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强流重离子束驱动的高能量密度物理研究进展

任洁茹 王佳乐 陈本正 徐皓 张艳宁 魏文青 徐星 马步博 胡忠敏 尹帅 冯建华 宋莎莎 张世政 HoffmannDieter 赵永涛

任洁茹, 王佳乐, 陈本正, 等. 强流重离子束驱动的高能量密度物理研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33: 012005. doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
引用本文: 任洁茹, 王佳乐, 陈本正, 等. 强流重离子束驱动的高能量密度物理研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33: 012005. doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
Ren Jieru, Wang Jiale, Chen Benzheng, et al. Progress of intense heavy ion beam driven high energy density physics[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33: 012005. doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
Citation: Ren Jieru, Wang Jiale, Chen Benzheng, et al. Progress of intense heavy ion beam driven high energy density physics[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33: 012005. doi: 10.11884/HPLPB202133.200339

强流重离子束驱动的高能量密度物理研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
基金项目: 国家重点基础研究发展计划项目(2019YFA0404900);国家自然科学基金委员会-中国工程物理研究院联合基金项目(U2030104);国家自然科学基金项目(11705141,11975174,11775282,11875219,U1532263);科学挑战专题项目(TZ2016099);西安交通大学自主创新能力提升计划项目
详细信息
    作者简介:

    任洁茹(1989—),女,博士,副教授,从事等离子体物理、高能量密度物理研究;renjieru@xjtu.edu.cn

    通讯作者:

    赵永涛(1976—),男,博士,教授,从事高能量密度物理与聚变科学、激光与粒子束科学技术及其应用研究;zhaoyongtao@xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TL58

Progress of intense heavy ion beam driven high energy density physics

  • 摘要: 强流高能离子束可以准等容加热任何高密度样品,制备出尺度大、状态均匀、内部无冲击波的高能量密度物质,为实验室研究高能量密度物理提供了一种独特的新手段。介绍了国内外典型的强流重离子加速器装置及其与高能量密度物理相关的关键参数设计和研究规划;展示了基于粒子和流体模拟的离子束驱动高能量密度物质产生和状态演化规律进展;介绍了一套兼具高时空分辨和高穿透力的高能电子成像诊断技术;分析了中低能区离子束与等离子体相互作用过程中的碰撞和电荷交换微观机制,以及激光加速超短超强离子束在等离子体中的非线性输运和欧姆能损机制。
  • 图  1  不同驱动方式/装置所能制备的高能量密度物质状态参数范围[10]

    Figure  1.  States of warm dense matter generated by different kind of drivers/facilities[10]

    图  2  国际反质子与重离子研究中心规划图及强流重离子加速器装置HIAF规划图[1417]

    Figure  2.  Scheme of the Facility for Antiproton and Ion Research and that of High Intensity heavy ion Accelerator Facility[1417]

    图  3  激光加速的短脉冲(3.33 ps)、强流(109 A/cm2)质子束(5 MeV)驱动产生温稠密物质的粒子模拟典型结果[32]

    Figure  3.  PIC simulation of laser-accelerated short-pulse (3.3 ps), intense (109 A/cm2) proton beam (5 MeV) driven WDM generation[32]

    图  4  (a)HIAF B-Ring离子束轰击LAPLAS靶外层材料(金、铅、铂)驱动冲击波压缩内层铁样品制备的低温高密温稠密物质压强分布[33];(b)HIAF离子束与不同构型的靶耦合可制备的氖物质状态[[34]

    Figure  4.  (a) Pressure of inner-shell iron sample within LAPLAS target (outer shell materials: Au, Pb, Pt) heated by HIAF B-Ring beams[33]; (b) The state of neon with different HIAF beam-target schemes[34]

    图  5  HIAF强流离子束直接驱动下铝的(a)温度、(b)密度及(c)压强二维分布图及中心(r=0.2 cm)处的(d)温度、(e)密度及(f)压强

    Figure  5.  Two-dimension distribution of (a) temperature, (b) density and (c) pressure of aluminum target heated by the HIAF-provided uranium beams, and intensity of (d) temperature, (e) density and (f) pressure at center of r=0.2 cm.

