在全球能源需求和前沿物理研究加速发展的背景下，高重频（high-repetition-rate, HRR）高能量密度（high-energy-density, HED）物理实验逐渐成为科学和工程领域的核心挑战之一。
近期，美国通用原子公司（General Atomics）宣布，其全新打造的GALADRIEL（通用原子公司高重频实验与仪器开发实验室）实验设施正式投入使用。GALADRIEL专注于工程科学领域的一些重要问题，包括靶材系统、诊断技术、数据处理、环境和材料研究、分析和机器学习算法开发以及反馈控制系统。针对美国用户设施中目前尚未覆盖的领域，GALADRIEL将通过提供一个灵活的实验平台，解决与高重频HED和惯性聚变能源（IFE）实验相关的工程科学问题。
背景与需求：高能量密度实验的技术瓶颈——重复频率
在高能量密度物理领域，研究人员长期以来依赖大规模激光装置来进行实验，但这些装置的运行频率通常极低（约0.0001 Hz，即每小时一次实验）。随着激光技术的快速发展，具备0.1-10 Hz重频率的新一代激光系统逐步问世，为高能量密度实验提供了更高效的可能性。然而，这种高重频的实验模式对靶材、诊断工具以及数据处理提出了前所未有的挑战：传统的单次实验方式已无法满足大规模数据生成和高效率实验验证的需求。因此，亟需开发一套全新的实验范式，以支持高重频实验环境下的快速诊断、靶材系统设计和数据管理。
技术亮点：激光与诊断技术的完美结合
GALADRIEL实验设施围绕一台性能强大的钛宝石（Ti）激光系统构建，能够以高达10 Hz的频率输出波长为800 nm、脉宽为25 fs、能量达25 mJ、功率达1 TW的激光脉冲。这些激光脉冲可在微小焦点上产生极高的功率密度，从而形成高能量密度环境，为基础物理研究和惯性约束聚变实验提供支持。
图1 激光器和物理实验靶室的设计图，包括关键部件、诊断和光路设计。 底部插图为实拍照片
这一设施不仅依赖强大的激光器，还配备了多种先进的诊断技术。例如：
1.波前传感器（Shack–Hartmann Wavefront Sensor）：通过测量光波的折射信息，提供等离子体密度的精确分布。
2.电子能谱仪：基于磁场的能量分辨测量技术，能准确捕获1-4 MeV的电子能谱。
3.光束剖面仪：用于测量粒子和辐射源的空间分布和能量特性。
图2 GALADRIEL调试拍摄的光学探测数据（激光聚焦到氮气喷流）
这些诊断工具通过高重频设计，可实现快速且精准的数据收集和实时分析，为实验优化提供了强有力的支持。
数据管理系统：MORIA的创新应用
高重频实验不可避免地带来大量数据的生成与管理需求。为此，GALADRIEL开发了一套名为MORIA（MOngodb Repository for Information Archiving）的定制化NoSQL数据库。这一系统能够快速存储和组织实验数据，并支持用户通过高级查询快速检索目标信息。
MORIA的设计不仅提升了数据的可用性，还为研究人员提供了前所未有的分析效率。通过与自动化实验设备相结合，MORIA能够实现实验参数的实时调整和数据的批量处理。这种高效的数据管理模式为未来高能量密度物理实验树立了新标准。
调试实验
在GALADRIEL实验室近期的调试实验中，研究团队聚焦于验证高重频高能量密度实验的核心能力，展示了基于激光尾波场加速（laser wakefield acceleration, LWFA）技术生成高能电子束的成功案例。这一系列实验不仅完成了1 TW钛宝石激光器的基本调试，还突出了MORIA数据管理系统在高重频实验环境下的关键作用。
亮点一：高重频运行的实现
GALADRIEL的调试实验首次实现了高达1 Hz的重频率操作，标志着从传统单次实验模式向高通量实验模式的重大转变。在实验中，团队使用氮气喷流系统和激光尾波场技术产生了能量范围为1-4 MeV的电子束。通过优化的波前传感器和磁场电子能谱仪，成功测量了等离子体通道密度及电子能量分布。
更值得关注的是，实验中引入了自动化反馈控制机制，以提高电子束生成的精度和稳定性。例如，采用智能控制系统调整靶室中心位置及气体喷流参数，使得实验的操作效率大幅提升。这些技术的结合，使得GALADRIEL成为探索高重频惯性聚变和高能量密度科学的理想平台。
此外，通过优化气体靶（例如使用超音速喷嘴）和实验参数，研究人员显著提升了电子束的稳定性和重复性。与传统喷嘴相比，超音速喷嘴生成的电子束表现出更高的品质：直径减小了30%，亮度峰值提高了两倍，总亮度增加了30%。同时，指向性更加精确，RMS偏差从650 mrad降低至280 mrad，显著减少了束流的发散性。这一改进为进一步提升实验效率和数据质量奠定了基础。
亮点二：MORIA系统的数据管理
MORIA系统的部署为此次实验提供了高效的数据存储与查询支持。在1 Hz的实验频率下，每次实验会生成大量高精度的数据，包括光学、电子和环境参数等信息。MORIA系统通过其NoSQL数据库架构，实现了实时数据存储和快速查询功能。这种高效的数据管理不仅支持实验过程中即时优化，还为后续的机器学习算法开发提供了坚实的数据基础。
研究人员表示，MORIA系统的优势在于其可扩展性和灵活性，能够应对未来更高频率和更复杂实验的需求。例如，实验团队通过MORIA完成了激光参数与靶室中心位置的自动优化过程，大幅缩短了实验准备时间。
未来展望：打造开放的用户平台
GALADRIEL不仅致力于推动内部研究，还计划打造一个开放的实验平台，为全球研究人员提供服务。其灵活的设计和强大的数据处理能力，使其能够适应多样化的实验需求，解决惯性约束聚变能源和高能量密度物理领域的技术难题。
未来，GALADRIEL团队计划进一步优化实验设备和数据管理系统，包括：
开发更高效的目标传输技术，如液态薄膜目标； 深化诊断技术研究，探索基于机器学习的实验参数优化方法； 实现多诊断反馈回路的集成，进一步提高实验效率和数据精度。
总结：GALADRIEL的意义与定位
GALADRIEL并非旨在取代传统的大型激光设施，而是通过更灵活的设计和高效的数据处理能力，为高重频实验提供专门的工程技术支持。这一实验设施填补了高重频环境下工程科学领域的空白，代表了一种面向未来科学需求的新实验范式。
GALADRIEL实验室的建立标志着惯性聚变能源和高能量密度科学进入了一个更加高效和智能的阶段。通过整合先进技术和科学工程，GALADRIEL为研究人员提供了一个可以灵活应对未来实验需求的平台。
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