快點火激光核聚變和實驗室天體物理中的幾個前沿問題.pdf

激光與光電子學(xué)進展 47 093202 2010 Laser 強激光 快點火激光核聚變 實驗室天體物理 中圖分類號 O437 OCIS 320 2250 320 7710 文獻標識碼 A Frontier of High2Power2Laser2Based High Energy Density Physics Li Yutong BeijingNational Laboratory for Condensed Matter Physics Institute of Physics Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China Abstract High energy density physics HEDP is a rapidly growing frontier field in which new physical phenomena are rich and important applications have been applied or prospected The matter of high energy density is normal in universe However with the developments of high2power laser Z 2pinch andion accelerator facility it is feasible to create such matter in laboratories New developments and important scientific problems of high 2power laser2based HEDP particularly on the fast ignition of inertial confinement fusion and laboratory astrophysics arebriefly introduced Key words high energy density phyics high power laser fast ignition of inertial confinement fusion laboratory astrophysics 收稿日期 2009 212215 收到修改稿日期 2010203201 基金項目 國家 973 計劃 2007CB815101 和國家杰出青年科學(xué)基金 10925421 資助課題 作者簡介 李玉同 1968 男 研究員 主要從事強激光與物質(zhì)相互作用和高能量密度物理等方面的研究 E 2mail ytli aphy iphy ac cn 1 高能量密度物理研究的現(xiàn)狀和科學(xué)問題 高能量密度物理 HEDP 是近年來發(fā)展起來的交叉前沿領(lǐng)域 是一門研究能量密度超過 1011J m3 相當 于壓力超過 1011Pa 極端物理條件下物質(zhì)結(jié)構(gòu)與特性及其發(fā)展規(guī)律的科學(xué) 通常極端的高能量密度物理狀 態(tài)只存在于天體以及核武器的爆炸中 近年來 隨著高功率激光器 高能粒子束和 Z 2箍縮發(fā)生器的能量 功 率的不斷提高 使得在實驗室產(chǎn)生高能量密度物理狀態(tài)的條件日益成熟 另外 基于高性能計算機的大規(guī)模 數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展 也使得這一領(lǐng)域的研究更加廣泛和深入 高功率激光器是從事 HEDP 研究的重要實驗裝置 利用不同輸出能量和脈沖寬度的激光裝置 可以產(chǎn) 生非常廣泛的高能量密度狀態(tài) 用于 HEDP 研究的強激光可以分成兩大類 一類是能量從幾千焦耳到百萬 焦耳 脈寬在納秒量級的高功率激光 在靶面的聚焦光強 單位時間單位面積的能量 為 10 13 10 15 W cm 2 典型代表是美國利弗莫爾國家實驗室新建成的國家點火裝置 NIF 總能量約1 8 MJ 脈寬5 10 ns 共 192 束 日本的 Gekko XII0 我國的 神光0 法國正在建設(shè)的兆焦耳 LMJ 裝置都屬于這一類 另一類高功率激 09320221 47 093202激光與光電子學(xué)進展www opticsjournal net 光是基于脈沖啁啾放大 CPA 技術(shù)的超短超強激光 這類激光又可以分成兩種 一種是能量從幾十到幾千 焦耳的皮秒激光器 