    图  6  带电粒子“点对点”成像的束流传输系统[21]

    Figure  6.  Beam transport system of “point-to-point” charged-particle radiography[21]

    图  7  (a)高能电子透射成像实验装置图;(b)100目TEM网格成像结果,空间分辨约4 µm;(c)样品:通孔九宫格厚板后贴不同厚度的铁片;(d)对(c)中样品成像结果,对不同厚度的样品可分辨

    Figure  7.  (a) Experimental setup for electron beam radiography; (b) Radiography image of 100 TEM meshes with spatial resolution of 4 µm; (c) sample: holed thick plane with various-density iron foil on the holes; (d) Radiography image of the sample shown in (c). The thickness difference can be distinguished

    图  8  (a)气体放电等离子体装置放电电流(上)、等离子体自由电子密度(中)及质子穿过等离子体后的能量沉积(下)随着放电时间的变化关系;(b)质子的能量沉积与不同理论对比图

    Figure  8.  (a) Temporal evolution of discharging current of the device (top), free electron density of the plasma (central) as well as the energy loss of protons after passing through the plasma (bottom); (b) Energy loss comparison between the experimental energy loss with various theories of helium ions in gas-discharge plasmas versus discharging time

    图  9  西安交通大学400 kV强流离子束平台

    Figure  9.  400 kV high-current ion beam platform at Xi’an Jiaotong University

    图  10  (a)强流质子束在等离子体中传输时的聚焦和扭曲现象[60];(b)激光加速的强流质子束在稠密等离子体中的能量沉积实验测量值与理论对比图,插图表示强流离子束在稠密等离子体中激发的纵向电场图像[61]

    Figure  10.  (a) The focusing and twisting phenomenon of intense proton beam transportation in large-scale plasma[65]; (b) Comparison between the measured energy loss of laser-accelerated ions in dense plasma with different theories. The inset shows the longitudinal electric field induced by the intense protons in the plasma[66]

    表  1  不同装置的典型参数

    Table  1.   Typical parameters of various facilities

    facilitytypical ion specieskinetic energypulse duration/nsparticle per pulsefocal spot/mmenergy deposition power under
    direct heating/(J·m−3)
    GSI-SIS18[10] uranium 0.4 GeV/u 300 4×1010 1.00 2×1011 (in gold)
    FAIR-SIS100[10] uranium 1.0 GeV/u 100 4×1011 1.00 2×1012 (in gold)
    HIAF[10] uranium 1.3 GeV/u 100 5×1011 0.70 5×1012 (in gold)
    HIAF-U[10] uranium 4.4 GeV/u 30 2×1012 0.70 2×1013 (in gold)
    NDCX-II[20] helium 1.1 MeV 1~600 1×1011 1.00 4×108 (in tin)
    Laser acceleration[25] proton 1.1 MeV (kT) 0.001 8×1011 0.05 6×1012 (in copper)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-07
  • 修回日期:  2020-12-31
  • 网络出版日期:  2021-01-05
  • 刊出日期:  2020-11-19

强流重离子束驱动的高能量密度物理研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
    基金项目:  国家重点基础研究发展计划项目(2019YFA0404900);国家自然科学基金委员会-中国工程物理研究院联合基金项目(U2030104);国家自然科学基金项目(11705141,11975174,11775282,11875219,U1532263);科学挑战专题项目(TZ2016099);西安交通大学自主创新能力提升计划项目
    作者简介:

    任洁茹(1989—),女,博士,副教授,从事等离子体物理、高能量密度物理研究;renjieru@xjtu.edu.cn

    通讯作者: 赵永涛(1976—),男,博士,教授,从事高能量密度物理与聚变科学、激光与粒子束科学技术及其应用研究;zhaoyongtao@xjtu.edu.cn
  • 中图分类号: TL58

摘要: 强流高能离子束可以准等容加热任何高密度样品,制备出尺度大、状态均匀、内部无冲击波的高能量密度物质,为实验室研究高能量密度物理提供了一种独特的新手段。介绍了国内外典型的强流重离子加速器装置及其与高能量密度物理相关的关键参数设计和研究规划;展示了基于粒子和流体模拟的离子束驱动高能量密度物质产生和状态演化规律进展;介绍了一套兼具高时空分辨和高穿透力的高能电子成像诊断技术;分析了中低能区离子束与等离子体相互作用过程中的碰撞和电荷交换微观机制,以及激光加速超短超强离子束在等离子体中的非线性输运和欧姆能损机制。

