通过二次束-靶反应在激光团簇实验中提高聚变产额

在实验室点亮微小的“太阳”

聚变是支撑太阳发光的过程，通常需要巨型装置或恒星内部那样的极端条件。本研究探讨一条截然不同的路径：使用桌面级的超快激光和微小的气体团簇，在紧凑装置中诱发聚变反应。研究人员展示了在由激光驱动的聚变源周围加入一层简单的固体“壳”如何显著提升产生的聚变中子数量，从而为在实验室中研究类似恒星条件的小型实验打开了可能。

激光如何将团簇变成聚变燃料

在激光-团簇聚变中，一束强劲的超短激光脉冲照射由重氘甲烷气体形成的微小团簇（重氘甲烷是将氢替换为更重的同位素——重氘的甲烷）。强光将电子从团簇中剥离，留下带正电的离子，这些离子相互排斥并发生“库仑爆炸”。这种爆炸把重氘离子加速到数万电子伏的能量——足以让成对的重氘核发生聚变并发射2.45 MeV的中子。一部分聚变发生在团簇爆炸处，由于高速离子相互碰撞或与气流中较慢的原子发生碰撞而产生。

为额外聚变加入环绕靶

这项工作的关键思想是捕获并重新利用从初始聚变区域逸出的快速离子。团队用一种由重氘化塑料（CD2）制成的C形块将团簇射流包围起来。当高速重氘离子从爆炸的团簇中向外喷出时，其中许多会冲入这一固体靶。在那里，它们遇到比气体射流中高得多密度的重氘原子。每个离子在固体中减速的过程中都可能触发额外的聚变反应，将原本“浪费”的粒子转化为第二阶段的中子产生。

与时间赛跑测量中子

为了确定这一二次靶的贡献，研究人员精确测量了放置在数米外探测器处中子到达的时间和数量。由于聚变中子的飞行速度已知，其到达时间揭示了它们的产生时间和位置。通过扣除来自X射线的早期信号并考虑到轻微的能量分散，团队将来自团簇区域和来自附加CD2块的中子区分开来。他们还用独立探测器测量了重氘离子的能量，得到约60到100千电子伏的离子“温度”——一个表征离子能量的重要指标。

提高能量以提升产额

在放置CD2靶之后，每次激光照射的中子产额显著上升。在测试的最低离子能量下，产生的中子数与仅有团簇的情况相比大致翻倍；在接近100 keV的最高能量处，产额约增加了三倍半。一个时间分辨模型跟踪了热等离子体如何膨胀、离子如何减速以及在气体和固体中发生了多少反应，该模型与这些测量结果吻合良好。分析表明，随着离子能量增加，每个离子在固体靶中发生聚变的概率变大，因此在测试范围内，添加CD2块带来的相对增益几乎呈线性增长。

这对聚变研究与宇宙学意味着什么

这项实验展示了一种在紧凑的激光驱动聚变装置中，通过在主聚变区周围放置合适的固体靶来显著放大量产中子的实用方法。除了简单地增加中子数量外，这一概念还具有灵活性：通过将CD2块替换为其他材料，未来实验可以在受控的低能条件下研究许多不同的核反应，这些条件类似于恒星内部。实际上，激光-团簇聚变与二次靶的结合提供了一个小尺度、可调的研究平台，用于探索核反应性质和聚变概率——这些信息对于理解潜在的聚变技术及天体物理对象的内部机制都至关重要。

引用: Sim, J., Lee, S., Kim, Hi. et al. Fusion yield enhancement via secondary beam-target reactions in laser-cluster experiments. Sci Rep 16, 5633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35722-z

关键词: 激光-团簇聚变, 重氘聚变, 中子产额, 二次靶, 天体物理核反应