic of D-D fusion Laser plasma counter-streaming experimental setup (a) and neutron yields (b)[143]

圖14 LiD對撞實驗方案布局[146]Fig.14 Schematic of LiD fusion laser plasma counter-streaming experimental setup[146]

基于目前代表性的和未來規(guī)劃中的大能量激光器,激光驅(qū)動核反應(yīng)在核素圖上的研究范圍如圖15所示,目前的激光器上能夠開展的核反應(yīng)實驗主要在Z<6的核區(qū)。但在未來的激光平臺上,激光能量將進(jìn)一步增強(qiáng),突破105～106J,激光驅(qū)動核反應(yīng)的研究能力將拓展到更多的核素區(qū)域。希望未來能系統(tǒng)開展從氫到鎂的核反應(yīng)實驗測量,使得激光與核物理深度融合。

圖15 基于大能量激光器的激光驅(qū)動核反應(yīng)在核素圖上的研究范圍Fig.15 Research scope of laser driven nuclear reaction on nuclide chart based on device capabilities of several topical high energy laser facilities and future planning facilities

5 強(qiáng)激光復(fù)雜電磁環(huán)境下的核探測技術(shù)

強(qiáng)激光裝置為核物理研究帶來了新的研究平臺。然而在強(qiáng)激光環(huán)境下進(jìn)行核物理探測也遇到諸多問題,單純利用傳統(tǒng)核探測器無法滿足強(qiáng)激光環(huán)境下的探測需求。強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用后,會產(chǎn)生在每個頻段均很強(qiáng)的電磁輻射——從射頻(100 kHz)到THz,乃至到MeV量級的伽馬射線。通過計算可知,即使在ns強(qiáng)激光功率密度較低,僅為1015W/cm2的情況下,激光電場仍可達(dá)約9×1010V/m,相應(yīng)的激光磁場強(qiáng)度約300 T。

目前,對激光驅(qū)動核反應(yīng)的標(biāo)志性產(chǎn)物研究重點是帶電粒子和中子探測,實驗中的特征γ射線發(fā)射則主要用于等離子體狀態(tài)參數(shù)的診斷。受到激光打靶產(chǎn)生的全波段強(qiáng)電磁輻射的影響,常規(guī)探測器絕大多無法正常工作。如常用的半導(dǎo)體探測器,其原理是粒子在半導(dǎo)體中的能損會引起探測器局部的電離,被電離的正負(fù)電荷在外加電場的作用下,由正負(fù)電極收集并輸出信號。然而強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用后,其發(fā)出的電磁輻射在每個頻段都相當(dāng)強(qiáng)。強(qiáng)激光脈沖與靶相互作用的瞬間所產(chǎn)生的電磁場,遠(yuǎn)大于通常半導(dǎo)體或氣體探測器外加電場,嚴(yán)重干擾了電荷收集以及探頭后端的信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等電子學(xué)線路,導(dǎo)致這些器件不能正常工作。此外,激光與等離子體相互作用中會產(chǎn)生大量的快信號,由于激光產(chǎn)生的束流是一個亞ns量級的脈沖,因此這些快信號會在亞ns尺度下通量過大。而傳統(tǒng)探測器對事件的響應(yīng)時間極難好于ns量級,因此激光誘發(fā)的核事件將高度重疊,無法分開。傳統(tǒng)核探測單事件甄別的方法,不再適用于激光驅(qū)動核反應(yīng)的產(chǎn)物探測。

帶電粒子的測量目前面臨很大的挑戰(zhàn)。對帶電粒子如質(zhì)子、電子和α粒子等的探測通常無法在靶室外進(jìn)行,導(dǎo)致探測器探頭必須置于靶室內(nèi),就會遭受更嚴(yán)重的電磁干擾,額外的激光光污染,以及伽馬信號淹沒待測信號的嚴(yán)重問題。能在強(qiáng)激光場下工作的實時帶電粒子探測器是目前激光核物理的發(fā)展瓶頸。

現(xiàn)在實驗室采用的是固體核徑跡探測器CR39[150]、輻射變色膜RCF[151]以及成像板[152]。這些探測器數(shù)據(jù)處理時間長,實驗過程中無法及時反饋激光打靶結(jié)果信息,限制了實驗效率。實時帶電粒子探測器主要有湯普遜譜儀結(jié)合微通道板MCP[153]或成像板[154]法拉第杯FC[155]等。法拉第杯一般用于電流或電量測量;而MCP的尺寸受限,且對實驗條件(真空度)等有嚴(yán)格要求;IP板則靈敏度不足,帶電粒子數(shù)目較少時會給測量帶來很大誤差。因此急需發(fā)展更高效率、抗電磁脈沖的、實時測量的帶電粒子探測器來滿足激光等離子體驅(qū)動核反應(yīng)實驗的要求。復(fù)旦大學(xué)合作團(tuán)隊做出了很好的嘗試,探測器主要采用了光纖傳輸和快開門技術(shù)[156]。前端探頭采用對電磁爆和伽馬射線相對不靈敏的閃爍體,其發(fā)出的閃爍光,將通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)離靶室的后端。通過這種方式,可保護(hù)相對脆弱的光電倍增管等對電磁波靈敏的電子學(xué)線路。其次利用快開門技術(shù),避開光速的伽馬射線,在一定時間差后帶電粒子信號出現(xiàn)時開始加壓測量,從而實現(xiàn)對伽馬射線的抑制。再結(jié)合上述光纖探測器,可極大提高強(qiáng)激光實驗探測靈敏度。探測器有望在近期研制成功,從而滿足高功率激光驅(qū)動核反應(yīng)的帶電粒子產(chǎn)物探測需求。

