用一升海水，就能让汽车不带尾气的奔驰数千公里，这个技术香吗?当然，十分诱人!无论是在描绘未来的科幻故事中，还是在基于现实的前沿科技新闻里，“可控核聚变”已经不再是一个让公众陌生的概念。可控核聚变被视为未来的终极能源。在美好的科学蓝图中，人们希望利用海水中丰富的氘进行核聚变反应，释放出的能量足够人类使用百亿年，而且所产生的反应产物是无放射性污染的氦。因此，这种未来的新能源足够清洁、安全，而且无限。
图 在小说《三体》中，人类已经熟练掌握了可控核聚变技术，几乎进入了一个“无限能源”时代。
当然，要将科幻变为现实，人类需要解决无数已知和未知的技术难点。目前，世界各国的科学家们提出了多种实现可控核聚变的技术路线。作为一种主流模式，惯性约束核聚变的物理基础是利用粒子自身的惯性对燃料原子进行约束，以实现热核反应的一种方法。其中的一个关键技术难点就是——精准控制内爆过程的误差。为此，我们需要一双能实现实时诊断的“眼睛”。
诊断高能量密度物质的利器
“万物生长靠太阳”，太阳之所以能够产生巨大的能量，并持续为地球上的生命提供能源，依靠的正是在其自身引力束缚下的高温高密度中心的热核聚变。惯性约束核聚变的发生也需要极高的温度和压力，才能让原子核具备足够的动能。
几十年来，科学家们已经把惯性约束核聚变的点火过程研究得非常清楚了，如下图所示，包含了四步：①驱动器的能量快速被烧蚀层吸收;②烧蚀层被加热，对主燃料层进行压缩;③进一步压缩使靶丸中心位置形成热点;④聚变反应最先在热点开始，并向外压缩的自持燃烧过程。
图 热核反应过程
在点火过程中，靶丸会在瞬间形成一种高能量密度物质(High Energy Density Materials, HEDM)。这种物质通常被认为是能量沉积密度高于1011J/m3或压强高于1Mbar(相当于大气压强的106倍)的极端状态下的物质，拥有超导、超硬和抗辐照等特殊物态性质。
然而大量的研究表明，因为压缩不对称等问题带来的巨大挑战，使得在惯性约束核聚变中实现点火及能量的正输出是一项异常艰难的科学任务。为了不断调整流体设计、精准控制内爆过程的误差，科学家们迫切需要对惯性约束核聚变中的靶丸内部信息进行实时诊断和反馈，也就是给高温高稠密物质“拍快照”。
就像医生诊断病情需要借助CT、核磁共振等手段，科学家们对高能量密度物质的诊断，也需要相应的利器。
目前可用于高能量密度物质诊断的成像手段包括X射线成像、中子成像、质子成像和电子成像。然而，X射线成像和中子成像的分辨率受到相关的加速器技术限制;质子成像的空间分辨率很高，造价却十分昂贵。
综合考量下，电子成像的表现最为优异：当高能电子束穿过高能量密度物质时，电子束被物质内核子散射，其散射角度分布与靶物质的密度和厚度相关，此时的电子束中便含有了高能密度物质的相关信息。高能电子成像具有优越的时间和空间分辨率，而且高能电子加速器的建造技术已十分成熟，因此是高能量密度物质诊断手段的不二之选。
高分辨率的实现及未来
当我们挑选一台相机时，像素是我们必须关心的指标。同样，如果科学家要给核聚变拍照片，首先需要解决的问题就是——分辨率。
我们可以把高能电子成像理解为一种拥有超高电子束能量的透射照相机。目前，这种“高能电子照相机”的最好分辨率水平是由兰州高能电子成像平台(HERPL)产生的。
图 由中科院近代物理所研制的兰州高能电子成像实验平台
当然，这种“高能电子照相机”和我们日常使用的照相机的结构并不相同，其实是一种基于电子直线加速器的高能电子束线。相比于兰州重离子加速器等身型庞大的加速器，电子加速器相当“袖珍”。如果你有机会来到中科院近代物理研究所参观，你会发现HERPL上的一块蓝色的四极磁铁，只有两个巴掌大小。
HERPL主要由两台电子枪和一根SLAC型3m行波加速管组成，还包括其他的匹配和诊断元件。电子枪产生的较低能量的电子，通过四极磁铁的横向匹配、α磁铁的纵向优化，在经过行波加速管加速后，就能产生高能量、穿透力强的探测电子束。
图 兰州高能电子成像实验平台示意图
虽然HERPL的身型相当“迷你”，但是本领却很强大。作为探索高能量密度物质新型诊断方式的实验平台，HERPL可以提供皮秒量级脉宽、纳秒量级重复周期和微库量级脉冲电荷量的高能电子束流，成像的时间分辨在皮秒至纳秒量级，空间分辨达到微米量级。
通过多年的关键技术攻关，近代物理所的研究者们依托HERPL，在2020年的成像实验中实现了目前高能电子透射成像领域最好的空间分辨水平(0.8 μm)，能够满足高能量密度物质空间分辨诊断的需求。
图 TEM网格的电子成像结果。根据网格目标的几何尺寸，研究者们最终确定了物平面上的最佳空间分辨率。
然而，要给核聚变“拍快照”，仅靠高分辨率是不够的。因为高能量密度物质的产生及演化过程通常在纳秒至几百纳秒之间，如果要把它们的内部信息拍摄下来，还需要更稳定的工作状态、更高的清晰度和更多角度的信息。
接下来，研究者们还将继续优化升级，力争让这款“照相机”的“快门”速度更高，实现超快成像、动态成像和三维成像，获得更优越的性能，为发展惯性约束核聚变助力。
除了探索高能量密度物理和惯性约束核聚变中的科学问题，这款“迷你”的加速器还能干点别的吗?当然!千万别小看它。HERPL后续还将陆续进行一系列用户实验，并进行改造升级，拓宽应用领域。目前，HERPL已经应用到核材料拉伸实验中，可以观察核材料在应力、温度作用下的微裂纹演化;未来，通过远红外自由电子激光的改造升级，它还有望从微观尺度检测物理化学过程涉及的多种表面反应关键中间物种，对化石能源的优化利用和洁净能源的开发具有重要意义。
技术的发展与创新之路永无止境。随着科学家和工程师们不断前进的步伐，“迷你”的加速器也将蕴藏无穷的能量，期待它在人类探索新能源、新材料的道路中大显身手!
