研究报告

作者及研究机构

这篇研究文章的标题是《A Multi-Channel X-Ray Temporal Diagnostic for Measurement of Time-Resolved Electron Temperature in Cryogenic Deuterium–Tritium Implosions at Omega》。文章发表于 Rev. Sci. Instrum.（Review of Scientific Instruments），2021年第92卷，文章编号023507，在线出版日期为2021年2月17日。研究的主要作者包括 N. Kabadi、A. Sorce、C. Stoeckl、H. W. Sio 等，作者分别隶属于多个研究机构，包括麻省理工学院（MIT）等离子体科学与聚变中心、罗切斯特大学激光能源实验室（LLE）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）以及桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）。

研究背景和动机

本研究通过设计并测试一种多通道X射线时间诊断方法，专注于测量冰冻氘-氚（Deuterium-Tritium，简称DT）内爆中的时间分辨电子温度（Electron Temperature，简称Te），从而探讨热点能量平衡的动态过程。在惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，简称ICF）实验中，DT燃料需要被压缩到极高的密度和温度以实现等离子体的燃烧状态。能量从燃料壳层转移到热点的稳定性和效率直接决定了点火成功与否。

目前，通过融合产物（如DT中子）光谱宽度测量推断的离子温度（Ion Temperature，简称Ti）是热点能量研究的主要手段，但其受剩余流动能量等非热效应的影响较大。而Te因其不受这些非热效应的干扰，可以更精确地反映等离子体的热平衡。因此，研究Te在热点能量动力学中的应用具有重要的科学意义，尤其是在罗切斯特大学“欧米茄”（Omega）激光装置开展的冰冻DT内爆实验中。

研究方法和实验设计

本研究提出了一种新型诊断技术——Cryo Particle X-Ray Temporal Diagnostic（CryoPXTD），升级自现有的PXTD诊断系统。研究主要分为以下几个阶段，逐一介绍具体的设计及实验方法。

1. 诊断系统设计：

CryoPXTD诊断系统结合五个快速响应闪烁计数器通道，通过差分X射线过滤技术，从热点的X射线发射光谱推断时间分辨的电子温度Te(t)。设计包括100微米钛（Ti）滤波器以及100至500微米不同厚度阶梯铝（Al）滤波器组合，目标X射线能量范围为10至20 keV。系统时间分辨率设计为20皮秒（ps），峰值发射时的不确定性小于10%。

研究还进行了模拟实验，利用LILAC流体力学模拟器及SPECT3D软件生成X射线辐射谱，并通过合成诊断评估系统的噪声及信号特性。实验发现五个通道的设计在精确度和噪声鲁棒性之间取得了最佳权衡。

1. 滤波材料选择及优化：

选择五种带不同厚度的钛和铝滤波器，匹配尖晶石（BC-422型）闪烁体的能量吸收范围，以实现对热点能量与中子核观测结果的直接对比。通过实验测定各滤波器的实际传输效率以减少系统误差。

1. 时间响应及光学传输：

使用BC-422型快响应闪烁体，其上升时间小于20 ps。光输送系统设计中优化了色散参数，并增加了窄带宽光谱滤波器以降低散射光的时间色散。此外，设计中的光路进入了拍片机（streak camera），并进行了去卷积处理以恢复实际信号。

实验过程和结果分析

1. 原型系统的测试性能：

研究团队利用现有的中子时间诊断（Neutron Temporal Diagnostic，简称NTD）基础设施，测试了一个四通道鼻锥形原型系统。测试结果验证了物理概念的可行性，同时观察到X射线信号的峰值与核聚变产物DT中子峰值的相对一致性。同时，通过较低温实验环境（非冰冻条件）的高信噪比实验数据进一步探讨了诊断系统的鲁棒性及表现。

1. CryoPXTD的建模验证：

仿真数据结果表明，CryoPXTD测得的时间分辨Te(t)与直接拟合的X射线光谱结果高度一致，不确定性来源主要为噪声。此外，与流体力学模拟工具HYADES的对比表明，测量得到的Te(t)、X射线发射历史及DT中子发射历史在时间尺度和峰值位置上与模拟高度吻合。唯一的差异来源于背景硬件噪声和深低温（Cryo）硬件相关的早期信号，研究团队计划通过改进遮蔽来解决这一问题。

研究结论和意义

本研究验证了一种全新多通道快上升时间X射线诊断系统（CryoPXTD）的设计与实验性能。该系统可实现对Omega装置冰冻DT内爆实验中Te(t)的高时间分辨率和低不确定性测量。此技术的成功搭建为深入探讨热点能量平衡及动态提供了可靠的手段，其精确测量能力可推动惯性约束聚变等离子体物理研究迈入更高精度阶段。此外，此诊断系统通过更换滤波配置，可扩展至其他类型的内爆实验，具备强大的应用潜力。

研究亮点

1. 提出的CryoPXTD诊断系统首次在冰冻DT内爆实验中实现了单次实验中对热点Te(t)的高精度时间分辨测量。
2. 该系统结合多通道差分X射线滤光技术，以优化的滤光及光学设计，有效降低了实验噪声对信号的干扰。
3. 研究中使用的多项仿真工具（如LILAC和SPECT3D）与实验结果一致，证明了理论模型的准确性及实验验证的可靠性。

未来发展

文章提到正在改进诊断系统附近的遮蔽结构，以进一步降低噪声，甚至将崭新的测量精确度提升至峰值不确定性小于5%。该诊断系统未来将用于国家实验室用户设施（NLUF）新实验项目中多种核发射历史的精确测量，有可能极大提升高温等离子体诊断技术的研究水平。