2024年4月4日，美國物理聯合會(hui) 周刊《科學之光(Scilight)》專(zhuan) 題報道了雙錐對撞（DCI）聯合研究團隊近期在創造高密度等容等離子體(ti) 方麵的實驗進展[1]。Scilight是美國物理聯合會(hui) 出版社(AIP publishing)出版的網絡周刊，致力於(yu) 報道AIP發表的具有獨特創新性和重大科學意義(yi) 的物理研究成果，每年僅(jin) 從(cong) AIP旗下30多個(ge) 期刊發表的眾(zhong) 多學術論文中挑選300餘(yu) 篇最值得關(guan) 注的論文進行報道。

高增益激光聚變反應需要用多路激光束對聚變燃料進行穩定壓縮和高效加熱，以便把聚變燃料壓縮並加熱到相當於(yu) 太陽核心的密度和比太陽核心還要高得多的溫度，實現聚變點火與(yu) 燃燒。由於(yu) 傳(chuan) 統的中心點火路徑將球對稱壓縮過程與(yu) 對中心燃料氣囊壓縮做功自加熱的過程耦合在一起，因而帶來了內(nei) 界麵不穩定性和加熱效率較低等困難。與(yu) 之不同的是，“快點火”路徑將壓縮過程和快速外加熱過程分離開來，因而可以分別優(you) 化壓縮與(yu) 加熱過程，使得燃料在壓縮阻滯時刻達到沿加熱方向最大均勻密度，然後通過注入極短脈衝(chong) 的高能電子束實現壓縮燃料的局域高效率等容加熱，實現快速點火和高增益聚變。但是，長期以來，如何產(chan) 生具有均勻密度分布並且有陡峭邊緣的高密度等容等離子體(ti) 一直是實驗上的挑戰，因為(wei) 使用通常聚焦方法產(chan) 生的高密度等離子體(ti) ，其外圍自然存在的冕區等離子體(ti) 會(hui) 使入射的加熱電子束發生偏轉，大幅度降低加熱效率。

DCI聯合研究團隊經過長期的理論和實驗研究，近期在上海光機所“神光II”升級激光裝置上進行的第6-8輪實驗中，證明了通過準確調控等離子體(ti) 噴流的高速對撞過程，可以產(chan) 生高密度的等容等離子體(ti) [2]。在實驗中，他們(men) 將多路納秒激光束聚焦在壓縮金錐內(nei) 的球殼燃料上，產(chan) 生沿金錐軸向的高速內(nei) 爆，經過高度壓縮與(yu) 加速後的高密等離子體(ti) 射流由金錐口出射並與(yu) 對麵金錐口出射的等離子體(ti) 射流實現準確對撞，在阻滯時刻形成了中間密度高、邊緣密度陡的等離子體(ti) ，最後在千特斯拉磁場的引導下，皮秒相對論激光在加熱金錐中產(chan) 生特定能量的高能電子束，注入到高密度等離子體(ti) 中實現快速加熱。由於(yu) 加熱金錐可以直接插入到陡峭邊緣的等容等離子體(ti) 中，因而可以期待高能電子束對等離子體(ti) 局部的高效加熱。這些結果在去年結束的第7輪和第8輪實驗中得到可靠重複，他們(men) 係列實驗的最終目的是實現高效的聚變點火和燃燒。

X射線條紋相機測得的實驗結果表明，在總能量為(wei) 10kJ的納秒激光驅動下，可以形成內(nei) 爆速度穩定在220km/s左右的高速內(nei) 爆等離子體(ti) 噴流。通過機器學習(xi) 精確調控等離子體(ti) 噴流的對撞過程，可以顯著地提高聚變燃料的溫度和密度，並且在高速等離子體(ti) 噴流對撞的界麵沒有觀察到顯著發展的瑞利泰勒不穩定性，顯示了對撞過程的魯棒性。以上實驗結果與(yu) 二維聚變流體(ti) 程序MULTI-2D的模擬結果基本一致。該研究結果不僅(jin) 對DCI方案後續的高能電子束快速加熱過程至關(guan) 重要，對致密簡並天體(ti) 物理的研究也具有重要意義(yi) 。

在過去的一年時間裏，“神光II”升級裝置已被進一步升級為(wei) 具有總能量大於(yu) 32kJ的16路納秒驅動激光束和總能量為(wei) 3.5kJ的2路皮秒激光束的直接驅動快點火研究平台。DCI聯合研究團隊目前正在該研究平台上進行第9輪實驗，目的是實現對磁場引導加熱過程的優(you) 化。

該研究工作以“Observation of the colliding process of plasma jets in the double-cone ignition scheme using an x-ray streak camera”為(wei) 題發表在國際等離子體(ti) 研究界知名期刊《Physics of Plasmas》上。該論文被選為(wei) 當期的編委推薦（Editor's Pick），並被美國物理聯合會(hui) 《科學之光》（Scilight）以《Head-on collision of compressed plasma jets shows promise for high-gain laser fusion》為(wei) 題進行了專(zhuan) 訪報道。該工作由中科院先導專(zhuan) 項、國家自然科學基金和上海市科技創新行動計劃資助。北京師範大學博士生劉正東(dong) 和上海交通大學吳福源副研究員為(wei) 論文共同第一作者，上海交通大學/中國科學院物理研究所張傑院士和北京師範大學仲佳勇教授為(wei) 共同通訊作者。