Fast ignition of fusion targets by laser-driven electrons
在充分考虑集体磁效应和背景等离子体流体动力学响应的基础上，对预压缩聚变靶中的快电子输运和能量沉积进行了混合粒子模拟.内爆快速点火配置的实际点火结果显示在最近的实验中发现的光束发散度增加[J. S. Green等人，物理修订信函100，015003（2008）]和由于通过高级PIC模拟预测的轮廓陡化而导致的电子动能的减少[B. Chrisman等人，Phys.Plasmas 15，056309（2008）]。研究了靶点火与注入电子能量、锥尖到致密核的距离、相对论电子束的初始发散角和动能的关系。我们发现，光束准直大大降低了点火能量的锥形引导燃料配置假设在这里。
2008-11-11 physics.plasm-ph
Foam Au driven by 4$ω$ - 2$ω$ ignition laser pulse for inertial confinement fusion
绿光（2 $ω$）具有以比蓝光（3 $ω$）显著更多的能量驱动用于激光聚变的点火靶的潜力，并且对于最终光学组件中的光学部件具有相对较高的损伤阈值，但是与3 $ω$相比，绿光具有相对低的激光到X射线转换效率和硬X射线光谱的问题。在本文中，我们建议通过在预脉冲处采用4个$ω$激光，在主脉冲处采用2个$ω$激光（称为4个$ω$ - 2个$ω$点火脉冲），用点火激光脉冲驱动泡沫空腔壁。这种新颖的设计具有以下优点：（1）在主脉冲期间受益于其相对高的能量输出和低损伤阈值的2 $ω$，（2）在再发射中受益于其相对高的激光到X射线转换效率和相对低的M带分数的泡沫，（3）在预脉冲期间受益于其低LPI的4 $ω$。从我们的利用Au材料的1D模拟，与由具有相同脉冲形状的3 $ω$驱动的固体靶相比，由4个$ω$ - 2个$ω$脉冲驱动的泡沫中的激光到X射线转换具有$28\%$的增加。泡沫的相对薄的光学深度是泡沫靶内激光到X射线转换效率增加的主要原因之一。
2017-04-01 physics.plasm-ph
Picosecond-petawatt laser-block ignition of avalanche boron fusion by ultrahigh acceleration and ultrahigh magnetic fields
氢（质子）与硼同位素11（HB 11）反应产生的聚变能量产生三个稳定的氦核，与DT聚变相比没有核辐射问题。但是，由纳秒激光脉冲驱动的HB 11反应具有热压缩和激光点燃是极其困难的。当用皮秒激光脉冲照射产生具有100倍加速的非热等离子体块点火时，这一点发生了根本性的变化。这使用非线性（有质动力）力，即使在二元反应的悲观假设下，也令人惊讶地产生与DT融合相同的阈值。在评估了由千特斯拉磁场捕获的圆柱形反应之后，并使用测量到的高度增加的HB 11聚变增益来证明次级反应中三个α的雪崩，得出了以具有竞争力的成本获得绝对清洁能源的可能性的结论。
2015-10-26 physics.plasm-ph
A novel three-axis cylindrical hohlraum designed for inertial confinement fusion ignition
提出了一种用于间接驱动惯性约束聚变的新型点火黑腔--三轴圆柱形黑腔。TACH是一种6个激光入射孔（LEH）黑腔，由三个圆柱形黑腔正交连接而成。激光束以相同的55°入射角通过每个入射孔注入。视角因子模拟结果表明，在没有束流相位调整等辅助技术的情况下，TACH的时变驱动不对称性在整个驱动脉冲周期内不超过1.0%，其耦合效率接近相应尺寸的6个LEH球形黑腔。其等离子体填充时间接近于典型的圆柱点火黑腔。它的激光等离子体相互作用具有与圆柱形点火黑腔外锥一样低的后向散射。因此，提出的黑腔提供了一个有竞争力的候选点火黑腔。
2016-05-12 physics.plasm-ph
Integrated Fast Ignition Simulation of Cone-guided Targetwith Three Codes
据报道，在锥制导靶快速点火实验中，燃料芯被加热到~ 0.8 keV，但不能从理论上解释这种高温的加热机制和实现。因此，模拟应该发挥重要作用，在估计方案的性能，我们必须模拟每一个现象与个别的代码和集成在快速点火集成互连代码项目。在以前的综合模拟中，由激光-等离子体相互作用产生的快电子太热而不能有效地加热核心，我们只得到了0.096 [keV]的温升。考虑锥尖与内爆等离子体接触面处的密度间隙效应后，堆芯加热周期变长，堆芯被加热0.162 [keV]，比忽略密度间隙效应增加约69%。
2004-10-21 physics.plasm-ph
A global simulation for laser driven MeV electrons in $50μm$-diameter fast ignition targets
本文采用2.5维粒子模拟方法，对皮秒激光脉冲与直径为50- $μm$、临界密度为40的等离子体小球相互作用进行了数值模拟。高密度小球被低密度电晕包围，并通过真空区域与模拟箱边界隔离。激光脉冲被示出为细丝，并在激光-等离子体界面上产生密度通道。密度通道增加了激光吸收效率，并有助于产生具有大角度扩展的高能电子分布。前向高能电子和感应返回电子的组合分布对电流丝不稳定性来说是边缘不稳定的。离子在中和由不同电子基团之间的温度差异引起的空间电荷中起重要作用。没有全球合并的电流丝导致的不稳定性观察，与观察到的高能电子的大角度扩展。
2006-01-25 physics.plasm-ph
Pump-Depletion Dynamics and Saturation of Stimulated Brillouin Scattering in Shock Ignition Relevant Experiments
