作者查理·奥索林，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 目标区域操作员比尔·博德从诊断仪器操作器上取下一个中子成像仪入口
NIF中子成像系统产生了聚变反应产生的初级中子和低能中子的源分布图像，低能中子被ICF舱中的压缩燃料向下散射
荣誉:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 在巅峰时期，NIF惯性约束聚变内爆持续大约100万亿分之一秒
内爆燃料的直径是百万分之一米，密度是铅的八倍
内爆太空舱的中心比太阳核心要热几倍
当研究人员致力于在世界上最大和能量最高的激光系统上实现聚变点火时，他们面临的最大挑战之一是对NIF内爆在这些极端条件下到底发生了什么有一个清晰的了解
为了帮助应对这一挑战，劳伦斯利弗莫尔国家实验室及其合作实验室和大学设计并建造了一套包含十几个核诊断的广泛套件，还有更多正在开发中
“当你诊断内爆时，你想知道关于内爆等离子体的一切，”LLNL物理学家戴夫·施洛斯伯格说
“核诊断套件试图解决不同的参数，你可以独立测量，”他说
“中子成像系统测量内爆的空间分布
中子飞行时间诊断测量平均能量和漂移速度
伽马反应历史测量相对于时间的发射
通过收集这些信息，我们可以更好地了解内爆过程
" 物理学家凯利·哈恩补充道:“一些诊断方法会互相“干扰”
“有些人提供不同的信息，有些人有相似的信息，我们可以把它们放在一起，组成一个更全面的画面
如果你想实现点火，核诊断至关重要
" 性能线索 提供内爆性能线索的关键因素包括中子产额、离子(等离子体)温度和向下散射比——通过与燃料中的氢同位素相互作用散射的高能中子和低能中子的数量之间的比率，这是燃料密度和热点周围冷燃料分布的指示
磁反冲谱仪是由麻省理工学院和罗彻斯特大学激光能量学实验室开发的，通过测量从内爆附近的塑料箔中释放出的质子(或氘)能量来测量内爆的中子谱
磁流变仪是测量内爆目标的空气密度和产量的关键诊断工具，有助于研究人员量化弹丸接近点火条件的程度
荣誉:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 爆炸时间——表征内爆速度的峰值中子发射时间——和燃烧宽度——内爆产生中子的时间长度也很重要
所有这些参数和其他参数都通过核诊断进行评估
“核诊断基本上是唯一真正测量燃料密度和温度的诊断，”核诊断小组组长阿拉斯泰尔·摩尔说
“它们对于了解我们燃料的组装情况以及我们离点火有多近至关重要
" 在NIF的离子传导膜实验中，多达192束强激光加热了一个叫做“真空”的圆柱形x光“烤箱”
x光压缩氢同位素，氘和氚，部分冻结在悬浮在腔室内的一个小胶囊内
如果密度和温度足够高并持续足够长的时间，燃料将点燃并产生自持的热核反应，该反应通过燃料扩散并释放大量能量，主要是以高能中子的形式
内爆过程产生的温度和压力类似于在恒星、巨型行星和核爆炸中发现的温度和压力
NIF是国家核安全局库存管理计划的重要组成部分，在NIF的实验推进了高能密度(HED)科学的科学研究，包括天体物理学、材料科学和ICF
未知的未知 NIF核诊断的一个特殊价值是它们有能力帮助回答研究人员甚至不知道他们有什么问题——科学家称之为“未知的未知”
" 例如，最近，位于目标室周围的四个中子飞行时间探测器阵列显示，内爆中心的微小热点以每秒约100公里的速度漂移——这表明内爆不对称，这是性能下降的主要原因
工程师贾本·鲁特在NIF靶室的一个洞内安装了一个实时中子活化探测器组件
中子活化诊断测量来自NIF内爆的未散射中子的产量
它们安装在靶室的48个位置，包括27个必须在靶室周围的喷浆石(硬混凝土)上钻孔的位置，并为靶实验中聚变反应产生的中子提供第一层屏蔽
荣誉:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 “我们最初有两个分光计，”物理学家埃德·哈图尼说，“加上第三个分光计，我们就有能力观察运动，测量热点的漂移速度，这是完全没有预料到的
事实上，这需要相当长的时间才能被接受，这些探测器告诉我们的解释
“他们揭示了内爆中正在发生的一些我们没有预料到的、没有人预料到的事情，”他说
“热点会移动——这很令人惊讶
" “我们实际上有第五个光谱仪上线，”摩尔指出，“这将使我们更好地了解热点是否在移动，因为我们驱动它是不对称的，或者因为胶囊是不对称的，或者腔室是不对称的
所有这些可能导致内爆性能不佳的故障模式都可以通过让多个光谱仪观察同一内爆来直接诊断
" 这还不是全部
在洛斯阿拉莫斯国家实验室(LALL)中子成像团队的领导下，来自LALL、LLNL和罗彻斯特大学激光能量学实验室(LLE)的研究人员最近增加了第三个中子成像系统NIS3，旨在提供一个三维图像，显示内爆点火阶段燃烧的DT等离子体的大小和形状
热点的大小和燃料的不对称性是由一次中子或高能中子的图像决定的，而冷燃料的面密度，即ρ-R，是由下散射比推断出来的
面密度是获得点火和熔化燃烧的燃料最终结构中的一个重要因素
“随着NIF向更高的性能迈进，理解这些内爆的三维本质变得至关重要，”LLNL物理学家大卫·菲汀霍夫说
“利用之前的两条中子成像视线(在赤道和目标室的北极)，我们必须对内爆的对称性做出假设
“现在有了新的NIS3，我们有三条正交的视线来重建一个融合等离子体的体积，”他说
“一个类比可能是看到一幅人的画和实际在他的雕塑周围行走之间的区别
" 除了改进中子成像外，NIS3还提供了一条视线，用于对聚变中子从内爆过程中残留的目标胶囊材料中的碳的非弹性散射产生的伽马射线进行成像
这可以帮助研究人员确定胶囊材料与聚变燃料混合的数量和效果，聚变燃料是性能下降的已知来源
NIF靶室中子活化分析探测器的分布
红点表示钻孔以插入探测器的位置
荣誉:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 2017年又完成了一次重大诊断升级，在目标室周围的战略位置安装了48个实时中子活化探测器阵列
早期的中子活化受体，称为法兰型中子活化受体，在未受散射的中子活化锆样品时发挥作用
从反应室中取出活化的样品，并使用现场其他地方的核计数技术测定活化水平
实时中子活化检测器的激活在现场进行监控，以更快的周转速度和更低的运行成本对未散射中子产额的角度分布进行更好的采样
该系统提供中子注量分布的近实时确定
它的中子产额超过两到三个数量级，提供精确到2%或更高的总产额估计
摩尔解释说:“由于爆炸压缩核心中的燃料厚度不同，中子产额在反应室周围也不同。”
“当太空舱爆炸时，中子活化分析主要是一种告诉燃料如何在热点周围分布的方法
" “它的探测器数量是法兰NADs系统的两倍，灵敏度是法兰NADs系统的五倍”，著名的诊断物理学家理查德·比昂塔，RT-NADs系统的负责科学家
“在旧系统中，我们只有一个探测器
20个圆盘中的每一个都被一次一个地放置在探测器中，所以需要五天的时间来完成
(RT-NADs)当然比我们过去做的好得多
" “理查德花了两年多的时间开发管理数据流的能力，”摩尔补充道
“你有48个探测器，每10分钟读出一次数据，产生万亿字节的数据
你试着去分析它，然后再把照片拼凑起来，照片上发生了什么
"
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