罗彻斯特大学的一项新研究将提高激光内爆计算机模型的准确性。这项发表在《自然物理》杂志上的研究解决了科学家长期以来寻求实现核聚变的其中一个挑战。

在激光驱动的惯性约束聚变(ICF)实验中，由仅持续十亿分之一秒的强烈光脉冲所组成的短光束会将能量传递给目标氢燃料，并压缩目标。理想情况下，这个过程释放的能量会比用来加热系统的能量要更多。

激光驱动的ICF实验要求许多激光束通过等离子体(一种由自由移动的电子和离子组成的离子化气体状物质)传播，从而将它们的辐射能量精确地储存在预定的目标上。但是，当光束这样做的时候，它们与等离子体之间的相互作用会使预期结果变得复杂化。

该论文的第一作者、罗切斯特大学激光能量学实验室(LLE)科学家戴维特恩布尔(David Turnbull)表示：“ICF必然会产生一种许多激光束在围绕目标的热等离子体中重叠的环境。多年来，人们已经认识到，激光束可以相互作用并交换能量。”

为了精确地模拟这种相互作用，科学家需要确切地知道激光束的能量会怎样和等离子体进行相互作用。虽然研究人员曾经提出过几个关于激光束改变等离子体的方式的理论，但这些理论都没有通过实验得到证实。

现在，LLE的研究人员和他们在加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室和法国国家科学研究中心的同事首次直接证明了激光改变基础等离子体条件、进而影响核聚变实验的能量转移过程的方式。

LLE主任迈克尔·坎贝尔(Michael Campbell)说：“这些结果是实验室创新的一个很好的证明，同时也说明了在国家核聚变项目中了解激光等离子体不稳定性的重要性。”

使用超级计算机模拟核聚变

研究人员经常使用超级计算机来研究核聚变实验中的内爆现象。因此，这些计算机模型能否准确地描述现象所涉及的物理过程非常重要，其中包括能量从激光束到等离子体，最终到达目标的交换过程。

在过去的十年中，研究人员使用计算机模型来描述激光驱动核聚变实验中的激光束相互作用。然而，这些模型通常会假定激光束的能量会以一种被称为麦克斯韦分布的平衡方式相互作用，但人们通常认为这种平衡方式只会在没有激光的交换过程中出现。

LLE的资深科学家达斯汀·弗罗拉(Dustin Froula)说：“但当然了，激光是存在的。”

Froula指出，科学家们在大约40年前就预测到激光会在很大程度上改变基础等离子体条件。在1980年提出的一种理论预测，激光等离子体中的非麦克斯韦分布函数是由于激光光束对慢电子的优先加热而产生的。在随后的几年中，罗切斯特大学的研究生Bedros Afeyan’ 89(Ph.D.)预测这些非麦克斯韦电子分布函数的影响将会改变激光能量在光束之间的传输方式。

但是由于缺乏实验证据来验证这一预测，研究人员没有在他们的模拟中考虑到这一点。

Turnbull、Froula和物理学与天文学研究生阿夫拉姆·米尔德(Avram Milder)在LLE的Omega激光设备上进行了实验，他们对激光加热的等离子体进行了非常详细的测量。这些实验的结果首次表明，等离子体中的电子能量分布受到它们和激光辐射的相互作用的影响，并且不能用主流模型来进行精确描述。

这项新研究不仅证实了一个长期存在的理论，而且还表明激光与等离子体的相互作用强烈地改变了能量的传递过程。

Turnbull说：“目前可以更好地描述基础等离子体条件的内联模型正在开发当中，这将提高集成内爆模拟实验的预测能力。”