作为一种可替代的惯性约束聚变方案，冲击点火具有预期的高能量增益和更鲁棒的设计，需要由在末端具有高强度尖峰的成形脉冲驱动的强会聚冲击来点燃预压缩的聚变舱。了解冲击波点火条件下的非线性激光等离子体不稳定性对评估和改善激光冲击波能量耦合至关重要。最近在OMEGA-EP激光设备上进行的实验首次证明，这种不稳定性可以使高强度激光泵浦的前0.5 ns耗尽$\sim$ 100\%。对所观察到的激光产生的冲击波的分析表明，这种泵浦耗尽开始于0.01- 0.02临界密度，并发展到0.1- 0.2临界密度。这种泵浦损耗也被时间分辨的受激拉曼背散射光谱所证实。抽运损耗的动力学可以用受激布里渊散射中离子声波的破碎来解释。这种强泵浦耗尽将抑制碰撞激光能量吸收，但可能有利于产生具有用于电子冲击点火的中等温度的热电子[Shang等人，Phys. Rev. Lett. 119 195001（2017）]。
2019-08-30 physics.plasm-ph
Pump depletion and hot electron generation in long density scale length plasma with shock ignition high intensity laser
在激光强度为$10^{16} W/cm^2$，等离子体密度范围为0.01-0.28 $n_c$，尺度长度为$230 -330 μm$的情况下，对激光等离子体相互作用的二维粒子模拟表明，在低密度区（$n_e=0.01-0.2 n_c$），由于受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS），激光能量的泵浦损耗很大。模拟确定了在低密度区域中由SRS产生的具有中等能量的热电子和在$n_e=0.25n_c$附近由两个等离子体衰变（TPD）产生的具有较高能量的热电子。总的热电子温度（46 keV）和转换效率（3%）与实验测量一致。模拟还表明，人为地减少SBS将导致更强的SRS和更软的热电子谱。
2019-11-26 physics.plasm-ph
Ultrafast ignition with relativistic shock waves induced by high power lasers
在本文中，我们考虑激光强度大于$10^{16} W/cm^2$的烧蚀压力是可以忽略的辐射压力相比。辐射压力是由有质动力引起的，主要作用于与离子分离的电子以产生双层（DL）。这个DL被加速进入目标，就像一个活塞，以这样一种方式推动物质，从而产生冲击波。在这里，我们讨论两个新颖的想法。第一个是相对论和非相对论激光诱导冲击波之间的过渡区。我们的解决方案是基于相对论流体力学也为上述过渡域。计算了相对论冲击波参数，如压缩、压力、冲击波和粒子流速度、压缩靶中的声速和稀疏波速度以及温度。其次，我们想使用这个过渡域的冲击波诱导超快点火的预压缩目标。计算了用于这些目的的激光参数，并描述了该方案的主要优点。如果这个计划成功的话，一种新的大量能源就可能成为可行的。
2014-06-03 physics.plasm-ph
Avalanche boron fusion by laser picosecond block ignition with magnetic trapping for clean and economic reactor
在对轻氢质子与硼同位素11聚变（硼聚变HB 11）的理想能源进行了很长时间的考虑之后，通过激光对非常高的反应增益进行的最初两次独立测量基本上打开了一个根本性的突破。非热等离子体块点火具有皮秒持续时间的超过数皮瓦的极高功率激光脉冲与高达十千特斯拉的用于捕获的磁场的组合，必须组合使用测量的高增益作为雪崩反应的证据，用于环境清洁、低成本和持久的能源作为对抗全球变暖的潜在选择。独特的HB11雪崩反应是基于氦核（α粒子）的弹性碰撞，仅限于在非常短的时间内在非常小的体积内控制聚变能量的反应堆。
2016-03-04 physics.plasm-ph
Integrated simulation of magnetic-field-assist fast ignition laser fusion
为了提高快点火激光聚变堆芯的加热效率，通过对FIREX类靶的综合模拟，对相对论电子束外磁场导引的概念进行了评估。对于锥壳靶，由于内爆形成的磁镜使靶芯变形，大部分快电子被反射，因此施加磁场会降低靶芯的加热性能。另一方面，在附加锥形实心球靶的情况下，内爆在千特斯拉级磁场作用下更稳定。此外，通过内爆形成了可行的磁场位形。结果表明，磁导向可使磁芯加热效率提高一倍。研究了实心球靶的堆芯加热特性与加热脉冲发射定时的关系。
2016-08-19 physics.plasm-ph
Observation and modelling of Stimulated Raman Scattering driven by an optically smoothed laser beam in experimental conditions relevant for Shock Ignition
我们报告了在TAW Vulcan激光装置上进行的一项实验的结果和模型，该实验的目的是研究在对惯性约束聚变的冲击点火方案感兴趣的条件下的激光-等离子体相互作用，即高于10^16 W/cm 2的激光强度撞击热的（T > 1 keV）、不均匀的和长尺度长度的预成型等离子体。测量结果表明，一个显着的SRS背散射（4 - 20%的激光能量）驱动在低等离子体密度和TPD/SRS驱动在四分之一临界密度区域没有签名。结果令人满意地再现的分析模型占对流SRS增长在独立的激光散斑，在反射率占主导地位的条件下，从最强烈的散斑，SRS得到饱和的贡献。分析和动力学模拟再现SRS的发病率在低等离子体密度的制度强烈影响的非线性朗道阻尼和最强烈的激光散斑的反射。在较高的密度下TPD/SRS的缺乏被解释为泵浦耗尽和由双折射驱动的等离子体平滑。在低密度分布的激光耦合的流行证明了低温测量的热电子（7 - 12千电子伏），以及再现的数值模拟。
2021-08-30 physics.plasm-ph
Control of energy spectra and enhancement of energy conversion of fast electrons generated by dual-color picosecond lasers
本研究通过二维粒子模拟发现，双色调皮秒激光注入方案能显著提高快电子能量转移率并提升能谱，机制涉及低密度区纵向电场调制和临界面微通道的电磁感应透明过程，可应用于快点火方案及超热电子实验设计。
2023-11-20 physics.plasm-ph