English Abstract

任洁茹, 王佳乐, 陈本正, 等. 强流重离子束驱动的高能量密度物理研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33: 012005. doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
引用本文: 任洁茹, 王佳乐, 陈本正, 等. 强流重离子束驱动的高能量密度物理研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33: 012005. doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
Ren Jieru, Wang Jiale, Chen Benzheng, et al. Progress of intense heavy ion beam driven high energy density physics[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33: 012005. doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
Citation: Ren Jieru, Wang Jiale, Chen Benzheng, et al. Progress of intense heavy ion beam driven high energy density physics[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33: 012005. doi: 10.11884/HPLPB202133.200339
  • 高能量密度物质是指能量密度超过1011 J/m3或压强超过100 GPa的极端状态物质,这种物质广泛存在于宇宙星体中,同时也是惯性约束聚变必经的物质状态,其基本性质与星体以及聚变靶丸的演化过程息息相关,是科技强国在国防安全、聚变科学及天体物理等基础前沿领域竞相追逐的研究热点。尤其,对于压强在1~100 Mbar(bar=0.1 MPa)、温度在0.1~10 eV、密度在0.1~10倍固体密度区域内的温稠密物质,各种粒子之间相互耦合作用极强,微扰方法不再适用,电子简并系数接近1,量子效应也需要考虑,理论建模极其复杂,需要实验室获取高精度实验数据对相关理论进行检验和完善。

    目前,实验室制备高能量密度物质的主要途径有强激光驱动、金刚石压砧驱动、冲击波驱动、脉冲功率源放电驱动以及强流离子束驱动等。这些驱动方式各有优势和特点,以美国国家点火装置[1]与中国的神光系列装置[2]为代表的强脉冲激光能产生极高温度的瞬态极端物质;金刚石压砧技术是一种准静态压缩过程,结合激光加热,可制备尺寸在mm量级、温度为几千K、压强为1 Mbar量级的稠密物质[3-4];利用轻气炮或激光驱动的冲击波加载方式能够产生温度较低、但压强极高,位于Hugoniot曲线附近的物质状态[5],在超离化态物质以及大质量行星内部物质状态研究方面具有重要应用;以美国圣地亚国家实验室的Z装置[6-7]、俄罗斯的Angara-5-1装置[8],中国工程物理研究院流体物理研究所的聚龙装置[9]等为代表的脉冲功率放电装置可对靶物质进行准等熵压缩,为研究等熵线附近物质状态性质研究提供了平台。

    相比激光束、电子束或其他动态加载方式,重离子质量大、惯性大,可以准等容的加热(加热过程中样品体积几乎不变)任何稠密物质,制备出体积大、状态均匀,且内部没有任何冲击波的高能量密度样品。被加热的样品一方面可以等熵膨胀进入覆盖多个量级压力和密度范围的宽温稠密区,另一方面也可以在前冲方向或径向产生均匀且方向性极好的平面冲击波,进而结合适当的离子束操纵技术和流体设计,进行冲击波低熵压缩或界面喷射等熵压缩等,进一步拓展物态研究区域至低温极高密状态[10-11]。强流重离子束准等容加热为研究高能量密度物质的产生、约束、物质相图及其流体性质提供了一种新手段,并与其他驱动方式互为补充,大大扩展了实验室可制备的物质状态范围。

    本文对目前国内外开展离子束驱动高能量密度物理的主要大科学装置进行介绍。高功率大科学装置不断将高能量密度前沿科学探索向宏观拓展、向微观深入、向更极端推进,本文从离子束驱动高能量密度物质的产生及宏观发展、离子束与等离子体中能量沉积和输运过程中的碰撞效应、非线性场效应等微观机理出发,展示离子束驱动高能量密度物理领域的重要进展。

    • 世界上主要的强流重离子加速器包括德国重离子研究中心(GSI)的同步加速环SIS18、国际反质子与重离子研究中心(FAIR)的同步加速环SIS100、中国科学院近代物理研究所的强流重离子加速器装置(HIAF),以及伯克利的感应加速器压缩实验装置(NDCX-II)等,不同装置的关键参数如表1所示,可制备的高能量密度物质状态范围以及与其他驱动方式的比较如图1所示。

      表 1  不同装置的典型参数

      Table 1.  Typical parameters of various facilities

      facilitytypical ion specieskinetic energypulse duration/nsparticle per pulsefocal spot/mmenergy deposition power under
      direct heating/(J·m−3)
      GSI-SIS18[10] uranium 0.4 GeV/u 300 4×1010 1.00 2×1011 (in gold)
      FAIR-SIS100[10] uranium 1.0 GeV/u 100 4×1011 1.00 2×1012 (in gold)
      HIAF[10] uranium 1.3 GeV/u 100 5×1011 0.70 5×1012 (in gold)
      HIAF-U[10] uranium 4.4 GeV/u 30 2×1012 0.70 2×1013 (in gold)
      NDCX-II[20] helium 1.1 MeV 1~600 1×1011 1.00 4×108 (in tin)
      Laser acceleration[25] proton 1.1 MeV (kT) 0.001 8×1011 0.05 6×1012 (in copper)

      图  1  不同驱动方式/装置所能制备的高能量密度物质状态参数范围[10]

      Figure 1.  States of warm dense matter generated by different kind of drivers/facilities[10]

