圖 在小說《三體》中，人類已經熟練掌握了可控核聚變技術，幾乎進入了一個“無限能源”時代。

當然，要將科幻變為現實，人類需要解決無數已知和未知的技術難點。目前，世界各國的科學家們提出了多種實現可控核聚變的技術路線。作為一種主流模式，慣性約束核聚變的物理基礎是利用粒子自身的慣性對燃料原子進行約束，以實現熱核反應的一種方法。其中的一個關鍵技術難點就是——精準控制內爆過程的誤差。為此，我們需要一雙能實現實時診斷的“眼睛”。

診斷高能量密度物質的利器

“萬物生長靠太陽”，太陽之所以能夠產生巨大的能量，并持續為地球上的生命提供能源，依靠的正是在其自身引力束縛下的高溫高密度中心的熱核聚變。慣性約束核聚變的發生也需要極高的溫度和壓力，才能讓原子核具備足夠的動能。

幾十年來，科學家們已經把慣性約束核聚變的點火過程研究得非常清楚了，如下圖所示，包含了四步：①驅動器的能量快速被燒蝕層吸收;②燒蝕層被加熱，對主燃料層進行壓縮;③進一步壓縮使靶丸中心位置形成熱點;④聚變反應最先在熱點開始，并向外壓縮的自持燃燒過程。

圖 熱核反應過程

在點火過程中，靶丸會在瞬間形成一種高能量密度物質(High Energy Density Materials, HEDM)。這種物質通常被認為是能量沉積密度高于1011J/m3或壓強高于1Mbar(相當于大氣壓強的106倍)的極端狀態下的物質，擁有超導、超硬和抗輻照等特殊物態性質。

然而大量的研究表明，因為壓縮不對稱等問題帶來的巨大挑戰，使得在慣性約束核聚變中實現點火及能量的正輸出是一項異常艱難的科學任務。為了不斷調整流體設計、精準控制內爆過程的誤差，科學家們迫切需要對慣性約束核聚變中的靶丸內部信息進行實時診斷和反饋，也就是給高溫高稠密物質“拍快照”。

就像醫生診斷病情需要借助CT、核磁共振等手段，科學家們對高能量密度物質的診斷，也需要相應的利器。

目前可用于高能量密度物質診斷的成像手段包括X射線成像、中子成像、質子成像和電子成像。然而，X射線成像和中子成像的分辨率受到相關的加速器技術限制;質子成像的空間分辨率很高，造價卻十分昂貴。

綜合考量下，電子成像的表現最為優異：當高能電子束穿過高能量密度物質時，電子束被物質內核子散射，其散射角度分布與靶物質的密度和厚度相關，此時的電子束中便含有了高能密度物質的相關信息。高能電子成像具有優越的時間和空間分辨率，而且高能電子加速器的建造技術已十分成熟，因此是高能量密度物質診斷手段的不二之選。 高分辨率的實現及未來

當我們挑選一臺相機時，像素是我們必須關心的指標。同樣，如果科學家要給核聚變拍照片，首先需要解決的問題就是——分辨率。

我們可以把高能電子成像理解為一種擁有超高電子束能量的透射照相機。目前，這種“高能電子照相機”的最好分辨率水平是由蘭州高能電子成像平臺(HERPL)產生的。

圖 由中科院近代物理所研制的蘭州高能電子成像實驗平臺

當然，這種“高能電子照相機”和我們日常使用的照相機的結構并不相同，其實是一種基于電子直線加速器的高能電子束線。相比于蘭州重離子加速器等身型龐大的加速器，電子加速器相當“袖珍”。如果你有機會來到中科院近代物理研究所參觀，你會發現HERPL上的一塊藍色的四極磁鐵，只有兩個巴掌大小。

HERPL主要由兩臺電子槍和一根SLAC型3m行波加速管組成，還包括其他的匹配和診斷元件。電子槍產生的較低能量的電子，通過四極磁鐵的橫向匹配、α磁鐵的縱向優化，在經過行波加速管加速后，就能產生高能量、穿透力強的探測電子束。

圖 蘭州高能電子成像實驗平臺示意圖

雖然HERPL的身型相當“迷你”，但是本領卻很強大。作為探索高能量密度物質新型診斷方式的實驗平臺，HERPL可以提供皮秒量級脈寬、納秒量級重復周期和微庫量級脈沖電荷量的高能電子束流，成像的時間分辨在皮秒至納秒量級，空間分辨達到微米量級。

通過多年的關鍵技術攻關，近代物理所的研究者們依托HERPL，在2020年的成像實驗中實現了目前高能電子透射成像領域最好的空間分辨水平(0.8 μm)，能夠滿足高能量密度物質空間分辨診斷的需求。

圖 TEM網格的電子成像結果。根據網格目標的幾何尺寸，研究者們最終確定了物平面上的最佳空間分辨率。

然而，要給核聚變“拍快照”，僅靠高分辨率是不夠的。因為高能量密度物質的產生及演化過程通常在納秒至幾百納秒之間，如果要把它們的內部信息拍攝下來，還需要更穩定的工作狀態、更高的清晰度和更多角度的信息。

接下來，研究者們還將繼續優化升級，力爭讓這款“照相機”的“快門”速度更高，實現超快成像、動態成像和三維成像，獲得更優越的性能，為發展慣性約束核聚變助力。

除了探索高能量密度物理和慣性約束核聚變中的科學問題，這款“迷你”的加速器還能干點別的嗎?當然!千萬別小看它。HERPL后續還將陸續進行一系列用戶實驗，并進行改造升級，拓寬應用領域。目前，HERPL已經應用到核材料拉伸實驗中，可以觀察核材料在應力、溫度作用下的微裂紋演化;未來，通過遠紅外自由電子激光的改造升級，它還有望從微觀尺度檢測物理化學過程涉及的多種表面反應關鍵中間物種，對化石能源的優化利用和潔凈能源的開發具有重要意義。

技術的發展與創新之路永無止境。隨著科學家和工程師們不斷前進的步伐，“迷你”的加速器也將蘊藏無窮的能量，期待它在人類探索新能源、新材料的道路中大顯身手!