Comparison of the Recently proposed Super Marx Generator Approach to Thermonuclear Ignition with the DT Laser Fusion-Fission Hybrid Concept by the Lawrence Livermore National Laboratory
最近提出的超级马克思发生器纯氘微爆轰点火概念与劳伦斯利弗莫尔国家点火设施（NIF）激光DT聚变-裂变混合概念（LiFE）[1]进行了比较。在超级马克思发生器中，大量的普通马克思发生器为更大的第二级超高压马克思发生器充电，可以从中提取用于点燃纯氘微爆炸的强烈GeV离子束。LiFE概念的一个典型例子是聚变增益为30，裂变增益为10，总增益为300，与聚变相比，释放到裂变中的能量约为10倍。这意味着大量的裂变产物的释放，如在无聚变的纯裂变反应堆中。在纯氘微爆轰点火的超级马克思方法中，理论上可以达到相同幅度的增益[2]。如果可行的话，超级马克思发生器氘点火方法将使激光作为热核微爆炸的点火手段过时。
2009-02-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Pump depletion and the Raman gap in ignition-scale plasmas
本研究利用二维 Particle-in-Cell 模拟结合 PP 与 SP 激光，揭示直接驱动惯性约束聚变点火条件下受激拉曼侧向散射导致泵浦耗尽及拉曼光谱间隙的机制。
2024-09-08 physics.plasm-ph
A new ignition hohlraum design for indirect-drive inertial confinement fusion
本文提出了一种六圆柱孔的黑腔结构，用于在密封舱上提供高对称性的通量。它的设计目的是在间接驱动惯性约束聚变中点燃半径为1.2毫米的密封舱。采用三维视角因子法和激光能量平衡法计算了黑腔中的通量对称性和激光能量。基于二维辐射流体动力学模拟，分析了等离子体条件。在适当的靶参数下，当激光入射孔和光斑的影响相互抵消时，六圆柱孔黑腔中不存在Ylm（l<=4）不对称性。当激光能量为2.3MJ，峰值功率为500TW时，可获得300eV的辐射驱动，并具有良好的通量对称性。模拟结果表明，与国家点火装置（NIF）黑腔外锥的情况相似，激光锥壁的电子温度较高，电子密度较低。激光强度也与NIF外锥一样低。因此，由于激光等离子体相互作用（LPI）的后向散射被认为是可以忽略的。在激光能量可接受的条件下，六端口圆柱形黑腔与传统的圆柱形和八面体黑腔相比，具有更高的对称性和更低的后向散射。据认为，黑腔将增加ICF方法的多样性。
2016-06-02 physics.plasm-ph
Hybrid-drive pressure suppressing implosion instabilities and offering nonstagnation hotspot ignition with low convergence ratio for high-gain inertial fusion
在激光驱动ICF中，直接驱动和间接驱动相结合的混合驱动（HD）提供了一个平滑的HD压力$P_{HD}$，远高于ID和DD中的烧蚀压力，以抑制流体动力学不稳定性。在这封信中，一个新的强大的HD点火目标的模拟表明，最大HD压力高达$P_{HD} \sim$ 650毫巴的驱动下，一种新的“推土机”效应实现，导致非停滞热点点火的收敛比$C_r \sim $ 23，最后，聚变能量增益$\sim$ 10的总激光能量= 1.42兆焦耳。二维模拟已经证实，流体动力学不稳定性被抑制。从不同靶和激光能量的模拟中发现，只要$T_r> 160$ eV，最大HD压力$P_{HD}$（Mbar）= $BE_{DD}^{1/4} T_r$的拟合尺度，其中B是取决于烧蚀材料的常数，以kJ为单位的$E_{DD}$是DD激光能量，以100 eV为单位的$T_r$是取决于ID激光能量$E_{ID}$的辐射温度。热点点火要求$P_{HD}\geq$ 450 Mbar。当$E_{DD}$降低到kJ时，也可以使用“推土机”效应的这种比例。实验证明，对于CH烧蚀体，$P_{HD}$约为3.5倍的辐射烧蚀压力，$E_{ID}=43$ kJ（$T_r \simeq$ 200 eV）和$E_{DD}$ =3.6 kJ，DD激光强度$\sim 1.8 \times 10^{15} {\rm w\cdot cm^{-2}}$的背散射分数…
2020-11-18 physics.plasm-ph
Nonlinear Fluid Simulation Study of Stimulated Raman and Brillouin Scatterings in Shock Ignition
采用多流体等离子体模型结合全电磁波方程组，开发了一个新的非线性流体激光等离子体不稳定性程序（FLAME）。完成的一维（1D）版本的火焰被用来研究在冲击点火的激光等离子体不稳定性。模拟结果表明，在四分之一临界面附近，受朗缪尔波衰减不稳定性（LDI）和抽运损耗的影响，绝对SRS模达到饱和。激光多普勒电离产生的离子声波作为受激布里渊散射（SBS）的种子，表现出猝发模式并引起强烈的泵浦损耗。在高温情况下，还观察到SRS在1/16临界表面处的再散射。这些结果与相应的Particle-in-Cell模拟基本一致。
2017-03-30 physics.plasm-ph
Hole boring in a DT pellet and fast ion ignition with ultra-intense laser pulses
最近实现的高强度短激光脉冲在其应用于非均匀过密等离子体中的钻孔和预压缩DT聚变靶中的点火方面开辟了新的前景。一个简单的分析模型和数值模拟表明，强度超过1022 W/cm 2的脉冲可以深入穿透到等离子体中作为一个有效的有质动力加速的离子在向前的方向。高达数百微米的穿透深度取决于激光能量密度，其必须超过几十GJ/cm 2。在通道底部加速的快离子效率超过20%，具有很高的方向性，可以将预压缩的靶芯加热到聚变条件。