在對激光等離子體驅(qū)動的核反應(yīng)進(jìn)行探測時,如果利用核反應(yīng)中的帶電粒子道產(chǎn)物來與中子道產(chǎn)物的探測結(jié)果相互校驗,減少誤差,就可以得到更準(zhǔn)確的核反應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)。很多低能核反應(yīng)中都有中子放出,中子的產(chǎn)生和消耗也是核天體物理研究恒星核合成過程的重要依據(jù),因此中子的探測在激光等離子體驅(qū)動的核反應(yīng)研究中也有著非常重要的地位。從實驗的角度看,激光驅(qū)動的中子通過核反應(yīng)產(chǎn)生,作為固定能量的核反應(yīng)產(chǎn)物,其時間特點是起始時間精確可知,能量不高,所以通過恰當(dāng)?shù)钠帘闻c合適的探測距離,可避開強(qiáng)激光脈沖與靶相互作用瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場。再利用閃爍體探測器配合光電倍增管和示波器,就可以避免激光加速產(chǎn)生的高能離子和超熱電子的影響。這樣結(jié)合閃爍體與飛行時間的探測系統(tǒng),就可以達(dá)到良好的探測激光中子源的目的。因此結(jié)合閃爍體探測器的TOF方法較為合適在實驗中測量中子事件。而目前在激光驅(qū)動等離子體環(huán)境中發(fā)生核反應(yīng)的產(chǎn)物中,對中子的實時測量已日漸成熟,但對閃爍體TOF探測器的標(biāo)定方法仍存在很大差異,之前所用的一般為中子源直接標(biāo)定法和結(jié)合蒙特卡羅模擬的康普頓邊間接標(biāo)定法。中國原子能科學(xué)研究院與上海高等研究院合作團(tuán)隊提出了新的基于裂變源252Cf的直接門控標(biāo)定法[157],如圖16所示,所需標(biāo)定的中子信號在PSD-TOF兩維譜中更清楚的與γ信號分辨開,從而減小了誤差。同時本方法還具有能同時標(biāo)定多個探測器,同時測量多個能量段的中子,配置簡單,標(biāo)定速度快、效率高的優(yōu)點,能為激光驅(qū)動中子源的閃爍體探測器標(biāo)定提供標(biāo)準(zhǔn)。

圖16 中子信號標(biāo)定的PSD-TOF兩維譜[157]Fig.16 Two-dimensional spectrum of PSD vs TOF for neutron signal calibration[157]

6 總結(jié)與展望

隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展,人們在實驗室可產(chǎn)生前所未有的超強(qiáng)激光場,由此產(chǎn)生了超強(qiáng)的電磁場、超高的壓強(qiáng)、超快的X/伽馬射線,開拓形成了激光核物理這一門新興的前沿交叉學(xué)科。該領(lǐng)域既孕育著激動人心的重大前沿科學(xué)問題的突破,也不斷引發(fā)關(guān)系國計民生的重大應(yīng)用。目前強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展,一方面有望使得強(qiáng)激光系統(tǒng)變得更穩(wěn)定可靠,且重復(fù)頻率更高,為基礎(chǔ)科學(xué)、工業(yè)、醫(yī)療等廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ);另一方面,有望在實驗室獲得具有更高峰值功率和聚焦強(qiáng)度的激光系統(tǒng),這將為開拓新的科學(xué)前沿提供可能。過去十多年在激光核物理領(lǐng)域的持續(xù)投入和人才培養(yǎng),使得我國在該領(lǐng)域的研究水平已處于國際前列,并在激光裝置建設(shè)、基礎(chǔ)物理和應(yīng)用技術(shù)研究上取得了一些原創(chuàng)性成果,引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛矚目。激光加速新機(jī)制的探索可能引發(fā)核物理加速器領(lǐng)域的重大變革,其產(chǎn)生的輻射源和次級輻射源(如電子、質(zhì)子、中子、伽馬和X射線等)具有高時間分辨和高亮度的特點,在核爆超快過程診斷、核材料探測、核廢料處理等方面具有重要的應(yīng)用價值。目前,強(qiáng)激光是研究高溫高密等離子體環(huán)境下核反應(yīng)機(jī)制的唯一途徑。強(qiáng)激光所產(chǎn)生的極端環(huán)境下的核反應(yīng)研究無論在模擬核爆條件下核參數(shù)的影響方面,還是在研究恒星極端等離子體環(huán)境中熱核反應(yīng)方面,均具有重要意義。通過開展對激光驅(qū)動粒子加速、強(qiáng)激光驅(qū)動核反應(yīng)、激光光子源、基于高能伽馬射線的光核反應(yīng)這些重要機(jī)制或技術(shù)的研究,可為核材料檢測、深層爆炸物檢測、核爆超快診斷、伽馬核嬗變等重要應(yīng)用及激光核物理交叉學(xué)科發(fā)展等方面提供重要的研究平臺和關(guān)鍵技術(shù)支撐,對促進(jìn)基礎(chǔ)前沿科技的發(fā)展具有十分重要的意義。