本文发表于2014年5月28日，刊载于《Physics of Plasmas》期刊（卷21，期5，文章编号056318），由A. J. Mackinnon等来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）、麻省理工学院等离子体科学与聚变中心、罗切斯特大学激光能量学实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、通用原子公司以及德国Diamond Materials GmbH等多家研究机构的庞大团队共同完成。
学术背景与研究目标 本研究聚焦于惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion， ICF）领域，具体针对国家点火装置（National Ignition Facility， NIF）上进行的间接驱动（X射线驱动）聚变实验。在ICF“热点点火”方案中，球形烧蚀层（ablator）在X射线照射下向外烧蚀，从而向内加速并压缩中心的氘氚（DT）燃料层，最终达到高温高密度条件引发热核聚变。烧蚀层材料的选择对实现高效、稳定的内爆至关重要。
研究团队的核心科学目标是：评估高密度碳（High Density Carbon， HDC）作为一种新型烧蚀层材料在NIF上应用的可行性与性能。传统上，NIF的基准点火设计使用塑料（CH）作为烧蚀层材料。HDC（即纳米晶金刚石）具有更高的密度（约3.5 g/cc， CH为1 g/cc），这带来一系列潜在优势：更薄的初始烧蚀层、更大的初始内半径（在相同外径下）、更高的X射线吸收效率以及更短的所需激光脉冲。此外，HDC可以被抛光至极高的表面光滑度，可能减少由表面缺陷引发的流体力学不稳定性（Hydrodynamic Instability， HI）种子。然而，HDC在冲击波作用下的熔化行为及其对冲击波均匀性的影响是未知的关键问题，需要在实验中进行验证。
因此，本研究旨在通过一系列精心设计的NIF实验，系统探究HDC烧蚀层在两种不同黑腔（hohlraum）环境——传统气体填充黑腔和近真空黑腔——中的表现，并与传统的CH烧蚀层性能进行对比，以确定HDC是否能够克服潜在障碍，成为实现高性能、乃至点火级内爆的优选材料。
详细工作流程 本研究并非单一实验，而是一个包含多个实验步骤、旨在全面评估HDC性能的综合性研究项目。工作流程可以概括为以下几个主要阶段：
第一阶段：前期验证与设计约束确定 在开展全尺寸内爆实验前，研究团队首先在OMEGA激光装置上进行了关键的平面靶实验，以解决一个基础物理问题：HDC在冲击波作用下的状态与均匀性。实验使用时间分辨的二维速度干涉仪（VISAR）测量了冲击波穿过HDC和铍（Be）平面样品时的速度均匀性。结果表明，在较低的冲击压力（如4.5 Mbar）下，HDC的冲击波前均匀性较差，这与其未完全熔化有关。当冲击压力提升至8 Mbar时，HDC部分熔化，其冲击波均匀性得到显著改善，达到了与可接受的Be材料相当的水平。这一关键结果为NIF上的HDC内爆设计设定了一个基本约束：第一道冲击波的强度必须超过6 Mbar，以确保HDC处于共存或熔化状态，从而获得可接受的冲击波均匀性。所有后续NIF实验的脉冲形状设计都满足这一要求。
基于此约束和ICF物理，研究团队利用辐射流体动力学模拟代码（如HYDRA）进行了大量的1维、2维和3维模拟，以设计适用于HDC的激光脉冲形状和靶丸结构。设计面临的核心权衡是：低绝热线（adiabat， 约1.5）脉冲能实现高燃料压缩，但对流体力学不稳定性更敏感；高绝热线（约2-3.5）脉冲压缩较低，但稳定性更好。研究设计了两种主要脉冲形状用于实验验证：一种是用于气体填充黑腔的4冲击波、低绝热线（a≈1.5）脉冲（时长约10 ns）；另一种是用于近真空黑腔的2冲击波、高绝热线（a≈3.7）脉冲（时长约6 ns）。HDC靶丸采用未掺杂的纯金刚石，厚度分别为76微米（4冲击波实验）和86微米（2冲击波实验）。作为对比，传统的CH靶丸则含有硅掺杂层。