2009-03-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Reactor for boron fusion with picosecond ultrahigh power laser pulses and ultrahigh magnetic field trapping
与氘氚聚变相比，质子与11B的环境清洁聚变是极其困难的。当用皮秒脉冲代替纳秒激光脉冲进行热烧蚀驱动点火时，非线性引起的剧烈变化导致等离子体块的加速。这从根本上改变了经济的硼聚变测量新的雪崩点火。
2015-11-05 physics.plasm-ph
Magnetized Fast Isochoric Laser Heating for Efficient Creation of Ultra-High-Energy-Density States
对惯性约束聚变（ICF）点火的追求是一个巨大的挑战，特别是大型激光设施。利用高强度短脉冲激光对预压缩等离子体核心进行快速等容加热是一种有吸引力的替代方法，可以产生像ICF点火火花那样的超高能量密度状态。这避免了由热火花与周围冷燃料混合引起的点火淬熄，这是当前追求的点火方案的关键问题。高强度激光器有效地产生相对论电子束（REB）。一部分REB动能沉积在堆芯中，然后被加热的区域变成热火花触发点火。然而，只有一小部分REB与核心碰撞，因为它的大发散。在这里，我们已经证明了增强的激光与核心的能量耦合与磁化快速等容加热。该方法采用从REB产生点到芯施加到传输区域的千特斯拉级磁场，这导致沿着磁场线将REB引导到芯。7.7即使使用相对小的径向面积密度芯（$\pm$ $\sim$ 0.1 g/cm $^2$），也实现了最大耦合的1.3%。通过使用Cu- $K_α$成像技术，在预压缩的核心中清楚地可视化引导的REB运输。一个简化的模型加上全面的诊断产生6.2%的耦合，同意相当与实测耦合。该模型还揭示了一个点火规模的面密度核心（$ρR$ $\sim$ 0.4 g/cm $^2$）导致更高的激光-核心耦合（$>$ 15%），这是远远高于目前的方案所实现的。
2017-12-16 physics.plasm-ph
Dispersion Calibration for the National Ignition Facility Electron Positron Proton Spectrometers for Intense Laser Matter Interactions
在强烈的激光-固体相互作用中产生的电子-正电子对，使用带有图像板的磁光谱仪进行诊断，例如国家点火设施（NIF）电子正电子质子光谱仪（EPPS）。虽然建模可以帮助推断定量值，但需要验证模型的准确性以确保测量质量。低能电子和正电子的色散可能会受到EPPS入口附近的边缘磁场的影响。我们已经用来自Siemens Oncor线性加速器（直线加速器）的六束电子束校准了EPPS，当它们进入光谱仪时，能量范围从$2.7$-$15.2$ $\mathrm{MeV}$。建立了Geant 4 TOPAS蒙特卡罗模拟，以匹配在$100$ $\mathrm{cm}$源-表面距离处在水中测量的深度剂量曲线和横向剖面。在偏转磁铁电流设置和出射窗口处的电子束能量之间建立了精确的关系。模拟和测量结果被用来确定在EPPS狭缝的六个电子束的能量分布。对扫描图像板的分析以及到达光谱仪的确定的能量分布提供了EPPS的改进的色散曲线。
2021-04-13 physics.plasm-ph
Laser-driven nanoplasmas in doped helium droplets: Local ignition and anisotropic expansion
在氦纳米液滴中掺杂一个只有几个原子的微小氙簇，在低于氦原子电离阈值的激光强度下，可以使液滴完全电离。结果，本质上惰性且透明的液滴变成快速且强的红外线吸收剂。微观计算揭示了一个两步机制来负责戏剧性的变化：雪崩般的氦原子电离在飞秒时间尺度上，由场电离驱动，由于快速充电的氙核心，其次是共振吸收，由一个不寻常的雪茄形状的纳米等离子体在液滴内。
2009-02-16 physics.atm-clus physics.plasm-ph
Fast-ignition design transport studies: realistic electron source, integrated PIC-hydrodynamics, imposed magnetic fields
理想化的锥制导快速点火靶的输运模型表明了快速电子源发散带来的严峻挑战。混合粒子单元（PIC）代码Zuma与辐射流体动力学代码Hydra一起运行，以模拟快速电子传播，燃料加热和热核燃烧。快电子源是基于一个三维显式PIC激光等离子体模拟与PSC代码。这示出了准双温度能谱和发散角谱（平均速度-空间极角为52度）。基于PIC发散的输运模拟对于> 1 MJ的快电子能量不点火，对于从快电子注入到致密燃料的适度70微米的间隔距离。然而，人工准直源给出了132千焦的点火能量。为了减轻发散，我们考虑施加轴向磁场。~50 MG的均匀场足以恢复人工准直点火能量。在欧米茄激光设施的实验中，通过在50-100千克的种子场中使胶囊内爆，产生了这种量级的场。然而，这种内爆场在传输区域中比在激光吸收区域中更压缩。当快速电子遇到越来越强的磁场时，磁镜可以反射其中的很大一部分，并减少与燃料的耦合。一个中空的磁管，峰值在一个有限的半径，提出作为一个领域的配置，绕过镜像。
2012-05-08 physics.plasm-ph
Fast magnetic reconnection in highly-extended current sheets at the National Ignition Facility
在国家点火装置上观测到了磁化激光等离子体之间的快速磁重联。通过平铺两排激光器产生两个高度拉长的等离子体羽流，每个羽流中通过比尔曼电池效应产生磁场。详细的磁场观测，从质子照相使用D $^3$ He胶囊内爆，揭示重联发生在一个扩展的，准一维电流片与大纵横比$\sim 100$。一维几何允许严格和独特的重建的磁场，它显示了一个重联电流片，减薄到半宽度接近电子陀螺标度。尽管纵横比很大，大部分的磁通量重新连接，这表明快速重联支持的非回旋电子压力张量。
2020-03-13 physics.plasm-ph
