目前, 随着神光III装置——这个世界上输出能力第二的大型激光装置的建成, 我国已具备了研究极端条件下高能量密度物理领域前沿问题的条件. 中国工程物理研究院(中物院)激光聚变研究中心已经在神光III、神光III 原型以及神光II装置上开展了多年的激光惯性约束聚变(InertialConfinement Fusion, ICF)研究, 取得了大量具有国际先进水平的研究结果, 并发展了一系列达到国际先进技术水平的诊断技术. 本专题将选取部分有代表性的神光装置上的实验, 从黑腔物理、内爆物理、激光等离子体相互作用几个方面较系统地介绍神光系列装置上的实验结果, 同时, 介绍比较有特色的X射线时空和光学诊断技术, 从而达到使相关领域的研究人员快速了解神光系列装置上实验物理领域概貌的目的. 本专题有5篇综述文章, 均由目前国内该领域的一线科技工作者完成, 比较全面地介绍了目前我国在激光装置上取得的实验和诊断方面的进展, 以使读者在短时间内对国内在该领域的状态有一个了解.

(1) 我国激光间接驱动黑腔物理实验研究进展: 文章介绍了近年来我国在激光间接驱动惯性约束聚变中黑腔物理实验研究的进展, 从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性, 介绍了诊断精密化的进展, 初步探索研究了六孔球腔、三轴柱腔、贫铀腔、泡沫金腔等新型黑腔的辐射场特性.

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(2) 间接驱动惯性约束聚变中的激光等离子体不稳定性: 激光等离子体不稳定性中的各种物理过程跨越了很大的时间、空间参数范围, 既要考虑各种微观机制(如粒子碰撞、波-粒子相互作用), 也要考虑各种宏观效应(如波在大尺度时空中的增长和阻尼、电子热传导). 相关问题因为具有丰富的科学内涵, 加上对激光驱动的高能量密度物理研究有十分重要的意义和影响, 一直是国内外研究的热点. 文章从激光(L)、等离子体(P)和不稳定性机制(I)这三个方面介绍了激光间接驱动ICF框架下LPI研究的进展和机遇.

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(3) 间接驱动内爆物理实验研究进展: 经过30多年的发展, 从SG-I到SG-III主机, 从2路1.4 kJ基频驱动到48路180 kJ 三倍频双环驱动, 从早期单一、综合物理量测量到如今分阶段、分过程、多物理量同时诊断, 内爆物理实验研究在深度和广度上都有很大进步, 内爆性能稳步提升, 越来越接近点火参数区间. 但是也应该看到, 越接近点火参数区间, 内爆性能对若干非理想因素影响的敏感程度越高, 对实验条件控制的要求也越严苛, 定量理解实验结果也越困难. 面对此种情况, 一方面可以发展二维、三维程序, 包含已知的所有物理过程的建模, 通过理论和实验的对比, 判断主要影响因素, 及其影响程度; 另一方面, 开展分解实验研究, 确证上述判断的正确性, 以及改进措施的有效性, 努力使实验结果回归一维. 只有在此基础上进行的外推才具有相当的置信度. 文章介绍了在不同时期、不同装置上取得的内爆实验结果, 并对相应的问题进行了思考.

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(4) 基于神光Ⅲ装置的光学诊断系统介绍: 作为ICF物理实验的重要诊断方向, 光学诊断技术在之前的文献和书籍中没有过系统的梳理. 文章介绍了神光装置上配备的比较典型的三种光学诊断系统, 包括成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)、聚变反应速率测量系统以及背向散射光测量系统. 对这三类系统的光学设计、系统特点和典型的实验结果都进行了介绍. 作为基于大科学装置的光学诊断技术, 其设计与工程应用和通常的光学系统设计相比, 有很多自己的特点. 作者试图将这些特点与读者做详细的交流.

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(5) 神光装置上X射线时空诊断技术概况与展望: 结合当前物理实验对诊断技术的特殊要求, 分别介绍了以时间分辨、空间分辨和谱分辨为优势的X射线成像诊断设备. 主要包括, 气室型X射线条纹相机、气室型高灵敏X射线分幅相机、新型展宽型分幅相机、KB显微镜、弯晶成像技术、透射带通技术等. 这方面我们有很多创新性的设计和思路, 可以与读者分享.