      德国重离子研究中心GSI-SIS18可以提供能量高达50~1000 MeV/u、脉冲宽度100~1400 ns的多种类重离子脉冲束。由于重离子在靶中的能量沉积与离子束原子序数Z2成比例,在离子束驱动高能量密度物理研究中为了在靶中获得更高的能量沉积功率,通常采用原子序数较高的离子束,如铀离子束。SIS18可提供的238U离子束参数如表1所示,单脉冲离子束可达1010量级,得益于SIS18的电子冷却系统和高能量高温度(HHT)终端的强聚焦系统,离子束到靶的焦斑可达0.3 mm,这样的离子束在固体靶中的能量沉积密度达kJ/g量级,可以制备出尺寸在mm量级、压强在亚Mbar量级、温度在几千K量级的温稠密物质[12-13]。此外,德国重离子研究中心同时建有PW强激光装置,高功率激光束与强流重离子束聚焦于同一个靶室,为高能量密度物质的诊断和辐射吸收特性研究等提供了实验平台。

      国际反质子与重离子研究中心(FAIR)规划图如图2(a)所示[14],将GSI-SIS18的离子束注入同步加速环SIS100,离子能量达1 GeV/u,单脉冲离子数目可提高至5×1011。基于该装置,采用离子束直接加热膨胀(HIHEX)靶型[15]即可在实验室产生压强在Mbar量级、温度在eV量级的宽范围温稠密物质,开展状态方程及相变等基础性质研究;采用实验室行星科学(LAPLAS)靶型[16]可以产生如超离化态水、金属氢等存在于行星内部的物质状态[11]

      图  2  国际反质子与重离子研究中心规划图及强流重离子加速器装置HIAF规划图[1417]

      Figure 2.  Scheme of the Facility for Antiproton and Ion Research and that of High Intensity heavy ion Accelerator Facility[1417]

      我国于2018年正式启动了“十二五”规划重大科技基础设施强流重离子加速装置(HIAF),该装置由中国科学院近代物理研究所承建,规划图如图2(b)所示[17]。HIAF采用了双平面涂抹、纵向Barrier bucket堆积等新技术,其增强环B-Ring将可以提供世界最高功率的离子束(比FAIR的离子束功率高1个量级),有望将离子束驱动高能量密度物态研究拓展到强冲击波区域,其升级装置压缩环C-Ring可将流强密度进一步提高,进而制备出更大范围的极端条件新物态。此外,升级装置中还将可能实现“三束交叉”或“双束对撞”的设计,一方面,可实现对温稠密物质进行高能离子/电子透射成像诊断,另一方面,可在靶中产生相向的冲击波,对中心区域样品进行低温绝热压缩,制备大质量行星内部物质状态[10,18-19]

      美国劳伦斯·伯克利国家实验室、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、普林斯顿等离子体物理实验室联合成立了虚拟国家实验室,建立了感应加速器压缩实验升级装置(NDCX-II)。该装置是为探索离子驱动的惯性约束聚变以及高能量密度物理科学而建的低能量、高流强、脉冲离子加速器。离子能量0.1~1.2 MeV可调,通过采取聚焦和离子中性化漂移压缩技术,离子束焦斑1~3 mm,离子脉冲宽度1~600 ns,单脉冲离子数达1011,这样的离子束在固体样品中的能量沉积密度可达几十J/g,可以研究稠密物质相变过程[20-21]

      此外,日本高能加速器研究中心(KEK)[22]、俄罗斯理论与实验研究所(ITEP)[23]也依托重离子加速器开展了一系列离子束驱动的高能量密度物理以及惯性约束聚变相关理论和实验研究[24]。除了这些传统加速器装置,激光加速产生的MeV强流离子束具有脉冲短、流强高、焦斑小、能量沉积功率高等特点,也为离子束驱动的高能量密度物理研究提供了平台[25]

      上述部分实验室已针对离子束驱动产生的高能量密度物质状态进行了实验探索,如德国重离子研究中心利用SIS18提供的强流铀离子束直接加热固体钨靶产生了几千K的温稠密物质,研究了温稠密物质温度与沉积能量的变化关系;美国利用NDCX-II提供的强流氦离子束加热固体锡,观测到了锡的融化[20],利用激光加速的强流质子束加热固体靶产生了几到几十eV的固体密度温稠密物质[25],并校准了温稠密物质和热导率状态方程理论和数据库[26]。此外,欧洲核子中心在研究束流收集和辐射防护时发现大型强子对撞机提供的强流质子束加热铜靶时可产生高能量密度物质状态并在靶中形成径向冲击波,质子束通道上靶密度降低,射程变长[27]