一種是能量在毫焦耳到幾十焦耳量級的飛秒激光器 和第一類裝置相比 利用 CPA技 術(shù)在臺面尺寸上就可以建造峰值功率提高 6 7個量級的小型強激光裝置 雖然能量不是很大 但是由于脈 寬很短 其聚焦光強可以大于 1020W cm2 這給物理學(xué)的研究提供了革命性的手段 由于造價低 此類激 光器廣泛應(yīng)用于各大學(xué)和一般的激光實驗室 研究的物理問題也極其豐富 在電子 離子加速 超快 X 射線 光源和阿秒科學(xué)等多方面都展現(xiàn)出了極大發(fā)展前景和潛力 國際上代表性的裝置是歐盟超強激光 ELI 裝 置 其設(shè)計峰值功率為 220 PW 聚焦光強為 1025W cm2 美國對 HEDP 的研究極為重視 為了對 HEDP 進行全面的評估 美國國家研究委員會 NRC 于 2001 年 成立了 HEDP 專門委員會 對極端條件下的物理研究進行規(guī)劃和前景分析 經(jīng)過認真調(diào)研和總結(jié) 該委員 會發(fā)布了題為 高能量密度物理學(xué)前沿2當代科學(xué)的 X 策略0的報告 1 這份報告系統(tǒng)總結(jié)和評估了美國在該 領(lǐng)域的現(xiàn)狀 歸納出了17 個重大科學(xué)問題 指出當前正是研究HEDP 的重大機遇期 是做出重大突破的好時 機 向美國國家實驗室和大學(xué)強烈推薦開展 HEDP 研究 并建議政府予以大力資助 基于強激光的 HEDP 的研究內(nèi)容極為豐富 這里僅給出 6 個目前國內(nèi)外學(xué)者非常感興趣的研究方向和 問題 1 激光慣性約束核聚變 對未來能源有重要意義 也與核武器物理密切相關(guān) 2 新型小型化電子 離子加速器 具有極大的加速梯度 可以降低加速器造價 在高能物理和醫(yī)療等方面 有重要應(yīng)用 3 新型輻射源 可以產(chǎn)生從太赫茲到 C射線波段的高功率輻射 4 天體物理過程的實驗室模擬 在實驗室中進行主動 可控 近距的天體物理現(xiàn)象再現(xiàn)和模擬 可以極大 擴充人類對于自然界的認知 5 阿秒超快物理 6 和其他學(xué)科的交叉研究方向 比如超快化學(xué) 生物等 這些問題的研究對于認識基本物理規(guī)律 未來能源和武器研究等有重要影響 限于篇幅 本文只簡單討 論與快點火激光核聚變和實驗室天體物理有關(guān)的幾個問題 2 快點火激光核聚變 傳統(tǒng)的慣性約束核聚變主要通過對氘氚靶丸的均勻向心壓縮 加熱而產(chǎn)生的中心點火來實現(xiàn) 2 如果 激光的焦斑不均勻或者靶面不夠光滑 就會在有加速度的兩種密度不同的流體界面上發(fā)生瑞利2泰勒不穩(wěn) 定 這種不穩(wěn)定會把靶丸壓縮過程中出現(xiàn)的任何不均勻指數(shù)放大 從而造成壓縮失敗 所以慣性約束核聚變 對激光輻照的球?qū)ΨQ性和均勻性有極高要求 傳統(tǒng)的慣性約束核聚變有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動兩種方式 無論哪種方式 都是為了對核燃料靶丸進行 壓縮 使靶丸中心的溫度和密度滿足瑞利判據(jù) 實現(xiàn)自持燃燒 要達到這樣的條件 需要兆焦耳量級的大型 激光裝置 美國的 NIF 法國的 LMJ 裝置都采用的這一技術(shù)路線 CPA 技術(shù)使得激光的脈寬大幅度縮短到皮秒和飛秒量級 從而靶面的聚焦強度達 1018 1020W cm2甚 至更高 在這樣高的強度下 電子在激光場中的運動處于相對論狀態(tài) 振蕩速度接近光速 其能量可以遠大 于電子的靜止質(zhì)量 0 511 MeV 因此能夠產(chǎn)生能量很高的電子束流 據(jù)此人們提出了 快點火0激光核聚 變的概念 就是當靶丸壓縮到一定程度后 再利用一束超強激光與靶丸相互作用 產(chǎn)生高能電子束流 由電子 束流將能量傳輸 沉積到靶丸內(nèi)部 實現(xiàn)點火 3 目前日本大阪大學(xué)的聚變實驗激光器 LFEX 計劃和歐洲 的高功率激光能量研究設(shè)施 HiPER 計劃都是圍繞快點火方式展開的 圖 1 為快點火和中心點火產(chǎn)生的理論能量增益與驅(qū)動激光能量的關(guān)系 如圖所示 快點火是一種低閾 值 高增益 高效率的方案 0 1 0 2 MJ 的驅(qū)動能量就可以得到大于 10 的增益 而要得到類似的增益 中 心點火方案需要大于 1 MJ 的激光能量 由于對壓縮要求的降低 快點火還可以避免中心點火中遇到的流 體力學(xué)不穩(wěn)定性問題 從而大大降低了對靶的設(shè)計 