新研究首次回答了激光束遇上等离子体时的疑问

研究人员利用罗切斯特大学激光能量学实验室的Omega激光设备,对激光加热等离子体进行了详细测定。

据《自然·物理学》杂志近日报道,美国罗切斯特大学的研究人员最近解决了科学家在核聚变领域遇到的重要难题,该成果可用于提高激光驱动聚爆模拟的计算机模型的准确性。研究人员在罗切斯特大学激光能量学实验室(LLE)进行的激光驱动的惯性约束聚变(IFC)实验中,利用持续仅十亿分之一秒的强烈光脉冲组成的短光束将能量传递给了氢燃料电池,并对其进行了压缩。在理想情况下,这个过程释放的能量远高于加热系统提供的能量。

激光驱动的ICF实验需要诸多激光束通过等离子体,从而将其辐射能量精确地储存在预定目标中。然而实际上,激光束与等离子体的相互作用会使结果异常复杂化。为了精确地模拟这种相互作用,科学家们需要确切了解激光束能量与等离子体的相互作用方式。虽然此前已经有研究人员提出了关于激光束如何改变等离子体的理论,但都未得到实验证实。此次,LLE、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和法国国家研究中心的科学家们,首次直接证实了激光对等离子体的作用方式,以及其对能量转移聚变实验的影响。LLE主任Michael Campbell说:“这项成果是实验室创新的极好实例。这也说明了在国家聚变项目中建立对激光等离子体不稳定性的坚定认识的重要性。”

在过去的十年中,研究人员通常会使用计算机模型来描述激光驱动聚变实验中的激光束的相互作用。这类模型通常假定激光束的能量是以麦克斯韦分布相互作用的。在没有激光存在时,这种平衡方式可能是符合预期的。LLE资深科学家Dustin Froula说:“然而,激光是存在的。”他指出,大约在40年前就有科学家预测到,激光会以重要的方式改变潜在等离子体条件,以及在激光等离子体中,激光束对慢电子的优先加热会产生非麦克斯韦分布函数。随后,罗切斯特大学的研究人员认为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间的传输方式。然而,由于缺乏实验证据,研究人员并没有在模拟实验中对此加以考虑。

LLE科学家、论文第一作者David Turnbull等在LLE的Omega激光设备上进行了实验,对激光加热的等离子体进行了详细测定。实验结果首次证实,等离子体中的电子能量分布受到激光辐射的影响,主流模型无法对此进行精确描述。Turnbull说:“我们正在着手开发新的内联模型,这将增强研究人员对聚爆模拟的预测能力。”

科界原创

编译:雷鑫宇

审稿:阿淼

责编:张梦

期刊来源:《自然·物理学》

期刊编号:1745-2473

原文链接:

https://www.rochester.edu/newscenter/laser-beams-modify-plasma-fusion-research-409362/

版权声明:本文由科界平台原创编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。转载请注明来源科技工作者之家—科界App。