    • 本节介绍离子束驱动高能量密度物质状态演化研究方面的动力学过程模拟进展,以及用于高能量密度物质诊断的电子透射成像技术进展。

    • 目前用于离子束驱动高能量密度物质的产生和发展规律研究的数值模拟技术主要分为两类,一类是基于动理学的PIC(Particle-In-Cell)粒子模拟,一类是基于宏观的流体动力学模拟。

      基于纯第一性原理的PIC模拟在解决等离子体中动力学问题方面具有得天独厚的优势,在研究强流重离子束与固体靶相互作用方面也面临着挑战,一方面需要优化PIC算法使其能在几十ps时间尺度内模拟百μm尺度温稠密固体,另一方面,需要建立完整的物理过程模型,包括离子束的能量沉积过程、离子束与靶的电荷交换过程(电离、俘获过程)等。2015年,美国发展了粒子流体混合模拟程序LSP(Large Scale Plasma),将等离子体中背景电子做流体处理,显著地减小了计算量,最先实现了完整的高能高密离子束与固体靶相互作用物理过程的模拟与计算[28]。浙江大学吴栋等人拓展了LAPINS(LAser Plasma InteractioNS)程序,2017年发展了适用于动理学模拟的包含了碰撞电离过程、电子-离子复合过程以及等离子体对电离势的压低(Ionization Potential Depression)效应的非平衡态电离模型,在等离子体两体碰撞模型的基础上,还发展了既考虑自由电子弹性散射又包含束缚电子非弹性散射的蒙特卡罗碰撞模型[29-30];2019年发展了适用于高密度等离子体电磁场计算的高阶精度隐格式电磁粒子计算方法,并且针对强流带电粒子束在固体密度等离子体中的输运过程,开发了动理学磁流体混合计算方法[31-32]。浙江大学与西安交通大学等单位合作,基于LAPINS程序对激光加速的脉冲强流质子束在固体铝靶中的能量沉积和输运进行了数值模拟,结果表明随流强增加,质子束在靶中激发出极强的角向磁场和纵向减速场,造成质子束聚焦、能损增加、射程变短[32],典型结果如图3所示。

      图  3  激光加速的短脉冲(3.33 ps)、强流(109 A/cm2)质子束(5 MeV)驱动产生温稠密物质的粒子模拟典型结果[32]

      Figure 3.  PIC simulation of laser-accelerated short-pulse (3.3 ps), intense (109 A/cm2) proton beam (5 MeV) driven WDM generation[32]

      由于粒子模拟的时空尺度有限(空间尺度μm量级,时间尺度ps量级),目前对于强流离子束驱动下高能量密度物质状态包括密度、温度、压强等的演化过程研究大多依旧基于宏观流体动力学模拟。德国重离子研究中心的Naeem Tahir等人近二十年利用Medusa以及BIG-II流体程序对传统加速器提供的强流离子束驱动下产生的高能量密度物质状态及演化做了大量模拟工作[11,14-15],为基于FAIR-SIS100制备宽状态参数范围的高能量密度物质、研究高能量密度物质相变过程和状态方程等提供了重要参考。

      西安交通大学、中国科学院近代物理研究所合作基于一维Medusa程序,系统研究了我国HIAF装置提供的强流离子束驱动下固体靶的流体动力学演化过程,优化了用于制备行星内部物质状态的LAPLAS靶设计[33],揭示了HIAF装置可以制备的高能量密度物质参数范围[34],结果如图4所示。图4(a)中的插图表示了基本的LAPLAS靶型设计,空心离子束加热外层高Z材料(金、铅、铂等)驱动冲击波对内层低Z材料(铁)进行低温压缩。图4(a)显示了样品在最强压缩时刻的压强分布图,可以看出,铂的压缩效果最好,金次之,铅最差。事实上,LAPLAS靶对内层材料的压缩率与外层材料的密度与原子序数正相关,比值越大,压缩效果越好。不同的束靶耦合构型可产生不同参数区间的温稠密物质,以氖样品为例,图4(b)展示了HIAF的B-Ring和C-Ring在三种束靶耦合构型下可制备的物质状态参数:(1)圆斑束直接加热单层靶,这种方式较为简单易行;(2)圆斑束与LAPLAS多层靶耦合,相比于单层靶,这种方式制备的样品压强更大;(3)环形束与LAPLAS靶耦合,这种方式由于内部样品靶是在低温条件下被压缩,所以压强最大,但是对加速器技术提出了较高要求,即如何产生高品质均匀的环形空心束。由图4(b)可以看出,HIAF一期B-Ring提供的离子束已经可以用于离子束驱动的高能量密度物理研究,二期C-Ring将大大扩展温稠密物质状态参数范围。