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惯性约束对很多从事科学研究的人来说还比较陌生, 但是, 用这种方式产生能量的典型例子是很多人早就知道的大名鼎鼎的氢弹. 氢弹需要原子弹引爆, 爆炸时会释放大量的能量, 但它需要一个临界值, 其体积很大, 其物理过程是不可控的热核反应. 而在地球上实现受控的热核聚变反应, 将有可能为人类提供丰富、经济、安全的能源. ICF是实现受控热核聚变很有希望的途径之一, 是半个多世纪以来科学家们努力追求的目标. 实现可控热核聚变点火(或科学上的得失相当), 必须要满足劳逊判据: nτ≥10¹⁴(s/cm³), 其中n为单位体积燃料核子数, τ为燃料等离子体约束时间, 对应的燃料温度约为10 keV. 从满足劳逊判据角度看, 实现热核聚变的点火有两种途径: 一种是延长箍缩时间; 另一种是提高热核燃料的密度. 第一种途径是磁约束受控核聚变(Magnetic Confinement Fusion, MCF)研究, 它试图将热核燃料氘氚加热到高温, 并设法延长高温的维持时间以达到点火条件. ICF采用第二种途径力争实现点火. 惯性约束的含义就是: 在极高的燃料密度(n)状态下产生聚变反应, 利用物质密度惯性维持所需燃烧时间(τ),当燃料飞散前, 热核燃料nτ值已经达到劳逊判据. 在ICF研究中, 劳逊判据通常写为被压缩靶丸密度ρ和半径R的简单关系: ρR>0.3 g/cm².

自1964年我国科学家王淦昌先生在国际上独立提出激光驱动聚变的建议之后, 中、美、日、法、英、俄等国即开始进行激光驱动ICF的研究, 30多年来, ICF研究已在世界范围内取得了重要进展. 目前, 国际上比较著名的进行ICF研究的激光装置有美国的国家点火装置(NIF)、OMEGA, 法国的兆焦尔(LMJ), 中国的神光II、III系列, 日本的GEKKO等.

由于是综述文章, 每部分的内容不可能很细. 如果读者对某些内容感兴趣, 可以去查阅文章后的参考文献. 希望本专题的发表对国内同行了解激光ICF这个领域起到抛砖引玉的作用, 从而吸引更多的科研工作者关注该领域, 进而投身该领域的发展. 由于作者水平有限, 如果出现部分表述不够准确的地方, 请大家见谅. 同时, 感谢专题论文各位作者的贡献.

王峰, 江少恩

中国工程物理研究院激光聚变研究中心

神光装置实验和诊断技术进展专题·编者按

王峰  江少恩

48(6),065201 (2018) https://doi.org/10.1360/SSPMA2018-00095

我国激光间接驱动黑腔物理实验研究进展

李三伟  杨冬  李欣  等

48(6),065202 (2018) https://doi.org/10.1360/SSPMA2018-00035

间接驱动惯性约束聚变中的激光等离子体不稳定性

杨冬  李志超  李三伟  等

48(6),065203 (2018) https://doi.org/10.1360/SSPMA2018-00056

间接驱动内爆物理实验研究进展

蒲昱东  黄天晅  缪文勇  等

48(6),065204 (2018) https://doi.org/10.1360/SSPMA2018-00011

基于神光Ⅲ装置的光学诊断系统介绍

王峰  关赞洋  理玉龙  等

48(6),065205 (2018) https://doi.org/10.1360/SSPMA2018-00017

神光装置上X射线时空诊断技术概况与展望

曹柱荣  袁铮  陈韬  等

48(6),065206 (2018) https://doi.org/10.1360/SSPMA2017-00366

《中国科学: 物理学 力学 天文学》(中文版)和SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA, 英文版)是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性学术刊物, 均为月刊。英文版SCPMA被SCI, EI, ADS等数据库收录, 2016年影响因子为2.237, Q1区。中文版被Scopus、《中文核心期刊要目总览》、《中国科学引文数据库》等收录, 以出版热点专题和专辑为主。中英文为两本完全独立的刊物。订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号, 手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯, 请添加微信号SCPMA2014或扫描下方图片关注.