光束質(zhì)量和輻照均勻性的要求 從長遠角度講 快點火 的高增益為解決未來的能源問題提供了新的思路 09320222 47 093202激光與光電子學(xué)進展www opticsjournal net 圖 1 快點火和中心點火產(chǎn)生的增益與驅(qū)動激光 能量的關(guān)系 Fig 1 Relation between energy gain and driving laser energy in fast ignition and central ignition 雖然快點火很有特點 但是還有一些關(guān)鍵問題需要 進一步研究 這些問題主要包括 1 長脈沖激光對空心 氣體靶丸的對稱壓縮問題 尤其是近年發(fā)展起來的錐殼 靶對稱壓縮問題 錐殼靶問題將在后面談到 2 超強加 熱激光脈沖在等離子體中的開通道和能量吸收問題 如 果采用錐殼靶方案 將主要考慮錐靶內(nèi)部的物理過程 3 超熱電子的產(chǎn)生 輸運和能量沉積問題 4 點火后的持續(xù) 燃燒問題 其中第 3 點是關(guān)系到快點火能否成功的關(guān)鍵 問題 快點火概念要求在激光等離子體作用中 入射激光 能量能夠有效地轉(zhuǎn)移給電子 產(chǎn)生一束高質(zhì)量的超熱電 子束 實驗和粒子模擬都證明 激光到超熱電子的轉(zhuǎn)換 效率可以達到 20 40 超熱電子的產(chǎn)生和激光吸 收機制密不可分 人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和提出了多種超強激光與高密度等離子體相互作用的能量吸收和超熱電子 加速機制 比如 共振吸收 J B 加熱 真空加熱 隨機加速 拉曼散射等參量不穩(wěn)定性 相對論通道中的 B2loop機制和逆自由電子激光機制等 超熱電子只能在臨界密度面以下的區(qū)域產(chǎn)生 之后會以強電流的形式向高密度靶丸輸運 為了滿足點 火要求 需要把 10 20 kJ 的能量在 10 20 ps 的時間內(nèi)傳輸并沉積在靶芯中 所以超熱電子的束流強度將 高達幾百兆安 甚至吉安 在真空中 由于自生磁場的作用 電流傳輸存在一個所謂的阿爾芬極限電流 如果 電流強度超過該極限 電流將不能向前傳播 在等離子體中 通過背景冷電子回流對超熱電子束流誘生電場 的補償 超熱電子束流仍然可以向靶丸輸運 但是這種對流的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的 有可能激發(fā)雙流不穩(wěn)定和橫 向的 Weibel 不穩(wěn)定性等 從而導(dǎo)致電流成絲 合并 強自生磁場和電場 等離子體歐姆加熱等復(fù)雜的物理 過程 從超熱電子產(chǎn)生區(qū)域 臨界密度面附近 到靶丸中心的距離為 200 300 Lm 但在這么短的空間尺度內(nèi) 電子密度卻提高了 5 6 個數(shù)量級 為了避免加熱強激光在低密度區(qū)的傳播和降低超熱電子束流的輸運距 圖 2 快點火錐殼靶結(jié)構(gòu) Fig 2 Conical tanget struoture of fast ighition 離 提高激光到靶丸的總體耦合效率 日本大阪大學(xué)在 2001 年提出了一種空心錐殼靶方案 4 5 如圖 2 所示 靶由直徑 500 Lm 的內(nèi)爆 CD 球殼和錐角 60b 錐尖厚 度5 Lm的空心錐兩部分組成 錐尖到 CD 殼中心的距 離為 50 Lm 實驗中首先用 Gekko XII0的 9 束脈寬 1 2 ns 總能量 2 5 kJ 的激光壓縮 CD 靶殼 之后用一 束脈寬0 5 0 8 ps 最大能量 300 J 和波長 1 053 Lm 的加熱脈沖從空心錐注入 在錐頂部產(chǎn)生超熱電子 這 些電子輸運到靶丸中心 產(chǎn)生局域加熱 實驗表明 采 用錐靶后 中子產(chǎn)額可以提高 3 個數(shù)量級 該項研究引起了激光核聚變領(lǐng)域的廣泛關(guān)注 雖然該實驗很成功 但是在錐靶中發(fā)生的物理過程一開 始并不是很清楚 數(shù)值模擬表明 錐靶會起兩個重要作用 6 一是加熱激光脈沖外圍的能量并導(dǎo)引到頂端 從而使相互作用強度增大 提高了激光到等離子體的耦合效率 另一個是在錐靶內(nèi)壁產(chǎn)生的高能電子也被導(dǎo) 引到錐尖 其能量最終沉積到壓縮靶丸中 中國科學(xué)院物理研究所對這一物理過程進行的實驗和理論研究 發(fā)現(xiàn) 當強激光的入射角較大時 會在沿著靶面方向產(chǎn)生方向性很好的超熱電子束 這一結(jié)果對錐靶引導(dǎo)超 