      图  4  (a)HIAF B-Ring离子束轰击LAPLAS靶外层材料(金、铅、铂)驱动冲击波压缩内层铁样品制备的低温高密温稠密物质压强分布[33];(b)HIAF离子束与不同构型的靶耦合可制备的氖物质状态[[34]

      Figure 4.  (a) Pressure of inner-shell iron sample within LAPLAS target (outer shell materials: Au, Pb, Pt) heated by HIAF B-Ring beams[33]; (b) The state of neon with different HIAF beam-target schemes[34]

      近期,西安交通大学基于二维多流体模拟程序研究了HIAF强流铀离子束直接驱动下固体铝的流体动力学演化过程,离子束能量为1.3 GeV/u,脉冲宽度30 ns,横向强度分布为高斯分布,束流焦斑为0.5 mm,单脉冲离子数目为1012个,靶的温度、密度及压强分布在束流脉冲结束时刻如图5所示。由图可以看出,HIAF直接加热固体靶可以制备纵向(z方向)尺寸在cm量级、横向(r方向)尺寸在mm量级的高能量密度物质。由于1.3 GeV/u的238U离子在铝中的能量沉积在z<5 cm范围内,即在坪区/布拉格峰前的区域内几乎不变,所以所产生的高能量密度物质同样具有均匀的温度、密度及压强分布,如图4(d)(e)所示。在坪区内,高能量密度物质的温度近2 eV,压强约5×1011 Pa,中心密度由于热力学膨胀过程而降低。

      图  5  HIAF强流离子束直接驱动下铝的(a)温度、(b)密度及(c)压强二维分布图及中心(r=0.2 cm)处的(d)温度、(e)密度及(f)压强

      Figure 5.  Two-dimension distribution of (a) temperature, (b) density and (c) pressure of aluminum target heated by the HIAF-provided uranium beams, and intensity of (d) temperature, (e) density and (f) pressure at center of r=0.2 cm.

      在上述经典流体模型中,通常假定靶电子服从经典的波耳兹曼分布。然而,高密度靶中的电子密度可达 1022~1024 cm−3,且温度较低时,电子之间存在较强的相互作用,势能和动能相当,属于强耦合的非理想等离子体,此时电子不能被看作可以分辨的经典粒子,而是存在一定程度的简并,服从费米-狄拉克分布,是典型的量子等离子体。所以要准确描述离子束与高密度靶的相互作用,特别是当靶温度较低、密度较高时,必须考虑其中的量子效应。过去几年,武汉理工大学、西安交通大学合作发展了自洽的二维量子流体动力学模拟程序(QHD),并对强流质子束与金属靶相互作用过程进行了一系列的数值模拟研究,发现了自生磁场以及量子效应对离子束驱动高能量密度物质状态的显著影响[35-36]

    • 离子束驱动产生的高能量密度物质存在时间在几ns甚至百ns量级,过程中往往伴随大范围的密度变化,且需要对不同原子质量的界面进行分辨,这就对诊断技术提出了极高的要求,如时间分辨达到ns量级,动态范围覆盖4个密度量级,空间分辨达到μm量级。由于离子束驱动产生的高能量密度物质尺寸在mm~cm量级,且具有极高的辐射不透明度,普通的光学或X射线成像无法对其内部物态进行探测,需要使用电子、质子及重离子等穿透能力更强的带电粒子来成像。

      带电粒子束成像诊断技术包括两类:(1)背散射成像,其成像原理与X射线点投影背光成像类似,这种方法中粒子束在靶中的散射和能散会影响其空间分辨能力;(2)利用磁透镜组的“点对点”成像,其原理类似透射显微镜,带电粒子束穿过高能量密度物质靶后,其散射角度和能谱分布均与靶物质的密度和厚度相关,包含靶物质信息的透射电子束通过如图6所示的具有一定放大倍数的点对点磁透镜成像束流光学系统后,在荧光靶上成像。与背散射成像相比,“点对点”成像技术通过在成像系统的傅里叶面处安装光阑或准直器,筛选了粒子束的散角,提高了成像衬度,所以空间分辨率更高,受到了国际上如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、阿贡国家实验室以及德国重离子研究中心等的重点关注。

      图  6  带电粒子“点对点”成像的束流传输系统[21]

      Figure 6.  Beam transport system of “point-to-point” charged-particle radiography[21]