第二阶段：气体填充黑腔实验（4冲击波脉冲） 此阶段旨在HDC与传统CH烧蚀层在相同的、已充分研究的实验平台上进行直接比较。实验使用了填充氦气（密度~1.2 mg/cc）的黄金黑腔，激光能量约1.3 MJ，峰值功率约360 TW。 1. 实验序列：首先进行了“锁眼”靶实验，以评估背向散射和黑腔性能，并校准冲击波 timing。接着进行了1维会聚烧蚀层实验，测量飞行中的靶丸速度、壳层厚度和热点形状。最后，进行了填充氘氚（DT）气体的冷冻对称靶丸实验，以评估核性能。 2. 关键实验与诊断：核心的DT气体填充对称靶丸实验使用了全套NIF诊断设备。激光-黑腔耦合效率通过背向散射诊断（FABS， NBI）测量。X射线驱动由Dante谱仪测量。内爆对称性通过X射线分幅相机拍摄的自发光或背光图像获得。核性能由中子飞行时间（nTOF）谱仪、磁反冲谱仪（MRS）等测量中子产额、离子温度、bang time（峰值时刻）和burn width（燃烧宽度）。下散射中子比（DSR）用于推断燃料面密度和剩余烧蚀层质量。 3. 数据处理与分析：将实验测量数据（如中子产额、bang time、X射线图像形状参数、DSR等）与使用HYDRA进行的后验模拟（post-shot simulation）结果进行详细对比。后验模拟根据实际送达的激光能量、测量的X射线能谱（特别是M带份额）等因素对模拟输入进行了调整，以尽可能准确地复现实验条件。
第三阶段：近真空黑腔实验（2冲击波脉冲） 此阶段旨在探索一种可能更高效的内爆方案。由于2冲击波脉冲更短，有望使用气体填充极少的近真空黑腔（NVH， He密度~0.03 mg/cc），从而减少背向散射损失、提高耦合效率。但挑战在于对称性控制，因为缺乏气体抑制壁运动可能导致内束传播受阻。 1. 实验序列：同样以“锁眼”靶实验开始。随后进行了填充氘气（DD）的冷冻对称靶丸实验，评估对称性和核性能。最后，进行了最具挑战性的实验：使用含有THD（T: 75%， H: 23%， D: 2%）冰层的HDC靶丸，进行2维会聚烧蚀层测量。THD冰层可降低中子本底，允许在高收敛比下使用X射线背光成像。 2. 关键实验与诊断：DD对称靶丸实验用于测量高耦合效率下的内爆性能。THD 2DConA实验是重中之重：使用镍背光（7.8 keV）和门控X射线相机，在bang time前数百皮秒对正在内爆的、带有冰层的壳层进行2维背光成像，直接测量壳层速度、形状和剩余质量。同时，结合中子产额、离子温度和绝对X射线发射（通过SPBT探测器）的测量，可以估算烧蚀层材料混合进入热点的程度。 3. 数据处理与分析：从2D背光图像中提取壳层半径和形状（如P2/P0不对称性），计算壳层速度，并通过与模拟对比推断燃料速度。将测量的X射线发射率与纯DT等离子体模型预测值比较，推断出混合到热点中的碳杂质质量。将所有这些观测结果与考虑了实际激光能量和测量能谱的后验模拟进行系统比较。
主要研究结果 气体填充黑腔实验结果：使用HDC烧蚀层的DT气体填充对称靶丸实验取得了当时气体填充内爆的最高中子产额：1.6×10^15 ± 3×10^13，离子温度为2.9 keV，燃烧宽度340 ps。X射线图像显示热点相当对称（平均半径57微米， P2/P0 = 0.19）。推断的热点压力为32.5 Gbar。下散射中子比（DSR=0.01）与后验1维模拟值（0.011）吻合良好，表明剩余烧蚀层面密度约为0.5 g/cm²，与模拟一致。1维会聚烧蚀层实验测量的飞行中壳层厚度（在半径300微米处为45微米）也与模拟相符。这些结果表明，该内爆接近1维性能，后验模拟给出的产额达到了1维模拟预测值的70%。与使用相同黑腔平台、相似收敛比的CH烧蚀层实验相比，HDC实验的产额高出约2倍。