熱電子這一認識的有力支持 7 快點火概念也在不斷的演化和完善中 近年人們提出了一些新的改進方案 實驗和理論都發(fā)現(xiàn) 在超強 激光與等離子體相互作用中 除了超熱電子外 還可以產(chǎn)生高能離子 8 在快點火的常規(guī)方案中 超熱電子 是將激光能量轉(zhuǎn)移到高密度壓縮區(qū)的重要能量載體 但是超熱電子的射程長 很容易穿過聚變靶丸 所以能 09320223 47 093202激光與光電子學(xué)進展www opticsjournal net 量沉積效率較低 而高能離子可以把激光能量高效率地沉積在靶丸中 更有利于形成聚變熱斑 所以人們提 出了 超熱電子 高能質(zhì)子0混合點火方案或者離子點火方案 為了使激光2等離子體耦合層靠近高密度壓縮靶丸 早期的快點火方案需要在亞稠密等離子體區(qū)域開通 道和在過稠密等離子體區(qū)域利用有質(zhì)動力打孔 近年有人提出了一種不需要打孔的快點火方案 其中心思 想是將一束整形激光脈沖的能量有效沉積在預(yù)壓縮靶丸的冕區(qū) 依靠產(chǎn)生的熱波從能量沉積區(qū)掃過核燃料 區(qū)實現(xiàn)點火 理論研究發(fā)現(xiàn)該方法的效率和中心點火相當 而且對預(yù)壓縮靶丸的質(zhì)量分布非對稱性不敏感 3 實驗室天體物理模擬 一直以來 天文學(xué)家對天體現(xiàn)象的主要研究方法是被動的遠距離觀測和理論模擬 然而 對于一些天文 現(xiàn)象的研究 要么由于觀測資料太匱乏 對其特性的研究僅限于推測 要么由于距離地球太遠 不易觀測 或 者是由于演化時間太長 在有限的時間內(nèi) 很難有一個比較全面的認識 高功率激光技術(shù)的快速發(fā)展給天體 物理研究帶來了新的機遇 利用高功率激光裝置 人們能夠在微米2毫米量級尺度內(nèi)聚積巨大的能量 可在 實驗室中創(chuàng)造與天體現(xiàn)象相似的極端物理條件 這樣的實驗條件是前所未有的 又與天體物理中一些重要 的 關(guān)鍵性的問題直接對應(yīng)的 這為科學(xué)家們在實驗室中對天體問題進行主動 近距 可控的研究提供了新 思路和新方法 由此出現(xiàn)了一個新興的學(xué)科實驗室天體物理學(xué) 9 利用強激光和物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的等離子體可以模擬諸多天體物理的過程 如天體輻射不透明度 表面 大氣對白矮星和中子冷卻影響 恒星狀態(tài)方程 天體等離子體光譜 超新星不穩(wěn)定性和天體射流等 本文只 對致密天體產(chǎn)生的光電離和無碰撞沖擊波過程進行簡單介紹 3 1 致密天體 黑洞 輻射產(chǎn)生的光電離 黑洞有著巨大的引力場 連光都無法逃逸 所以人們無法對它的內(nèi)部狀態(tài)進行直接觀測 為了研究黑 洞 天文學(xué)家將目光集中到了黑洞周圍被稱為 吸極盤0的旋轉(zhuǎn)物質(zhì)云團上 在吸極盤內(nèi)環(huán)附近 物質(zhì)流的重 力能將物質(zhì)加熱到極高溫度 產(chǎn)生的 X 射線輻射會電離外圍物質(zhì)從而發(fā)光 天文學(xué)家正是通過觀測這些光 電離譜線 再結(jié)合一定的理論模型 對黑洞進行間接研究的 所以譜線的辨認和理論模型的正確與否 對于 認識黑洞極其關(guān)鍵 早在 2000 年 中國科學(xué)院物理研究所和國家天文臺的研究組就開始了實驗室天體物理的理論和實驗研 究 過去幾年 他們與日本 韓國的科學(xué)家合作 利用上海高功率激光物理國家實驗室的 神光 0和日本大 阪大學(xué)的 Gekko XII0等強激光裝置 對黑洞周圍的光電離過程以及發(fā)出的 X 光輻射進行了細致的實驗研 究 其中和日本合作利用 Gekko XII0得到的前期結(jié)果已發(fā)表 10 實驗中采用 12 路激光脈沖對稱壓縮一個 500 Lm 的 CH 靶丸 由此產(chǎn)生了一個約 500 eV 輻射溫度的強 X 射線光源 之后 用該光源對另一個低密度 硅等離子體進行光電離 通過對實驗結(jié)果的分析 以及與天文觀測數(shù)據(jù)的對比 發(fā)現(xiàn) Si 的 1 84 keV 譜線可 能不是天文學(xué)家認為的 禁戒0躍遷線 而是另一種伴線躍遷的結(jié)果 該躍遷產(chǎn)生的譜線恰好和天文觀測到的 禁戒0躍遷譜線重合 這個譜線與天文觀測到的雙星系統(tǒng)的 X 射線譜對應(yīng)部分極其相似 如 Cygnus X 23 和 Vela