在高能量密度物理（HEDP）研究领域，离子在等离子体中的超快动力学行为对于理解物质在极端条件下的性质至关重要。然而，由于时间尺度极短（皮秒量级）且诊断手段有限，实验上直接获取离子的能量、角度分布等信息极为困难。传统方法如条纹相机时间分辨率有限，而高分辨X射线光谱虽能提供温度与密度信息，却难以揭示内部离子的角分布等重要参数。为此，上海交通大学陈黎明教授、冯杰博士等提出一种基于聚变中子谱的新型诊断方法对激光加热氘离子在稠密等离子体中动力学行为的高分辨率、时间积分测量，并与综合极端条件实验装置合作进行了实验验证。
综合极端条件实验装置超快X射线动力学实验站（SECUF-D3）的大型飞秒激光器的前级能够提供峰值功率3TW，重复频率100Hz的超短激光脉冲，是产生脉冲中子源的理想高重频驱动光源。近期，上海交通大学陈黎明教授用户团队与该实验站开展合作，在实验站百赫兹束线上利用脉宽20 fs、聚焦强度约2x1019W/cm2的飞秒激光脉冲照射直径为100 μm的重水射流。激光与重水相互作用产生的高能氘离子在等离子体中发生聚变反应，释放出氦3离子和能量在2–4 MeV范围内的中子。通过一个放置在3.46 m外、与激光方向成135°角的液体闪烁体探测器，采用单中子计数（SNC）模式，结合高重复频率激光实现中子能谱的累积测量，能量分辨率达到100 keV（@3 MeV）。这种高分辨率为后续离子动力学反演提供了关键数据支持。
图1.实验装置示意图。一束重水（D₂O）位于激光束焦点处。左上角插图中分别展示了液束的侧视放大图以及预等离子体密度分布，D₂O分子则用于示意靶室内的重水蒸气环境。右下角插图中分别展示了激光焦斑分布与脉宽测量结果。激光入射方向为0°，中子探测方向为135°。
实验中发现，中子能谱呈现一个宽谱结构（图2），并在2.3–2.4 MeV处出现明显增强。该谱形反映了氘离子在稠密等离子体中的复杂动力学行为。为解释实验谱，研究团队结合二维粒子模拟（PIC）与流体模拟，重现了激光与预等离子体相互作用的全过程。PIC模拟显示，激光主脉冲通过真空加热/共振吸收等机制将能量传递给电子，进而加热氘离子。其中，向后加速的离子通过靶法向鞘层加速（TNSA）机制获得更高能量（约600 keV），而向前进入稠密等离子体的离子则呈现更复杂的能量与角分布。 进一步通过拟合实验中子谱反推出离子的温度与角分布。结果显示，离子温度约为20–30 keV，角分布宽度因子γ约为0.26–0.36，与PIC模拟结果高度吻合。这一反演结果验证了该方法在提取离子动力学信息方面的有效性。
图2.（A）来源于射流和蒸汽的总中子能谱，方块代表能量分辨率为100 keV的实验数据，误差线表示标准差，红色和黑色实线对应模拟数据。（B）不同时刻下D₂O射流产生的中子能谱的时间演化，白色线条为总谱，深橙色线条显示了中子产额随时间的变化趋势。（C）D₂O蒸汽产生的中子能谱。灰色谱线考虑了时间延迟效应，红色谱线为真实的能量分布。
该研究工作的创新之处在于：首次利用高分辨率中子能谱，结合高重复频率激光与单中子计数技术，实现了对稠密等离子体中离子超快动力学的时间积分诊断。该方法不仅避免了传统诊断中时间分辨率不足的问题，还能够同时获取离子的能量与角分布信息，具有高分辨率、非侵入性、信息丰富等优势，为研究离子在高能量密度环境中的输运过程、激光离子加速机制等提供了新的实验手段。未来有望在惯性约束聚变、激光等离子体物理、高能量密度科学等领域发挥重要作用。 研究结果以“Ultrafast Time-Integrated Diagnosis of Laser-Heated Deuterium Ions in Dense Plasma via Fusion Neutron Spectra ”为题发表于期刊Ultrafast Science [J. Feng et al., Ultrafast Science 6, 0125(2026)]。