Experimental observation of fusion burn history with pico-second time resolution in inertial confinement fusion research
本研究展示了一种利用啁啾脉冲探测激光器与电光聚合物传感器斯塔克效应的新型超高速诊断工具，该工具实现了 2 ± 0.5 ps 的时间分辨率，并成功测量了氘-氘内爆中 16–20 ps 的聚变燃烧持续时间，从而为惯性约束聚变研究中控制聚变燃烧建立了一种下一代技术。
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几十年来，科学家们一直试图利用驱动恒星的力量，这一过程被称为核聚变。其目标是将原子挤压得如此紧密并加热得如此剧烈，以至于它们发生聚变，释放出巨大的清洁能源。在实验室环境中，这通常是通过强力激光挤压一颗微小的燃料颗粒来实现的，这种方法被称为惯性约束聚变。当燃料点燃时，它会产生一次短暂且极热的等离子体爆炸。使之成为实用能源的关键在于控制那次爆炸。如果燃料燃烧得太快或太慢，能量就会被浪费。为了了解如何控制它，研究人员需要以极慢的速度观察燃烧的过程，捕捉火焰开始、达到顶峰并熄灭的确切时刻。直到现在，用于观察这一过程的工具都太慢了，会将这一事件模糊成一个单一且模糊的光闪。
一支研究团队现在制造出了一台足够快的摄像机，能够清晰地看到这一稍纵即逝的瞬间。通过在日本的激光设施开展工作，他们开发出了一种新方法，能够以皮秒级的精度测量聚变燃烧的历史。皮秒是十分之一万亿分之一秒。为了直观理解，一个皮秒对于一秒的关系，相当于一秒对于大约三十二年的关系。这种速度水平是必要的，因为典型实验中的聚变燃烧仅持续约四十皮秒。研究人员成功使用他们的新设备记录了整个聚变反应的生命周期，测量了燃料燃烧的时长，其清晰度是以前无法实现的。
这项成就的核心是一个由特殊塑料材料制成的传感器，这种材料在受到电场冲击时会改变其透光方式。当聚变反应发生时，它会射出高速粒子，如中子和质子。这些粒子撞击传感器，在塑料内部产生一个微小且转瞬即逝的电场。该电场会瞬间改变穿过它的光束的吸收方式。为了捕捉这一瞬间的变化，团队使用了一束在时间上被拉长的激光，就像一条长长的、色彩斑斓的丝带。当聚变粒子撞击传感器时，它们会导致光色模式产生波动。通过读取这种模式，研究人员可以重建粒子到达的确切时间以及爆发持续的时长。
该团队使用两种不同的激光设置测试了该系统。首先，他们使用强力激光产生一簇快速电子，以检查传感器的反应速度。结果显示，该系统可以分辨短至两皮秒的事件，证实了其足以胜任这项工作。接着，他们转向一项聚变实验，利用激光挤压一个小的氘代塑料壳。这次内爆产生了一簇聚变中子和质子。传感器捕捉到了这些粒子的到达并记录了燃烧的持续时间。数据显示，燃料燃烧了十六到二十皮秒之间。这是一个重要的发现，因为这比一些旧的、较慢的探测器所暗示的时间要短得多，并且与计算机模拟对这类特定实验的预测非常吻合。
研究人员还注意到，该传感器可以区分撞击它的粒子类型。中子产生的信号方向与质子产生的信号方向相反。这种无需复杂磁场或屏蔽即可区分不同粒子的能力是一个重大优势。团队确认他们的测量结果与关于产生多少粒子及其传播方式的理论预测相符，这使他们对设备的正确运行充满信心。虽然该实验是在规模比用于大规模聚变能源研究的巨型设施更小的规模下进行的，但新传感器的灵敏度足以应对未来测试中预期的更大规模爆炸。
这项工作代表了追求聚变能源进程中的关键一步。通过提供一个清晰、高速的燃烧过程视图，科学家现在可以利用真实数据更准确地测试他们的计算机模型。如果模型能够可靠地预测燃料的行为，研究人员就可以设计更好的靶材和激光，以实现核电站所需的稳定、高能燃烧。这个新传感器就像一只高速的眼睛，终于让科学家能够看清聚变火焰的细微细节，使他们离控制恒星力量的目标又近了一步。
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