强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2021年第1期

• 激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

  王立锋, 叶文华, 陈竹, 李永升, 丁永坤, 赵凯歌, 张靖, 李志远, 杨云鹏, 吴俊峰, 范征锋, 薛创, 李纪伟, 王帅, 杭旭登, 缪文勇, 袁永腾, 涂绍勇, 尹传盛, 曹柱荣, 邓博, 杨家敏, 江少恩, 董佳钦, 方智恒, 贾果, 谢志勇, 黄秀光, 傅思祖, 郭宏宇, 李英骏, 程涛, 高振, 方丽丽, 王保山, 王英华, 曾维新, 卢艳, 旷圆圆, 赵振朝, 陈伟, 戴振生, 谷建法, 葛峰峻, 康洞国, 张桦森, 乔秀梅, 李蒙, 刘长礼, 申昊, 许琰, 高耀明, 刘元元

  激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题，因而受到国际社会的普遍重视，一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制，对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科，同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题，高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外，流体力学不稳定性及其引起的湍流混合，还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程，涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展，梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性，在大量分解和综合物理研究基础上，凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来，总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后，展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制，以及聚变靶物理研究与设计，注重理论探索和实验研究相结合，近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果，有力地推动了该研究方向在国内的发展。

• 基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展

  黄显宾, 徐强, 王昆仑, 任晓东, 周少彤, 张思群, 蔡红春, 王贵林, 张朝辉, 贾月松, 孙奇志, 刘盼, 袁建强, 李洪涛, 王勐, 谢卫平, 邓建军,

  基于脉冲功率技术的箍缩装置能够在cm空间尺度和百ns时间尺度产生极端的高温、高压、高密度以及强辐射环境。中物院流体物理研究所在已建成的10 MA级的大型箍缩装置上开展多种负载构型的高能量密度物理实验研究。利用Z箍缩动态黑腔创造出了惯性约束聚变研究所需的高温辐射场；研究了金属箔套筒和固体套筒的内爆动力学特性；利用中低Z材料内爆获得了可观的K壳层线辐射并用于X射线热-力学效应实验研究；磁驱动准等熵加载和冲击加载为材料动态特性研究提供了新的实验能力；采用环形二极管和反射三极管技术的轫致辐射源获得了高剂量（率）的X射线和γ射线；利用磁驱动的径向金属箔模拟了天体物理中恒星射流的形成及其辐射的产生。此外，还介绍了利用反场构型磁化靶聚变装置开展的预加热磁化等离子体靶形成等实验结果。

• 氢及氘的宽区物态方程研究进展

  刘海风, 李琼, 张其黎, 张弓木, 宋红州, 赵艳红, 孙博, 宋海峰,

  氢是自然界最丰富的元素，是天体物理和惯性约束聚变（ICF）研究的重要对象。简要综述了国内外氢及氘宽区物态方程研究进展，特别评述了OMEGA激光装置上的最新冲击压缩实验和理论模型的对比分析情况。在以往数据分析评估基础上，利用改进的化学自由能模型、第一原理数值模拟结果及多参数物态方程模型，构建了氢的宽区物态方程，适用温度、密度范围分别为20～108 K，10−7～2000 g/cm3。与已有多类实验如冲击压缩实验、静高压等温线实验、声速等实验结果对比表明，新构建的氢宽区物态方程具有较高的置信度，为天体物理、惯性约束聚变、国际热核实验堆等工程物理设计提供高精度的支撑数据。氢宽区物态方程的构建及验证方法亦可适用于其同位素氘，该方法构建的氘宽区物态方程与2019年最新发表的主雨贡纽、二次冲击雨贡纽数据的吻合程度明显优于当前国外模型。指出了未来研究需要关注的状态区域。

• 激光惯性约束聚变动理学效应研究进展

  单连强, 吴凤娟, 袁宗强, 王为武, 蔡洪波, 田超, 张锋, 张天奎, 邓志刚, 张文帅, 滕建, 毕碧, 杨思谦, 杨冬, 周维民, 谷渝秋, 张保汉, 朱少平,

  动理学效应的研究是近年来激光惯性约束聚变领域的研究热点，有助于理解实验结果和传统流体模拟之间的偏差。间接驱动黑腔中等离子体的温度、密度跨越多个量级且靶丸组分复杂，在局域的高温低密度区域，粒子的非平衡效应开始变得显著，可能会间接影响内爆性能。对ICF领域动理学效应的概念和部分进展做了简要综述。

• 强流重离子束驱动的高能量密度物理研究进展

  任洁茹, 王佳乐, 陈本正, 徐皓, 张艳宁, 魏文青, 徐星, 马步博, 胡忠敏, 尹帅, 冯建华, 宋莎莎, 张世政, HoffmannDieter, 赵永涛,

  强流高能离子束可以准等容加热任何高密度样品，制备出尺度大、状态均匀、内部无冲击波的高能量密度物质，为实验室研究高能量密度物理提供了一种独特的新手段。介绍了国内外典型的强流重离子加速器装置及其与高能量密度物理相关的关键参数设计和研究规划；展示了基于粒子和流体模拟的离子束驱动高能量密度物质产生和状态演化规律进展；介绍了一套兼具高时空分辨和高穿透力的高能电子成像诊断技术；分析了中低能区离子束与等离子体相互作用过程中的碰撞和电荷交换微观机制，以及激光加速超短超强离子束在等离子体中的非线性输运和欧姆能损机制。

• 激光等离子体不稳定性及其抑制方案研究

  余诗瀚, 李晓锋, 翁苏明, 赵耀, 马行行, 陈民, 盛政明,

  受激拉曼散射、受激布里渊散射等激光等离子体不稳定性（LPI）是激光等离子体物理领域最重要的研究课题之一。特别是在激光驱动的惯性约束聚变中，LPI会造成相当份额的激光能量损失，破坏辐射对称性，产生的超热电子还会预热靶丸，进而影响压缩效率和聚变能量增益。近期，在美国国家点火装置上开展的实验表明对LPI物理过程的充分理解和有效控制对成功实现ICF点火至关重要。我们对近期LPI方面的一系列研究进展进行了简单介绍与讨论。首先，回顾了描述LPI过程的三波耦合理论，由此得出了LPI在线性阶段的增长率。接着讨论了一些复杂情景下的LPI物理过程，譬如LPI的非线性发展阶段、级联LPI、多光束LPI以及LPI间的非线性耦合。最后，着重介绍了一系列抑制LPI的技术方案，包括束匀滑技术、光束时域整形、宽带激光、偏振旋转激光以及外加磁场等。

• 受激散射过程理论模型的发展与应用

  龚韬, 郝亮, 李志超, 刘占军, 杨冬, 郑坚, 刘耀远, 李三伟, 蒋小华, 郭亮, 李琦, 潘凯强, 李欣, 蔡洪波, 郑春阳, 王峰, 杨家敏, 江少恩, 张保汉, 丁永坤,

  在激光间接驱动的惯性约束聚变（ICF）中，高强度激光与低密度等离子体发生相互作用，会激发两种受激散射过程：受激布里渊散射和受激拉曼散射。它们会损失激光能量、破坏辐射场对称性、产生超热电子，从而危害聚变点火过程。因此，理解受激散射的物理过程并找到抑制其发展的有效方法，是ICF研究中重点关注的问题。介绍了中国激光聚变研究团队为研究受激散射过程而发展的多个理论模型，以及这些模型在实验数据分析中的具体应用。这些理论模型与实验研究一起，为提升受激散射过程的物理理解发挥了重要作用。