点火装置 美国国家点火装置
这些图像显示了实验中使用的胶囊表面每单位面积的计算激光功率 。黑点表示胶囊表面上的点 。来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室 。
【点火装置 美国国家点火装置】在国家点火装置(NIF)使用的极性直接驱动爆炸推进器(PDXP)平台上测试了纯硼、碳化硼、高密度碳和氮化硼烧蚀材料的性能 。这些烧蚀材料包围聚变燃料 ， 并在实验中与激光或腔辐射耦合 。该平台使用极性直接驱动配置来驱动室温胶囊中的高离子温度 ， 并在等离子体物理研究和作为中子源方面具有潜在的应用 。
这项工作的重要发现出现在高能量密度物理学中 ， 表明这些备用烧蚀体并没有改善PDXP内爆的对称性 ， 根据作者希瑟·惠特利(Heather whitley)的说法 ， 劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL) ， 高能量密度基础科学武器物理系的相关项目主任 。
她说 ， “虽然我们的模拟预测 ， 由于缺乏内爆对称性 ， 这个平台无法接受电子-离子耦合测量 ， 但替代材料确实可以使激光和胶囊之间的耦合更好 。”\"我们计划在未来的中子源实验中测试这些预测的影响.\"
LLNL的中子源工作组正在研究耦合的改进 ， 因为它可以帮助增加极性直驱中子源的输出 ， 最终为直驱模拟的激光建模的有效性提供数据 。
通过这项工作 ， 团队还帮助惯性约束聚变模拟代码的开发者实现了更先进的电子-离子耦合模型 ， 直接驱动内爆的建模与这项代码开发密切相关 。
NIF提供了获取极热等离子体数据的途径 ， 这有助于验证和改进各种实验室和天体物理系统的辐射流体动力学模型 。NIF的主要目标之一是在实验室的氘氚等离子体中点火 ， 但成功设计实验来实现这一目标一直是一个挑战 。这些实验的设计在很大程度上取决于基于对这些热等离子体行为的理解和假设的计算机模型 。
作为博士后 ， 惠特利参与了Cimarron项目 ， 这是一个实验室指导的研发项目 ， 旨在利用高性能计算研究点火等离子体的物理 。
“Cimarron的目标是开发新的模型来描述微观层面的传热传质 ， 以帮助改进我们的点火实验模型 ， ”她说 。“在完成计算机模型的工作后 ， 我们想用实验数据来测试我们的新模型 ， 并开发了PDXP平台作为创建非平衡等离子体的一种方式 。”
在这些实验中 ， 在非常强的激光的冲击下 ， 离子比电子受热更快 。该团队打算使用时间分辨光谱 ， 这是一种测量等离子体在特定频率下发出多少光的方法 ， 以便在实验过程中测量离子和电子的温度作为时间的函数 。这些数据将使研究小组能够直接与Cimarron项目开发的“电子-离子耦合”模型进行比较 。“电子-离子耦合”是描述等离子体中离子和电子如何交换能量的参数 。
在NIF下测试实验材料的性能 。
“PDXP平台是由NIF开发的 ， 用于研究电子离子平衡 ， 但它最终成为了其他几项活动的理想中子源 ， ”论文的合著者、该平台的第一位实验负责人Marilyn Schneider说 。
施耐德说 ， “这个平台最大的优点是简单——一个充满燃料的球形外壳 ， 允许从任何(和所有)NIF港口进行多次诊断 ， 以获得数据并产生高中子产额 。”“这项研究从理论上研究了性能(中子产额)与弹壳成分和厚度的关系 。”
LLNL的物理学家查尔斯·耶曼斯(Charles Yeamans)正准备用一些实验来替代论文中描述的烧蚀材料 。他说 ， 这项工作通过非常复杂的物理计算描述了一种特殊的方式 ， 然后将这种方法应用于预测不同胶囊材料在NIF实验中可能产生的影响 。
这项工作描述了LLNL物理学家施耐德和麻省理工学院的玛利亚·加托·约翰逊先前对塑料胶囊进行的实验数据如何用于理解为什么某些方法在系统建模和预测观察中最有效 。该过程的下一步是基于对不同胶囊材料的方法学应用进行新的预测 。
他解释说:“我们基于这些模型设计了新的实验 ， 这些实验预测了特别有用的性能改善 ， 如更高的产量 ， 或预测了测量量的巨大变化 ， 如内爆胶囊的轨迹或核燃烧的温度 。”“然后 ， 我们进行了NIF实验 ， 以测试计算是否真的成功预测了性能的变化 。”
他说 ， 他的任务是了解现有的NIF拍摄数据 ， 理解模型预测的意义 ， 并综合这两种信息来设计接下来的一系列实验 ， 并为这些实验做准备 。
最初的设计始于2016年 ， 使用塑料外壳或烧蚀器 ， 其中填充了含有微量氩掺杂剂的氘气 。光谱采用氩气测量 ， 设计保证了电子和离子之间的温度分离 ， 使得测量可行 。
施耐德·加托·约翰逊拍摄的2016-2017年拍摄的内爆图像显示 ， 塑料外壳在内爆过程中变形非常严重 。直接击中太空舱Tai 空的激光束在内爆外壳上留下了非常复杂的结构 。在这些爆炸之后 ， 惠特利和他的团队假设 ， 通过增加氘压力或改善材料和激光之间的相互作用 ， 改用不同的烧蚀材料可能会产生更对称的内爆 。
NIF实验汇集了大型团队 。
惠特利表示 ， 该项目很好地展示了实验室如何与学术界合作 ， 应用计算资源和实验平台来提高对点火等离子体的理解和预测建模的能力 。
Frank Graziani是Cimarron项目经理和LLNL高能量密度科学中心的负责人 。他说 ， PDXP平台和烧蚀材料运动是一项国际努力 ， 涉及设计 ， 实验和计算专业知识 ， 来自LLNL ， 激光能量学 ， 原子武器建立实验室 ， 麻省理工学院和加州大学伯克利分校 。
他说 ， “我们继续对等离子体物理模型的验证感兴趣 ， 比如高能量密度物理机制下的电子-离子耦合 。”“PDXP平台是向前迈出的重要一步 ， 它允许我
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