等离子体科学和聚变中心的高能密度物理部门的本科生研究机会支持多种聚变合作。

　　学分：照片由学生提供。

　　新生的雨果·拉米雷斯(Hugo Ramirez)说：“在某种程度上，这就像是一个秘密实验室，是疯狂天才的秘密藏身之所。”

　　等离子体科学与融合中心(PSFC)的纳比斯科实验室位于奥尔巴尼街(Albany Street)的几个街区之外，可能不在人迹罕至的地方，但这并不是什么秘密。以前是一个饼干仓库，几十年来它一直是融合能量和天体物理学实验的家。在主要走廊左转，找到高能量密度物理(HEDP)实验室，今年夏天该实验室为拉米雷斯和其他三个学生的现场研究提供了支持：Shaherul Haque，Bryan Sperry和Raymond Li。

　　三室空间及其控制室和加速器保险库，对于其中一些迄今为止在实验室中完全是虚拟体验的学生来说，这是一个尚未探索的领域。幸运的是，为了在今年夏天浏览其HEDP研究项目，他们只需要计算机。

　　HEDP实验室在研究科学家玛丽亚·加图·约翰逊(Maria Gatu Johnson)的指导下，研究极端压力状态下的物质(100万到1万亿倍于地球表面的大气压)。该领域的研究对于理解恒星如何形成，元素如何构成以及如何利用激光进行惯性约束聚变(ICF)来利用地球上的聚变能非常重要。激光能量用于将充满燃料的球形胶囊压缩到高密度和高压，以产生聚变反应，以实现自持式聚变燃烧(“点火”)和产生能量。

　　PSFC研究人员和合作者与罗切斯特大学的30焦耳的OMEGA(60束)激光和国家点火装置(NIF)的2兆焦(192束)激光紧密合作，开发了专用的诊断仪器，使其能够有可能研究等离子体特性和电磁场的时空变化。麻省理工学院的能源部(DOE)国家核安全管理卓越中心为这项工作提供了资金。

　　为Bryan Sperry提供建议的加图·约翰逊(Gatu Johnson)指出，该实验室中的项目通常需要在实验室中进行实际操作。

　　她说：“传统上，我们有更多以实验为导向的UROP在具有加速器实验室组件的项目上工作，”她说，“但是今年夏天，所有项目都是与数据分析，编码或仿真相关的，在当前的健康状况下效果很好情况。”

　　在工作中学习

　　Sperry于2019年秋季作为一年级学生开始其项目，自六年级起就对聚变感兴趣，当时他在一次关于未来最可行能源的学校辩论中选择支持核能。

　　他说：“在我专注于裂变的同时，我也遇到了关于所谓的'未来能源'-融合的诱人片段。” “虽然我可能失去了课堂辩论的机会，但我还是充满了热情。Fusion，尤其是PSFC，是我申请MIT的原因。”

　　他回想起加图·约翰逊(Gatu Johnson)在接受本科生研究机会计划(UROP)的采访时说，尽管他对在该中心进行研究非常感兴趣，但实际上他没有职位描述中列出的任何技能。

　　她说，'很好。您将在工作中学习。” 我做到了!”

　　现在，这些技能包括更新软件，以在NIF和OMEGA的ICF实验中，当一小束氘和tri燃料被高能激光器撞击时，测量散落的颗粒。在这种情况下，需要调整14年前编写的解释电磁反冲光谱仪(氘核探测器)测量值的代码。它花费了比他预期更长的时间，要求他学习C ++编程并管理无数错误消息。

　　最近宣布拥有核科学与工程专业，他期待有一天在PSFC上获得更多的融合经验。

　　他说：“融合工作是一个梦想，努力使其成为可行的动力源。”

　　编程之美

　　Shaherul Haque同意Sperry对HEDP的热情，但对使他始终专注于计算机的研究感到满意。在麻省理工学院攻读计算机科学入门课程时，他发现了对该学科的热情。

　　“从根本上讲，这是最纯粹的解决问题的方式，” Haque说，他宣布了自己的计算机科学与工程专业。“这是您可以获得即时结果的地方;您可以看到它发生在您的眼前。那就是编程的美。”