      与质子透射成像诊断技术相比,利用高能短脉冲电子束进行透射成像诊断具有造价低、系统尺寸小等优势,且基于光阴极的皮秒脉宽的电子束技术已经非常成熟,非常适合进行超快动态成像。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室是国际上率先开展电子透射成像相关研究的实验室,于2007年开展的静态成像实验,空间分辨达100 µm,单发时间分辨20 µs[37],近期利用14 GeV电子束开展了动态成像实验,观测了锡铋合金的固化过程中微结构演化的动态过程,空间分辨8.8 µm,单发时间分辨百fs,成像时间间隔为s量级[38]

      针对HIAF高能量密度物理实验超快成像诊断需求,中国科学院近代物理研究所、清华大学、美国阿贡国家实验室以及西安交通大学联合提出一种基于射频直线电子加速器的超高时空分辨高能电子成像技术,即,利用射频直线电子加速器提供的ps量级脉宽、ns量级重复周期,nC量级脉冲电荷量的高能电子脉冲串,结合磁透镜成像技术和高频偏转腔技术,实现ps时间分辨、ns时间分幅、具有较高空间和密度分辨能力的立体成像技术[39]。目前该研究团队已经搭建了专门用于电子成像技术研究的束线系统,并开展了系列验证性实验,获得了4 µm空间分辨,对激光轰击导致的金网栅格融化的动态过程进行了成像测试[40-41],部分典型的测试结果如图7所示。同时提出了一种四维高能电子透射成像技术,即新型射频电子加速器提供ps量级脉宽、ns量级重复周期,nC量级脉冲电荷量的高能电子脉冲束流,结合磁透镜成像技术和新近发展的高频偏转腔技术,实现一种全新的四维瞬态立体成像。近期该团队正在研发高清超快动态成像关键技术包括高品质电子脉冲串产生技术,级联放大成像系统等,未来将有望实现μm量级空间分辨、ps量级单发时间分辨,间隔ns量级的单发多幅动态成像。

      图  7  (a)高能电子透射成像实验装置图;(b)100目TEM网格成像结果,空间分辨约4 µm;(c)样品:通孔九宫格厚板后贴不同厚度的铁片;(d)对(c)中样品成像结果,对不同厚度的样品可分辨

      Figure 7.  (a) Experimental setup for electron beam radiography; (b) Radiography image of 100 TEM meshes with spatial resolution of 4 µm; (c) sample: holed thick plane with various-density iron foil on the holes; (d) Radiography image of the sample shown in (c). The thickness difference can be distinguished

    • 强流离子束在稠密等离子体中的能量沉积和输运特性是惯性约束聚变及高能量密度科学领域的新兴前沿课题。在惯性约束聚变研究中,阿尔法离子自加热是维持靶丸温度、实现聚变自持燃烧和能量增益的关键基础问题,离子束快点火因其能量加载效率高、受等离子体不稳定性影响小等优势,是一种极为重要的聚变点火方案。此外,随着现代加速器和高功率激光离子加速技术的发展,强流离子束驱动的高能量密度物理实验条件日益成熟,有望开辟高能量密度物理研究一条全新的途径。这些科技前沿研究均涉及离子束在等离子体中的能量加载和输运问题。

    • 与冷物质相比,等离子体内部存在大量的自由电子,离子除了与束缚电子发射碰撞电离和激发外,也会与自由电子发生碰撞,激发尾波场,完成能量和电荷交换,且等离子体中离子束缚电子组态的变化也会对电荷交换过程以及能量沉积过程造成影响。国际上已经发展了一系列理论模型[42-48]来描述离子在电离物质的能量沉积,或者说电离物质的阻止本领。当入射离子速度远高于等离子体自由电子时,各理论模型之间符合很好,并得到了许多实验的验证,这为通过分析能量沉积诊断等离子体状态提供了一种手段[49]。然而,当入射离子的速度与等离子体热电子速度相当时,不同的模型显示出很大的差异[50],尤其是在稠密电离物质中;另一方面,当涉及到重离子时,电荷交换过程也对能量沉积过程造成影响[51-54];此外,当束流强度提高时,等离子体不稳定性等集体效应也起着重要作用[28,55-59];因此,近期关于离子在等离子体中的能量沉积研究主要向低能量入射离子、稠密电离物质、重离子入射、强流离子束等方向扩展。

      德国重离子研究中心Cayzac等人利用0.5 MeV/u 的“布拉格峰能区”碳离子束作用于强激光直接加热固体靶产生的稠密等离子体,校准了部分理论模型[60]。Zylstra及Frenje等人基于OMEGA强激光装置,测量了聚变反应产生的质子和氦离子在固体密度等离子体中的能损,发现离子束能量不同,能损机制存在差异,低能区核能损贡献不可忽略[61-62]