Collisionless shock acceleration in the corona of an inertial confinement fusion pellet with possible application to ion fast ignition
采用二维Particle-In-Cell模拟方法研究了惯性约束聚变弹丸压缩核芯周围电晕等离子体中的无碰撞激波加速。我们表明，强激光脉冲与长尺度等离子体电晕相互作用能够在临界密度附近发射无碰撞冲击。该非线性波通过等离子体反射并加速背景离子而向上传播。我们的研究结果表明，质子的特性适合于离子快点火可以通过这种方式实现。
2020-11-02 physics.plasm-ph
Design of a Peanut Hohlraum with Low Gas-Fill Density for the Laser Megajoule
国家点火装置的最新实验[D. E. Hinkel等人，物理修订信函117，225002（2016）]证明，利用中等气体填充密度（=0.6 mg/cm 3 4 He）的长、大外壳与胶囊比（=3）的传统圆柱形空腔，由于其激光锥传播的裕度小，因此改善了驱动对称性控制，几乎没有机会在可接受的能级实现点火。在这封信中，一个非圆柱形的黑腔，称为花生黑腔，使用一个较大的外壳到胶囊（=3.46），在较低的气体填充密度（=0.3 mg/cm 3 4 He），以点燃一个高脚推进器胶囊与较短的脉冲（~ 9 ns）。花生空腔需要约2.5 MJ的激光能量来实现306 eV的峰值驱动温度，同时内锥路径上的低Z等离子体电子密度保持很低，这导致几乎没有模拟的拉曼背散射，并且高Z气泡仍然远离内锥路径，其中没有激光吸收，这有利于驱动对称性控制。由于交叉位置远离LEH，交叉光束的能量传递也可以忽略不计。花生状黑腔为实现点火提供了良好的驱动环境，将为ICF方法的多样性提供新的发展方向。
2017-06-07 physics.plasm-ph
Indirect-Drive Fusion Target Design for Commercial Fusion Energy
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Inertia Enterprises
本文基于NIF验证的间接驱动点火物理，提出10 MJ激光驱动的商业聚变靶缩放设计，实现高增益（26-43）和高产额（265-427 MJ），并解决可扩展性、制造及对称性控制等关键问题。
2026-09-18 physics.plasm-ph
Control of Electron Beam Using Strong Magnetic Field for Efficient Core Heating in Fast Ignition
为了提高电子驱动快速点火中的堆芯加热效率，提出了利用外加纵向磁场引导快速电子束的方法。基于FIREX级实验的PIC模拟，我们证明了在中等镜比（~<10）的情况下，在kT级外磁场作用下，碰撞稠密等离子体中的光束导引性能是足够的。通过磁管道结构的形成，由于电阻效应，发现镜场的钻孔，这表明在高镜场的光束引导更高的激光强度和/或更长的脉冲宽度的可能性。
2015-03-11 physics.plasm-ph
Magnetized ICF implosions: ignition at low laser energy using designs with more ablator mass remaining
本文首次重新设计球形ICF内爆以利用外部磁场优势，通过调整壳和冰厚度，在1.57MJ激光能量下实现中子产额8.9×10^17，显著提升点火性能并降低不稳定性。
2025-04-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The National Ignition Facility: Status and Plans for Laser Fusion and High-Energy-Density Experimental Studies
目前正在加利福尼亚大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造的国家点火设施是一个192光束、1.8兆焦耳、500太瓦、351纳米的激光器，用于惯性约束聚变和高能量密度实验研究。NIF由能源部和国家核安全局（NNSA）建造，为美国的库存管理计划提供实验测试平台，以确保该国的核威慑力，而无需进行地下核试验。实验计划将涵盖从聚变能生产到材料科学的广泛物理现象。在每年大约700次的拍摄中，大约10%将用于基础科学研究。激光器硬件模块化为可更换单元（LRU），如可变形反射镜、放大器和多功能传感器包，由近60，000个控制点的分布式计算机控制系统操作。监控室显示整个设施的状态，并使用物理模型预测的操作参数来安排实验。由数百个前端处理器（FEP）组成的网络实现设备控制。面向对象的软件系统是用Ada和Java语言实现的，并强调可重用软件对象的CORBA分布。NIF目前计划于2004年提供第一盏灯，并将于2008年完成。
2001-11-09 physics.gen-ph physics.plasm-ph
Long-Pulse Fast Ignition in MagLIF
Princeton University（普林斯顿大学）
MagLIF通过其几何结构和磁场缓解了快速点火的工程限制，提高了其在惯性约束聚变中的可行性。
2026-02-13 physics.plasm-ph
Effects of alpha stopping power modelling on the ignition threshold in a directly-driven Inertial Confinement Fusion capsule
