封面解讀
封面圖像展示了雷射驅動的氘核聚變過程，其中高重複頻率的飛秒脈沖雷射聚焦于D2O的薄層上。在雷射照射下，D2O中的兩個氘核發生聚變，形成一對相對論性的中子和氦核。封面展示了光與物質之間的動态互相作用，突出了正在發生的聚變反應。
微觀世界的理想“探針”——中子
航空發動機被譽為飛機的心髒、強國的象征。確定“心髒”跳動強勁有力的關鍵在于解決發動機葉片金屬疲勞問題。在每分鐘上萬轉的工況下，葉片極易發生金屬疲勞，增加了斷裂的風險。而中子源可用于無損檢測葉片應力并預防金屬疲勞，為航空業的安全提供保障。這得益于中子不帶電的特性，庫侖互相作用無法幹擾其前行，進而賦予其極強的穿透力，可用于探測微觀物質結構。同時中子有磁矩，可用于高分辨率的磁結構研究。除此之外，中子在癌症治療，輕元素探測等領域也有廣泛的應用。是以，中子被科學家視作探索微觀世界的理想“探針”。
但是，傳統的可移動性中子源通常無法提供高空間分辨率，而擁有高分辨率的中子源（如核反應堆）又不具備可移動性。這使得相關行業對可移動性高分辨率中子源有迫切的需求。過去二十多年來，基于超強雷射技術的緊湊型高分辨率中子源受到了大量研究和實驗驗證。然而，大多數實驗仍采用單發方案，遠未達到實際應用中子産額的最低标準(~109 /s)。最近，利用高重頻雷射技術為解決這一熱點問題提供了新的方案。
高重頻雷射驅動氘-氘聚變
近日，來自美國俄亥俄州空軍技術學院工程實體系的研究團隊通過使用8 mJ、40 fs雷射脈沖在薄（<1 μm）D2O液片上驅動氘-氘（D-D）聚變，進而産生中子（∼105 /s）。在相對論強度（∼5×1018 W/cm2）和高重頻（1 kHz）雷射條件下，該系統實作了長達1小時的中子穩定産生。為了準确測量中子劑量，他們采用了三個獨立的檢測系統，包括有機閃爍體探測器、3He比例計數器和36個氣泡探測器。對閃爍體探測器資料中光子與中子信号的時間延遲分析表明，該方案産生了2.45 MeV的單能中子。
成果發表在High Power Laser Science and Engineering 2024年12卷第1期的封面文章(Benjamin M. Knight, Connor M. Gautam, Colton R. Stoner, Bryan V. Egner, Joseph R. Smith, Chris M. Orban, Juan J. Manfredi, Kyle D. Frische, Michael L. Dexter, Enam A. Chowdhury, Anil K. Patnaik. Detailed characterization of kHz-rate laser-driven fusion at a thin liquid sheet with a neutron detection suite[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2024, 12(1): 010000e2)。
裝置分布如圖１所示，主光束由高重頻（1 kHz）钛寶石雷射器産生，中心波長780 nm，能量8 mJ，焦斑為1.65 μm，脈寬為40 fs，45°斜入射到液體靶上（s偏振）。液體靶是由兩個相交的直徑為25 μm的D2O圓柱形射流形成的亞微米厚的流動液片，這種亞微米級液片可以在kHz或更高的頻率下維持穩定。
圖1 靶室和周圍探測器的簡化俯視圖
kHz速率中子源的探測與驗證
當超強雷射脈沖與富氘靶互相作用時，有兩個過程可以産生中子。首先，當熱電子吸收的雷射能量轉移到離子時，焦斑區域的局部溫度會變得非常高，這可能導緻D-D聚變。其次，熱靶的大部分會在一段時間後爆炸，爆炸後的高能氘核互相碰撞，導緻D-D聚變的發生（脈沖離開靶後幾納秒）。在高達1018 W/cm2的聚焦光強下，高能氘核主要通過靶背法向鞘層電場加速機制（target normal sheath acceleration, TNSA）從表面向外加速，并撞擊附近富含氘核的次級靶。在約keV的能量上，碰撞的氘核可以發生D-D聚變，一半的聚變反應産生3He和一個中子，另一半産生氚和一個質子：
在産生中子的反應中，3.27 MeV的反應釋能将轉化為産物的動能。其中自由中子的品質約占産物總品質的1/4，獲得約3/4的能量，即2.45 MeV。如圖2，在閃爍體探測器的離散能量資料中2.45 MeV附近具有峰值結構，證明了D-D聚變的發生。
圖2 發射中子的能量直方圖，由閃爍體探測器通過光子與中子信号的時間延遲測量
同時，該團隊還使用了粒子網格（Particle-in-Cell, PIC）模拟代碼WarpX對實驗進行驗證。該代碼最近更新了由Higginson等人開發的聚變模型算法。二維模拟結果如圖3，中子從焦斑中心區域開始産生，能譜具有2.45 MeV的單能結構，這是D-D聚變中子的預期能量産出。模拟結果表明，使用p偏振雷射比s偏振雷射，中子産額提高了2.6倍。
圖3 2D3v PIC模拟結果。(a) s 偏振600 fs時的模拟圖像（紅色是中子分布，黑色是氚分布）。(b)中子計數随時間的演化。（c）氘（虛線）和中子（實線）在500 fs時的能譜
總結與展望
這項研究有望在雷射驅動系統中實作高重頻的混合輻射。這包括已證明的MeV離子、電子、X光和本文的中子輻射。持續的混合輻射環境可用于核輻射硬化或空間氣象測試。此外，由于産生中子的靶材體積較小，該中子源非常适合中子照相技術。高重頻雷射驅動的中子源，可為上述應用提供低價格、按需的測試台。這一技術将為材料學，醫學，以及能源與環境領域帶來更多機遇，為未來的科學研究和工程應用提供了重要的支援。
來自：雷射評論
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