在峰值時(shí)，NIF慣性約束聚變（ICF）內(nèi)爆持續(xù)約100萬億秒分之1秒，內(nèi)爆燃料直徑為百萬分之一米，密度達(dá)鉛的8倍，內(nèi)爆腔的中心比太陽核心溫度還要高幾倍。

在研究人員努力在世界上最大、能量最高的激光系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火過程中，清楚地了解在這些極端條件下NIF慣性約束聚變內(nèi)爆到底發(fā)生了什么，是科學(xué)家面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

為了幫助應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)及其合作實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)已經(jīng)設(shè)計(jì)和建造了十幾種核診斷技術(shù)的廣泛套件，還有更多正在進(jìn)行中。勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Dave Schlossberg說：在診斷內(nèi)爆時(shí)，想要的是了解關(guān)于內(nèi)爆等離子體的一切，核診斷套件試圖處理可以獨(dú)立測(cè)量的不同參數(shù)，中子成像系統(tǒng)測(cè)量?jī)?nèi)爆的空間分布。

中子飛行時(shí)間診斷測(cè)量平均能量和漂移速度，伽馬反應(yīng)歷史測(cè)量相對(duì)于時(shí)間的發(fā)射。通過收集這些信息，可以更好地了解內(nèi)爆中發(fā)生的事情。物理學(xué)家凱利·哈恩(Kelly Hahn)補(bǔ)充說：一些診斷相互之間存在‘串?dāng)_’，有些提供了不同的(信息)片段，有些有相似的片段，我們可以把它們放在一起，組裝成更全面的圖景，如果想實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，核診斷是至關(guān)重要的。

能效比

提供內(nèi)爆能效比的關(guān)鍵因素包括中子產(chǎn)額、離子(等離子體)溫度和下散射比，通過與燃料中的氫同位素相互作用而散射高能中子和低能中子數(shù)量之間的比率，這是燃料密度和熱點(diǎn)周圍冷燃料分布的指示。同樣重要的還有爆炸時(shí)間（表征內(nèi)爆速度的中子發(fā)射峰值時(shí)間）和燃燒寬度（內(nèi)爆產(chǎn)生中子的時(shí)間長(zhǎng)度）。所有這些參數(shù)，以及其他參數(shù)，都是通過核診斷進(jìn)行評(píng)估的。

核診斷小組組長(zhǎng)阿拉斯泰爾·摩爾(Alastair Moore)說：核診斷基本上是真正測(cè)量燃料密度和溫度的唯一診斷方法。它們對(duì)于了解把燃料組裝得有多好，以及我們離點(diǎn)火有多近是非常關(guān)鍵的。在NIF ICF實(shí)驗(yàn)中，高達(dá)192束強(qiáng)大的激光束加熱被稱為“hohlraum”的圓柱形X射線“烤箱”。X射線壓縮氫同位素，氘和氚(DT)，部分凍結(jié)在一個(gè)懸浮在空腔內(nèi)的微小膠囊中。

如果密度和溫度足夠高并持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，燃料將點(diǎn)燃并產(chǎn)生自我維持的熱核反應(yīng)，通過燃料擴(kuò)散并釋放大量能量，主要以高能中子的形式釋放。內(nèi)爆過程產(chǎn)生的溫度和壓力類似于恒星、巨行星和核爆炸內(nèi)部的溫度和壓力。NIF慣性約束聚變是國(guó)家核安全局庫(kù)存管理計(jì)劃的關(guān)鍵組成部分，NIF實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了包括天體物理、材料科學(xué)和ICF在內(nèi)的高能量密度(HED)科學(xué)研究。

未知的未知

NIF核診斷的一個(gè)特殊價(jià)值是：它們能夠幫助回答研究人員甚至不知道自己有的問題，科學(xué)家們稱之為“未知的未知”。例如，現(xiàn)在位于靶室周圍的四個(gè)中子飛行時(shí)間探測(cè)器陣列顯示，內(nèi)爆中心的微小熱點(diǎn)正以每秒約100公里速度漂移，這表明內(nèi)爆不對(duì)稱，這是性能下降的主要原因。

物理學(xué)家埃德·哈圖尼說：我們最初有兩個(gè)光譜儀，加上第三個(gè)光譜儀，就有了觀察運(yùn)動(dòng)和測(cè)量熱點(diǎn)漂移速度的能力，這完全是意想不到的。這實(shí)際上需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能被接受，這種對(duì)這些探測(cè)器告訴我們的解釋。