X21 但本實驗利用細致 Non2LTE 模型對譜線成分特征的分析 卻給出了與天體物理學(xué)家不同的 解釋 該實驗結(jié)果有助于加深人們對致密天體周圍物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識 3 2 無碰撞沖擊波實驗?zāi)M 無碰撞沖擊波這一概念最早是 Roald Sagdeev 在 1966 年提出的 他指出沖擊波可以不通過碰撞機制形 成 在很長的一段時間內(nèi) 這一概念遭到大量的質(zhì)疑 直到在外太空首次觀察到無碰撞沖擊波為止 目前 無碰撞沖擊波已經(jīng)是天體物理中十分重要的現(xiàn)象之一 人們在超新星爆發(fā)的過程中以及地球和太陽之間均 觀察到了這種無碰撞沖擊波 超新星是恒星演化的最終階段 也是最激烈的天體現(xiàn)象之一 由于超新星與 元素的演化 恒星的演化 高能粒子與物質(zhì)的相互作用等許多天體物理的前沿課題有著密切的關(guān)系 因此對 超新星的研究在天體物理中占有很重要的位置 在對超新星爆發(fā)過程的觀測中 多次記錄到了無碰撞沖擊 波的產(chǎn)生 并且觀測到大量的高能宇宙射線和高能離子 通過對天文觀測的結(jié)果進行分析 天體物理學(xué)家普 遍認為 無碰撞沖擊波中存在大量的能量傳遞和耗散機制 與高能粒子和宇宙射線的產(chǎn)生密切相關(guān) 所以其 被越來越多的人們所關(guān)注 09320224 47 093202激光與光電子學(xué)進展www opticsjournal net 中國科學(xué)院物理研究所和國家天文臺研究組與日本 韓國的科學(xué)家合作 利用上海高功率激光物理國家 實驗室的 神光 0強激光裝置 最近對無碰撞沖擊波的形成和演化過程進行了細致的實驗室研究 實驗利 用 神光 0激光裝置的 8 路激光 分南北兩大束聚焦到兩個 CH 薄膜上 產(chǎn)生兩個高速 低密度 相向膨脹的 等離子體 利用陰影成像和干涉儀對這兩個等離子體的碰撞過程進行了觀察 對于實驗產(chǎn)生的等離子體條 件 由于離子的平均自由程遠大于兩個等離子體的尺度 所以庫侖碰撞機制不是兩個等離子體間相互作用的 主要機制 由此可知實驗觀察到的密度變化主要是由于兩個等離子體之間的無碰撞機制產(chǎn)生的 所以被稱 為無碰撞沖擊波 在實驗室中對無碰撞沖擊波的觀測有助于理解天體中的無碰撞沖擊波的物理過程 4 結(jié)束語 對高能量密度物理的現(xiàn)狀和幾個前沿問題進行了簡單介紹 高能量密度物理是一個充滿新的物理現(xiàn)象 和具有重要應(yīng)用前景的交叉前沿領(lǐng)域 涉及到物理學(xué)的多個學(xué)科 目前正處于一個快速上升時期 我國應(yīng)抓 住這一機遇 根據(jù)我國的特點不失時機地開展理論與實驗研究 就本文主要討論的快點火激光核聚變和實驗室天體物理而言 由于目前還不具備進行真實快點火激光 核聚變總體實驗的條件 所以對快點火方案進行合理的分解實驗 對其中的物理過程和所需的激光器技術(shù)分 別進行研究 以達到對這一方案的可行性進行判斷的目的 是目前激光等離子體研究領(lǐng)域的重要課題 此 外 雖然在實驗室中開展天體物理研究這一新興學(xué)科還有待于進一步發(fā)展 但其可行性已為國內(nèi)外的實驗和 理論證實 這為天體物理學(xué)研究提供了新的方法和思路 對擴充人類的認知有重要意義 參考文獻 1 R C Davidson Frontiers in High Energy Density Physics R National Research Council The National Academies of USA 2002 2 Zhang Jie An overview of inertial confinement fusion J Physics 1999 28 3 142 152 張 杰 淺談慣性約束核聚變 J 物理 1999 28 3 142 152 3 M Tabak J Hammer M E Glinskyet al Ignition and high gain with ultrapowerful lasers J Phys Plasmas 1994 1 5 1626 1634 4 R Kodama P A Norroys K Mima et al Fast heating of ultrahigh2density plasma as a step towards laser fusion ignition J Nature 2001 412 6849 798 802 5 R