α粒子能量沉积机制改变了氘氚热核聚变反应的点火条件，是实现惯性约束聚变内爆高增益的关键。本文用Multi-IFE [R. Ramis和J. Meyer-ter-Vehn，Comp.Phys.Comm.203，226（2016）]，以模拟由激光束直接照射的胶囊的内爆。α能量沉积的扩散近似已被用来优化对应于不同的内爆速度的三个激光轮廓。在Multi-IFE中已经包括了Monte-Carlo包来计算α能量传输，并且在这种情况下，能量沉积使用LP [C.K. Li和R. D. Petrasso，Phys. Rev. Lett. 70，3059（1993）]和BPS [L.S.布朗，D.L. Preston和R.L.小辛格尔顿，410，237（2005）]停止功率模型。保持恒定内爆速度的位似变换已被用来绘制边缘点火和高增益配置之间的过渡区。由两个模型提供的结果进行了比较，发现-接近点火阈值-为了产生相同的聚变能量，与BPS模型进行的计算需要约10%以上的投资能量相对于LP模型。
2017-02-24 physics.plasm-ph
Radiation dominated implosion with nano-plasmonics
惯性约束聚变是未来为人类提供大量、清洁和负担得起的能源的一种有前途的选择。高能激光束对靶燃料进行强烈压缩时产生的流体动力学不稳定性阻碍了目前的研究和发展。最近的一项专利结合了两个领域的进展：相对论流体动力学中的爆炸和等离子体纳米壳的辐射能量沉积。目标颗粒的压缩可以是适度的，并且通过激光脉冲实现快速体积点火，其与光穿过颗粒的穿透时间一样短。目标的反射率可以忽略不计，并且吸收率可以通过嵌入目标燃料中的等离子体纳米壳增加一个或两个数量级。因此，在适度压缩的情况下可以实现更高的点火温度。短的光脉冲可以加热目标，使得内部的大部分将同时达到点火温度。这使得任何类型的不稳定性的发展都是不可能的，这将阻止目标的完全点燃。
2017-10-27 physics.plasm-ph
Theory of Fast Electron Transport for Fast Ignition
快速点火惯性约束聚变是惯性聚变的一种变体，其中DT燃料首先被压缩到高密度，然后被快速（< 20 ps）超强激光脉冲产生的相对论电子束点燃，该脉冲通常通过包含重入锥体进入稠密等离子体。该束从锥顶到致密燃料的传输是该方案的关键部分，因为它可以强烈影响整体能量学。本文综述了快速点火背景下快速电子输运的理论和数值模拟研究进展。基本等离子体物理的重要方面，所使用的数值方法的描述，点火规模的模拟审查，并调查计划控制快速电子的传播。在这一领域已经取得了相当大的进展，但发展一个强大的，高增益FI“点设计”仍然是一个持续的挑战。
2013-04-03 physics.plasm-ph
Integrated Radiation-Magneto-Hydrodynamic Simulations of Magnetized Burning Plasmas. I. Magnetizing Ignition-Class Designs
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
本研究通过磁化点火类设计，发现施加磁场可显著提升聚变产额和中子产额，尤其在N221204和N210808试验中表现出显著增强。
2026-01-19 physics.plasm-ph
Cone-Guided Fast Ignition with no Imposed Magnetic Fields
点火规模的快速点火目标的模拟已经进行了新的综合Zuma-Hydra PIC流体动力学能力。我们考虑一个理想的球形DT燃料组件与碳锥，和一个人工准直的快电子源。我们研究了E场和B场的作用以及快电子能谱。对于单能1.5 MeV快电子，在无E和B场时，点火所需能量为Ef ^{ig} = 30 kJ。这大约是我们的燃料密度为450 g/cm^3时最小沉积点火能量8.7 kJ的3.5倍。将E和B场与电阻性欧姆定律E = ηJ_b结合，得到E_f^{ig} = 20 kJ，而使用完整的欧姆定律得到E_f^{ig} > 40 kJ。这是由于在前一种情况下的磁自导引，以及在后一种情况下的\nabla n \times \nabla T磁场。利用PIC激光等离子体模拟得到的准双温能谱，对（无E/B，E = ηJ_b，完全欧姆定律），将E_f^{ig}提高到（102，81，162）kJ。这是因为电子能量太大，无法完全停止在最佳热点深度。
2012-09-10 physics.plasm-ph
Simulation of Stimulated Brillouin Scattering and Stimulated Raman Scattering In Shock Ignition
通过流体模拟和粒子模拟的对比，研究了冲击波点火过程中的受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）。在OMEGA实验的典型参数下[Theobald \emph{et al} .，Phys. Plasmas \textbf{19}，102706（2012）]，一系列具有范围在2 $\times$ 10 $^{15}$和2 $\times$ 10 $^{16}$ W/cm $^2$之间的激光强度的1D流体模拟发现SBS是主要的不稳定性，其随着入射强度显著增加。由SBS和SRS引起的强泵浦损耗限制了0.17 n $_c$处的透射强度小于3.5 $\times$ × 10 $^{15}$ W/cm $^2$。PIC模拟显示出类似的物理性质，但对于SBS和SRS对流模式具有更高的饱和水平，并且由于PIC代码中电磁场的种子水平更高而具有更强的泵浦耗尽。等离子体流动剖面被发现是重要的SBS的正确建模和限制其反射率在流体和PIC模拟。
2016-03-23 physics.plasm-ph
Directed Nano-antennas for Laser Fusion