　　像Sperry一样，Haque正在研究散布在ICF内爆中的带电粒子，尽管他的研究重点是跟踪氘核，这一过程由于中子，质子和其他辐射的“背景噪声”而变得困难。该实验使用了一种名为CR39的塑料核径迹探测器。当来自ICF内爆的粒子撞击检测器时，它们会留下穿过塑料的轨迹，这些路径可以通过蚀刻显示出来。尽管CR39通常可以识别聚变反应的带电粒子，但是在使用using(T)和氦3(3 He)的实验中，质子产物具有一定范围的能量，而不是氘核通常的离散和奇异能量产品。这些质子形成一层背景噪声，使得难以识别和分析氘核。

　　哈克说，对他而言，能够将氘核与质子分开并分析其轨迹非常重要，这样研究人员才能准确地观察和理解反应产物的性质而不会受到阻碍。他正在开发一种使用Python进行“背景剔除”的技术。

　　Haque的工作为他的顾问研究生Graeme Sutcliffe的研究提供了支持，后者使用T + 3 He产品探测等离子体中的磁场。

　　“就像Shaherul的工作一样，能够区分颗粒种类，将改善我使用这项技术所做的测量，” Sutcliffe说。“他的巨大进步以及一些不错的结果，已经为足够的深度生成了足够的材料以用于纸张。”

　　同样，雨果·拉米雷斯(Hugo Ramirez)正在帮助研究生蒂姆·约翰逊(Tim Johnson)测试关于质子射线照相的假设，质子射线照相是NIF和OMEGA用来探测实验室天体物理学实验的关键实验技术。约翰逊的实验还使用了CR39检测器，但用于成像ICF爆破过程中产生的质子，而不是氘核。该技术使研究人员能够了解实验中存在的磁场和电场的强度和形状。

　　约翰逊假设质子射线照相数据的质量取决于将许多激光对准燃料层的方式。他认为，激光器中的任何不对称都会降低性能。为了检验这一假设，拉米雷斯正在开发一种模仿OMEGA激光器的软件框架，重点关注可能影响内爆产生的能量强度的许多实验参数。这些因素包括燃料囊的厚度，燃料与激光器之间的距离以及激光器定位中的不对称性。

　　拉米雷斯说：“ UROP使用的数学比我想象的要多得多，显然还包括计算机科学和某些物理学。” “这是我在所有科学领域中最喜欢的领域。将这三个学科联系在一起很有趣”

　　当他在中学时进入墨西哥的数学奥林匹克竞赛时，激发了他对数学的兴趣，后来他继续在德克萨斯州埃尔帕索的高中比赛中激发了这种兴趣。经验使他对自己在年级时从未见过的定理，证明和数学技巧有了了解。

　　“这令人大开眼界。我能理解像爱因斯坦这样的人如何得出这些公式。我以为实际上，有一天，我可能会成为像爱因斯坦一样从事科学和数学工作的人。”

　　开关装置

　　有时UROP项目会改变重点。大二学生Raymond Li在独立活动时期就开始了UROP，准备探索与Ramirez类似的话题：在ICF实验中，激光撞击燃料的球形胶囊会引起不对称性。他使用HEDP小组的计算机集群进行了数值模拟，以表征各种不对称来源的影响，例如不均匀的激光驱动，工程特征和球形目标的缺陷。

　　在春季学期继续他的研究时，他的顾问，研究生Patrick Adrian提到了一个新的机会。麻省理工学院的基思·纳尔逊小组(Keith Nelson Group)已请求帮助研究球形聚焦冲击波。

　　李说：“它们夹在两层玻璃之间，夹着一层水，然后将激光照射到水中，试图产生冲击波。冲击波朝着水的中心向内坍塌，从而使水中心的压力非常高。这有很多应用：您可以使用它来研究高压材料，声致发光，并且可能将其应用于融合。”

　　李将模拟实验以发现哪种参数可能产生最高压力。

　　李曾是国际物理奥林匹克竞赛美国物理小组的成员，希望将物理，电气工程和计算机科学专业的学历提高一倍。

　　他说：“进行仿真是这两者的完美结合。” “我认为用计算机模拟物理现象很有趣。”

　　Li，Ramirez，Haque和Sperry甚至从未见过面。尽管如此，这个本科四重奏朝着相似的目标努力并进行相同的协作实验，仍然是PSFC高能量密度物理团队的重要组成部分。

　　加图·约翰逊(Gatu Johnson)说：“他们每个人都通过解决我们正在努力寻找时间的重要问题做出了重大贡献。” “作为一个额外的好处，我们也很高兴能够以这种方式将它们介绍给该领域，希望他们对继续参与类似的努力感兴趣。”