近真空黑腔实验结果：DD气体填充对称靶丸实验展示了近真空黑腔的极高效率：激光-黑腔耦合效率达到98%，中子产额创下DD气体填充内爆的记录（2.4×10^13）。X射线bang time为7.77 ns，与模拟推断的极高壳层速度（430 km/s）一致。THD冰层实验的结果更为关键：2维背光成像显示，在bang time前约350 ps，壳层速度达到385 ± 20 km/s，形状相当圆（P2约2微米）。通过与模拟对比，推断的燃料速度高达410 ± 20 km/s。这显著高于使用气体填充黑腔和CH烧蚀层的类似实验所能达到的速度。更重要的是，通过比较中子产额和绝对X射线发射，推断出混合进入热点的碳质量小于90纳克，与零混合一致。这表明，在这种高绝热线、未掺杂的HDC设计中，烧蚀层-燃料界面混合得到了有效抑制。然而，实验也揭示了近真空黑腔的一个问题：后期内束传播受阻导致了对称性摆动，虽然通过动态调整内外束能量比（动态束分相）进行了部分补偿，但仍产生了从极区向内的流体力学射流，这导致THD实验的产额仅为1维预测值的10-20%，远低于收敛比较低的DD对称靶丸实验。
结论与意义 本研究得出以下核心结论： 1. HDC是一种可行且高性能的ICF烧蚀层材料：在传统气体填充黑腔中，HDC烧蚀层实现了比同等CH设计更高的产额和接近1维的性能，证明了其在高密度烧蚀层材料中的领先地位。 2. 近真空黑腔与HDC结合是一条有前途的高效内爆路径：实验证实了使用近真空黑腔驱动短脉冲、高绝热线HDC内爆的可行性，实现了极高的激光耦合效率（98%）和创纪录的DD产额。更重要的是，在带有THD冰层的高收敛比实验中，获得了高达410 km/s的燃料速度，且未观察到烧蚀层混合进入热点，这证明了该方案在实现高速、低混合内爆方面的潜力。 3. 挑战与未来方向：近真空黑腔方案面临的主要挑战是后期内束受阻导致的对称性控制问题。论文指出，通过增大黑腔尺寸（增加腔-囊比）、重塑激光入口孔附近的黑腔形状、以及选择中等水平的气体填充密度来平衡等离子体填充和激光等离子体不稳定性，有望改善对称性控制。这将为将这种高效方案扩展到更低绝热线、更长脉冲（如3冲击波， a≈2）的设计开辟道路。
本研究的科学价值在于，首次在NIF上系统性地实验验证了HDC烧蚀层在两种不同驱动环境下的综合性能，不仅展示了其相对于传统材料的优势，而且探索并验证了一条结合近真空黑腔的高效内爆新途径。这些结果为未来追求更高性能、乃至点火的ICF靶设计提供了重要的实验依据和明确的技术发展方向。
研究亮点 1. 材料特性的前沿验证：研究始于对HDC基础物性（冲击波诱导熔化与均匀性）的精密OMEGA实验，将材料科学与极端条件物理紧密结合，为NIF实验奠定了坚实的物理基础。 2. 多平台系统性对比：研究设计并执行了从基础物性测量、到气体填充黑腔对比实验、再到近真空黑腔创新实验的完整链条，并在同一研究中直接对比了HDC与CH的性能，论证逻辑严密。 3. 创新性的实验方案：采用近真空黑腔驱动短脉冲、高绝热线、未掺杂HDC靶丸的方案，是一个重要的概念创新。该方案成功实现了超高耦合效率和高速低混合内爆，展示了绕过传统气体填充黑腔能效瓶颈的可能性。 4. 诊断与分析的全面性：综合利用了NIF上最先进的激光、X射线、核诊断手段，特别是2维背光成像与核诊断相结合，能够同时获取内爆动力学（速度、形状）和性能（产额、混合）的多维度信息，对结果进行了交叉验证和深入解读。 5. 明确的工程指导意义：研究不仅报告了实验结果，更基于实验结果指出了当前方案的局限性（如近真空黑腔的对称性问题）并提出了具体、可行的工程改进方案（增大黑腔、重塑形状、优化气体填充），对后续实验设计具有直接的指导价值。