ELI ALPS, ELI-HU Non-Profit Ltd.（ELI ALPS，ELI-HU非营利有限公司）；HUN-REN Wigner Research Centre for Physics（匈牙利科学院维格纳物理研究中心）；Department of Optics and Quantum Electronics, University of Szeged（塞格德大学光学与量子电子学系）；Cyclotron Institute, Texas A&M University（德克萨斯农工大学回旋加速器研究所）；Laboratori Nazionali del Sud, INFN（意大利国家核物理研究所南部分实验室）；Budapest University of Technology and Economics（布达佩斯技术与经济大学）；Department of Physics and Technology, University of Bergen（卑尔根大学物理与技术系）；National Laser-Initiated Transmutation Laboratory, University of Szeged（塞格德大学国家激光诱导嬗变实验室）；King's College London（伦敦国王学院）；Csernai Consult Bergen（Csernai咨询（卑尔根））；Frankfurt Institute for Advanced Studies（法兰克福高等研究院）
提出利用纳米天线实现辐射主导的靶体积同时点火，避免机械不稳定性和膨胀问题，通过正交于激光方向的质子加速实现点火。
2026-05-28 physics.optics physics.plasm-ph
New option for solving the climatic problems with non-thermal laser driven boron fusion and ultrahigh magnetic fields
与聚变能可持续发展的广泛趋势相反，现在通过在等离子体块点火方案中应用超短、超强激光脉冲来开发新的方面，通过使用电动非热能转换来避免众所周知的热压不稳定性和损失的困难。另一个优点是新的10千特斯拉磁场，用于未压缩的质子-硼燃料的聚变，避免了危险的核辐射问题。
2014-12-13 physics.plasm-ph
Pinch effect of self-generated magnetic fields in the quantum degenerate plasmas on the heating process of the double-cone ignition scheme
针对双锥点火中碰撞等离子体的量子简并外层，研究通过大规模PIC模拟和理论分析揭示强自生磁场对快电子的箍缩聚束作用，提升核心能量沉积与快点火加热效率。
2023-04-21 physics.plasm-ph
Efficient modeling of laser plasma interactions in high energy density scenarios
我们描述了一个新的框架耦合一个完整的PIC算法与减少PIC算法已实施到代码OSIRIS。我们表明，OSIRIS与这种新的混合PIC算法可以有效地和准确地模拟高能量密度的情况下，如离子加速激光固体相互作用和快速点火的聚变目标。我们第一次在完全自洽的混合PIC模拟中模拟了快速点火目标的全密度范围，说明了以相对较高的效率在核心区域停止激光产生的电子通量的可能性。计算加速超过1000倍的演示，开辟了道路，全尺寸的高能量密度的情况下，多维建模和指导未来的实验。
2012-05-14 physics.comp-ph physics.plasm-ph
X-ray imaging and electron temperature evolution in laser-driven magnetic reconnection experiments at the National Ignition Facility
本研究通过国家点火装置实验，利用X射线成像观测磁重联层形成与演化，发现电流片加热由电子-离子阻力主导，而非磁能转换。
2024-04-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Amplifier scheme: driven by direct-drive under 10 MJ laser toward inertial fusion energy
本文提出一种可在10 MJ激光驱动器上实现的直接驱动放大器方案，通过二次内爆延长燃烧阶段并产生额外增益，在低收敛比下放宽热点与工程限制，为清洁聚变能源靶设计提供新路径。
2024-12-24 physics.plasm-ph
Accounting for speckle scale beam-bending in classical ray tracing schemes for propagating realistic pulses in indirect drive ignition conditions
提出了一种等离子体流引起的平滑激光束偏移的半解析模型。基于高斯描述的散斑，该模型包括空间，时间和偏振平滑技术，通过从流体动力学模拟发出的配合与近轴描述的电磁波。然后将该光束弯曲模型包含在光线跟踪算法中，并仔细验证。在NIF实验的全尺寸模拟中，当作为后处理应用于内锥的传播时，沿激光路径的光束弯曲会影响黑腔内部的折射条件和能量沉积，并且可以解释异常折射测量，即在一些NIF实验中观察到的所谓闪烁。
2022-09-02 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.optics
600-T Magnetic Fields due to Cold Electron Flow in a simple Cu-Coil irradiated by High Power Laser pulses
提出了一种新的简单的冷电子流产生强磁场的机制。当激光强度为5.7 × 10^15 Wcm^-2时，在自由空间中会产生600 T的强磁场。理论分析表明，磁场强度与激光强度成正比。这种强磁场为研究激光-等离子体物理，特别是快点火激光聚变研究和实验室天体物理提供了一个新的实验平台。
2015-05-04 physics.plasm-ph
Study of filamentation instability on the divergence of ultraintense laser-driven electrons
采用碰撞粒子模拟方法研究了超强激光脉冲与等离子体靶相互作用过程中相对论电子束的产生。在碰撞等离子体中，由于等离子体中的双折射不稳定性（FI），产生了横向尺度长度为几个局部等离子体趋肤深度的强磁场，与靶中RE电流的传播有关，从而导致RE发散比无碰撞情况下大大增强。这种效应随着激光强度和靶电荷状态的增加而增加，这表明在未来的快点火实验和激光驱动电子束的其他应用中，在适当的激光强度下使用低Z材料可能会改善RE发散。
