北京应用物理与计算数学研究所的研究人员突破长达四十多年的传统柱形黑腔的设计，提出了全新的六孔球腔的概念，并给出了六孔球腔的构型和设计。该六孔球腔结构可满足内爆要求的高辐照均匀性，且无须复杂的调控技术。六孔球腔的概念提出后，很快在国际惯性约束聚变研究领域引起了广泛关注。

实验室聚变点火有望为人类提供取之不尽、用之不竭的清洁能源，是科学家们一直追求实现的梦想。耗资三十多亿美元、于2009年建成的世界上最大的激光器——美国国家点火装置(NIF)的目的就是实现聚变点火。尽管美国在NIF上开展的间接驱动惯性约束聚变(ICF)研究中取得了许多堪称里程碑式的重要成果，但其最重要的目标——点火却一直没有实现。导致点火失败的一个众所周知的原因是NIF上所采用的柱形黑腔中的辐照均匀性无法满足靶丸内爆的要求且难以调控。因此，研究可提供高辐照均匀性的黑腔成为间接驱动ICF的一个重要方式。由于六孔球腔可以提供满足内爆要求的全维度高辐照均匀性，目前已成为间接驱动惯性约束聚变研究中的一个热点。理论上六孔球腔还具有高激光能量耦合效率的优点，但能否在现有条件下成功开展六孔球腔能量学实验，通过实验验证六孔球腔在激光能量耦合效率方面的优势，是六孔球腔获得实际应用的重要前提。

中国工程物理研究院激光聚变研究中心的神光III激光装置(SGIII)目前是世界上第二大激光装置，拥有48束激光、18万焦耳的激光能量输出能力，于2014年正式用于ICF物理实验研究，是我国唯一一个可能开展六孔球腔实验研究的平台。然而，六孔球腔与传统的两孔柱腔在构型上完全不同，开展六孔球腔能量学实验面临着诸多科学与技术的挑战，如激光注入方式、制靶以及辐射场诊断等。这些问题在之前的黑腔物理研究中从未遇到过。

SGIII激光装置是为两端驱动的柱形黑腔设计的，其48束激光集中排布在靶室的上下两端，上下各有24束激光。24束激光又被分为4环，它们与靶室对称轴的夹角分别为28.5°，35°，50°和55°。为了将为柱腔设计的激光束分别从六个激光注入孔注入到球腔中，研究人员根据六孔球腔的几何尺寸结合黑腔能量学研究的需要，确定了一种方案将激光成功注入到六孔球腔中。在该方案中，从48束激光中选择了32束激光分别从六个激光注入孔注入到球腔中，如图1所示。其中，位于上下极区的激光注入孔各注入八束激光，分别为4束28.5°的激光束和4束55°的激光束；位于赤道区的4个激光注入孔各注入4束激光，分别为2束50°的激光束和2束35°的激光束。在这种情况下，赤道区激光注入孔上50°激光束的注入角度(激光束与激光注入孔平面法向的夹角)为47.9°，35°激光束的注入角度为61.5°。

图1 SGIII激光装置上六孔球腔能量学实验中的激光注入示意图

传统的制靶技术是基于制备柱对称两孔柱腔而发展起来的。但是，六孔球腔不是柱对称结构，而是球对称结构。为了制备出满足实验要求的六孔球腔，激光聚变研究中心的制靶团队、实验团队和北京应用物理与计算数学研究所的理论团队对六孔球腔的几何结构进行了系统分析，发展了全新的制靶流程。在制靶设备的功能不能完全满足制备球对称六孔球腔的情况下，通过提升制靶技术工艺，最终制备出了满足实验要求的高质量六孔球腔。而对于六孔球腔辐射场的诊断，激光聚变研究中心的ICF诊断团队采用他们自主研发的平响应X光探测器(FXRD)和M带X光探测器(MXRD)，在腔外不同位置通过激光注入孔测量了六孔球腔不同特征区域发射的辐射流，以全面评估六孔球腔辐射场强度；为了评估激光注入孔附近的X光发射情况，诊断团队研发了新型针孔相机，用于检测多个激光注入孔的激光注入情况和X光发光；同时还采用了冲击波测量技术直接诊断六孔球腔腔内的辐射温度，以便与FXRD的测量结果进行对比。六孔球腔能量学实验的激光注入和诊断排布如图2所示。

图2 SGIII主机六孔球腔能量学实验的激光注入和诊断设备排布示意图

在SGIII激光装置上开展的首个六孔球腔能量学实验获得了重复性非常好的实验结果，圆满完成了该项实验的物理目标。各个FXRD测得的辐射流结果如图3所示。当总激光能量为80 kJ左右时，六孔球腔的峰值辐射温度约为175 eV。为了评估六孔球腔的激光X光转换效率，在没有可以精确模拟六孔球腔能量学实验的三维辐射流体力学程序的情况下，理论团队采用等效模型，利用二维辐射流体力学程序对六孔球腔能量学进行了评估。结果表明，在SGIII激光装置目前的条件下，对于3 ns的平顶激光脉冲，充气六孔球腔的激光X光转换效率在83%左右。

图3 (a) FXRD和MXRD测得的辐射流；(b) 由各个FXRD测得的辐射流得到的辐射温度

该成果以First Octahedral Spherical Hohlraum Energetics Experiment at the SGIII Laser Facility为题发表Physical Review Letters[120, 165001 (2018)]上，并被选为当期的封面文章。第一作者为北京应用物理与计算数学研究所的霍文义研究员。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.165001