研究還揭示了在內(nèi)爆中正在發(fā)生一些沒有人預(yù)料到的事情，熱點(diǎn)可以移動(dòng)，這相當(dāng)令人驚訝。實(shí)際上，有第五臺(tái)光譜儀即將上線，這將使科學(xué)家們有更好的能力來了解熱點(diǎn)正在移動(dòng)，是因?yàn)轵?qū)動(dòng)的它是不對(duì)稱的，還是因?yàn)槲⑶皇遣粚?duì)稱的，還是因?yàn)椤癶ohlraum”是不對(duì)稱的，所有這些可能導(dǎo)致糟糕的內(nèi)爆能效比故障模式，都可以通過讓多個(gè)光譜儀觀察相同的內(nèi)爆來直接診斷。

這還不是全部，在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)中子成像團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)下，來自LANL、LLNL和羅切斯特大學(xué)激光能量實(shí)驗(yàn)室(LLE)的研究人員，現(xiàn)在增加了第三套中子成像系統(tǒng)NIS3，旨在提供內(nèi)爆點(diǎn)火階段燃燒的DT等離子體大小和形狀的三維圖像。

熱點(diǎn)的大小和燃料不對(duì)稱性是由高能中子的圖像確定，冷燃料的面密度，即Rho-R，是從下散射比推斷出來的，面密度是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和聚變?nèi)紵娜剂献罱K配置的重要因素。LLNL物理學(xué)家David Fittinghoff說：隨著NIF邁向更高的性能，理解這些內(nèi)爆的三維本質(zhì)變得至關(guān)重要。

對(duì)于之前的兩條中子成像視線，研究人員不得不對(duì)內(nèi)爆的對(duì)稱性做出一個(gè)假設(shè)?，F(xiàn)在有了新的NIS3，就有了三條正交視線，可以用來重建大量融合等離子，打個(gè)比方，可能就是看到一幅人的畫像和實(shí)際在他的雕塑周圍走動(dòng)之間的區(qū)別。

除了改進(jìn)中子成像，NIS3還提供了成像伽馬射線的視線，這些伽馬射線是由內(nèi)爆過程中殘留目標(biāo)膠囊材料中的碳與聚變中子非彈性散射產(chǎn)生的。這可以幫助研究人員確定膠囊材料與聚變?nèi)剂匣旌系臄?shù)量和效果，聚變?nèi)剂鲜切阅芟陆档囊阎獊碓础?/p>

而且又完成了另一次重大診斷升級(jí)，在目標(biāo)室周圍的戰(zhàn)略位置安裝了48個(gè)實(shí)時(shí)中子激活檢測(cè)器(RT-NAD)陣列。早期的NADS被稱為法蘭NADS，當(dāng)未散射的中子激活鋯樣品時(shí)起作用。將被激活的樣品從小室中移走，并使用現(xiàn)場(chǎng)其他地方的核計(jì)數(shù)技術(shù)來確定激活水平。實(shí)時(shí)NAD探測(cè)器激活是在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的，提供了更好的未散射中子產(chǎn)額角分布采樣，周轉(zhuǎn)更快，操作成本顯著降低。

該系統(tǒng)提供近乎實(shí)時(shí)的中子注量分布測(cè)定，它的中子產(chǎn)額超過兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，提**確到2%或更好的總產(chǎn)額預(yù)測(cè)。由于爆炸壓縮核心中的燃料厚度不同，所以整個(gè)燃燒室的中子產(chǎn)額各不相同。RT-NADS主要是一種方法，當(dāng)微腔內(nèi)爆炸時(shí)，它可以告訴我們?nèi)剂鲜侨绾畏植荚跓狳c(diǎn)周圍的。RT-NADS系統(tǒng)的負(fù)責(zé)科學(xué)家、診斷物理學(xué)家理查德·比昂塔(Richard Bionta)指出：探測(cè)器數(shù)量是法蘭NADS系統(tǒng)的兩倍，靈敏度是法蘭NADS系統(tǒng)的五倍。

在舊系統(tǒng)中，只有一個(gè)探測(cè)器，20個(gè)冰球中的每一個(gè)都被放入探測(cè)器，所以需要5天的時(shí)間才能通過，(RT-NAD)肯定比過去的方式要好得多。理查德花了兩年多時(shí)間開發(fā)管理該數(shù)據(jù)流的能力，有48個(gè)探測(cè)器，每10分鐘讀出一次，產(chǎn)生TB級(jí)的數(shù)據(jù)，需要試著分析這些數(shù)據(jù)，然后把照片重新拼湊起來，看看照片里發(fā)生了什么，大量的數(shù)據(jù)分析也是一項(xiàng)艱難工作，在這里為科學(xué)家們加油！。

博科園｜研究/來自：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)