2016-10-14 physics.plasm-ph
Driver at 10 MJ and 1 shot/30min for inertial confinement fusion at high gain: efficient, compact, low-cost, low laser-plasma instabilities, beam-color selectable from 2 omega/3 omega/4 omega, applicable to multiple laser fusion schemes
针对惯性聚变能所需的高增益，提出一种10 MJ、2~3 PW、每30分钟1发、波长0.353微米的下一代激光驱动器概念设计，其高效、紧凑、低成本且低不稳定性，目标增益G>30，适用于多种激光聚变方案。
2024-05-28 hep-ex physics.plasm-ph
Three-dimensional simulations of laser-plasma interactions at ultrahigh intensities
采用三维粒子模拟方法研究了超临界密度下强激光（$> 10^{20}$ W/cm $^{-2}$）与物质的相互作用.强激光脉冲穿透相对论临界密度水平，并在此过程中强烈的自聚焦。当激光聚焦时，被加速电子的热通量被观察到具有环形结构，这表明大部分快电子以一定角度被加速。这些结果揭示了激光-等离子体相互作用中存在的多维效应，这些效应与聚变靶的快速点火和等离子体中激光驱动的离子加速有关。
2012-05-14 physics.plasm-ph
Amplifier scheme: driven by indirect-drive under 10 MJ laser toward inertial fusion energy
针对ICF燃烧效率低的问题，提出一种通过两次级联爆炸提高燃烧效率的amplifier方案，在10 MJ激光间接驱动下实现48%燃烧效率和33增益，降低了对点火条件的要求。
2024-12-24 physics.plasm-ph
Ways towards pure deuterium inertial confinement fusion through the attainment of gigavolt potentials
通过抑制悬浮在螺旋泰勒流中的高电荷导体的阶梯先导击穿来获得高的电势，为通过惯性约束点燃热核反应提供了更大数量级的驱动能量的可能性。在达到千兆伏的电势时，1016瓦、GeV的强离子束成为可能。加上它们强大的自身磁场，这些光束应该足够强大，可以将热核微爆炸发射到纯氘中，并被这些光束压缩和点燃。在高增益激光聚变中，微爆产生的质子闪光很可能会破坏光学激光点火装置，但如何避免这种危险却没有说明。可能达到的千兆伏电压可能使激光聚变过时。
2008-08-13 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Low-frequency whistler waves excited by relativistic laser pulses
多维粒子模拟表明，相对论激光脉冲可以在高磁化、近临界密度等离子体中激发出具有特殊涡旋状场拓扑结构的强烈二次哨声波。这种具有较低频率的哨声波在激光传播轴的两侧倾斜地传播。从激光到哨声波的能量转换率可以超过15%。线性冷等离子体模型可以很好地解释它们的色散关系和场极化特性。本文的工作提出了一种新的哨声模激发机制，扩展到相对论区域，也可应用于磁助快点火。
2020-10-15 physics.plasm-ph
An advanced three-axis elliptical hohlraum for indirectly driven inertial confinement fusion
传统圆柱形黑腔结构中的辐射对称性和激光等离子体不稳定性是间接驱动惯性约束聚变点火方法面临的两大难题。近年来，人们提出了近真空圆柱形黑腔（NVCH）、八面体球形黑腔（SH）和新型三轴圆柱形黑腔（TACH）来解决这些问题。而耦合效率可能仍然是一个关键的风险。本文提出了一种改进的三轴椭圆形黑腔（TAEH），以使这些黑腔性能之间的折衷。初步模拟表明，TAEH（外壳与胶囊比，CCR=2.8）可以在高脚驱动的整个激光脉冲期间提供出色的辐射对称性，与SH（CCR=5.1）和TACH（CCR=2.2）内部的辐射对称性相当。等离子体填充时间介于SH和TACH之间，约为NIC点火黑腔Rev 5-CH中的1.5倍，与NVCH（CCR=3.4）中的填充时间相近。特别地，耦合效率分别比NVCH、SH和TACH内部的耦合效率高约22%、29%和17%。可以预见，建议的黑腔结构值得考虑作为一种替代路线，间接驱动点火，补充传统的圆柱形黑腔和最近提出的新的黑腔。
2017-03-05 physics.plasm-ph
Imposed Magnetic Field and Hot Electron Propagation in Inertial Fusion Hohlraums
研究了外加轴向磁场$B_{z0}$对惯性约束聚变（ICF）间接驱动黑腔中流体力学和高能电子的影响。我们目前的模拟从辐射流体动力学代码HYDRONIC的低点火设计的国家点火装置（NIF），有和没有$B_{z0}=70$特斯拉。场的主要流体动力学效应是显著减少垂直于场的电子热传导。这导致在密封舱和黑腔壁之间的赤道上的等离子体更热，密度更小。内部激光束在到达壁之前经历较少的逆韧致辐射吸收。因此，在外加磁场的情况下，来自赤道的X射线驱动更强。我们研究超热，或“热”，电子动力学与粒子在细胞的代码ZUMA，使用等离子体条件从HYDROGEN。在早期激光尖峰期间，基于激光入口孔中的双等离子体的热电子衰变（Regan等人，等离子体2010）通过70 T场被引导到胶囊。氘氚（DT）燃料中的能量沉积量增加了12倍。对于峰值激光功率早期的等离子体条件，我们提出了单能量的测试案例研究与ZUMA，以及基于内光束受激拉曼散射的来源。场对DT沉积的影响在很大程度上取决于源位置，即热电子是否在连接到胶囊的场线上产生。
2015-10-08 physics.plasm-ph