      我国西安交通大学和中国科学院近代物理研究所合作近几年在中科院近物所320 kV高压平台搭建了用于离子束-等离子体相互作用的实验终端,并开展了100 keV质子及氦离子与温度约2 eV、密度1016~1017 cm−3的气体放电等离子体相互作用实验研究,加速器提供的离子束穿过等离子体后,经过偏转磁铁,被位置敏感探测器记录偏转位置,根据偏转位置即可获得离子能量信息,详细的实验装置图见参考文献[18]。实验发现质子在气体放电等离子体中的能损比在等量中性气体中增强约2.8倍,且与传统两体库仑碰撞理论计算结果十分相符,实验结果如图8所示。基于该结果,提出了根据质子束的能量沉积标定了气体的压强和密度的方法,相比压力硅或电离规等传统的气压测量方法,这种方法可测量的气压范围更大,测量精度和可靠性更高[63]

      图  8  (a)气体放电等离子体装置放电电流(上)、等离子体自由电子密度(中)及质子穿过等离子体后的能量沉积(下)随着放电时间的变化关系;(b)质子的能量沉积与不同理论对比图

      Figure 8.  (a) Temporal evolution of discharging current of the device (top), free electron density of the plasma (central) as well as the energy loss of protons after passing through the plasma (bottom); (b) Energy loss comparison between the experimental energy loss with various theories of helium ions in gas-discharge plasmas versus discharging time

      在重离子(Z>1)的能量沉积计算中,常常用到有效电荷态的概念,并用经验或半经验公式来估算重离子在等离子体中的有效电荷态,但是基于这种方法计算得到的氦离子能量沉积显著低于实验测量结果。有效电荷态的概念是基于离子处于基态的假设,忽略了激发态的贡献,北京应用物理与计算数学研究所、西安交通大学合作基于第一性原理,考虑了参与相互作用的10种原子态及其电离、复合、激发、退激等重要原子过程,通过求解含时薛定谔方程和含时反应速率方程,利用蒙卡方法重新评估了氦离子在等离子体中的原子态分布和电荷态分布,得到的能损与实验测量值十分符合,表明了离子激发态可能对离子能量沉积起着重要作用[64]

      2019年,西安交通大学搭建的400 kV强流离子束平台成功出束,质子束的流强最高到mA量级,加速电压最高到400 kV,平台照片如图9所示。目前平台拥有两个实验终端,一个终端在离子源引出方向,已经搭建了等离子体装置,主要用于离子束与等离子体相互作用研究;另一个终端主要用于原子分子物理、低能核反应、材料辐照以及纳米外束生物辐照等研究。目前平台所采用的离子源为射频等离子体源,可提供的离子种类包括H+,H,H2+,He+,F+等低电荷态离子,未来将采用电子回旋共振离子源,产生更多种类和较高电荷态的离子束。

      图  9  西安交通大学400 kV强流离子束平台

      Figure 9.  400 kV high-current ion beam platform at Xi’an Jiaotong University

    • 在惯性约束聚变-阿尔法离子自加热、离子束快点火、强流离子束驱动的高能量密度物理研究中均涉及极高流强离子束与稠密等离子体相互作用,目前在相关理论建模中大多基于单粒子碰撞理论模型,然而,随着离子束流强度增大,离子束在等离子体中激发的自生电磁场引起的能量沉积和输运特性等非线性变化将会显著影响加热过程,造成高能量密度物质状态以及聚变增益等的改变。

      随着高功率激光技术的发展,超强短激光脉冲可以加速产生能量在MeV,流强密度在1020 cm−3左右的离子束,为极端高流强离子束与稠密物质相互作用研究提供了可能性。美国J. Kim等人利用LSP粒子-流体混合程序研究了激光加速强流质子束与固体密度靶相互作用物理过程,结果显示,当入射离子束密度达到 1020 cm−3时,靶中将会激发强度高达100 T的角向磁场,该磁场会对离子束进行强聚焦,进一步提高离子束流强密度,增加局部能量沉积,引起靶温度显著升高,离子能损降低、射程变长[28]

      西安交通大学与浙江大学合作模拟了密度为1016 cm−3的质子束在等离子体(自由电子密度为1018 cm−3,温度为4 eV,尺寸在cm量级)中的能量沉积和传输过程,发现质子束在这种大尺度等离子体传输时激发的角向磁场在离子入射后mm射程里会引起离子束的聚焦,但是继续传输时会出现扭曲现象,结果如图10所示,同时这种场效应会引起能量沉积的显著变化,为强流质子束的收集提供了一种新思路[65]

      图  10  (a)强流质子束在等离子体中传输时的聚焦和扭曲现象[60];(b)激光加速的强流质子束在稠密等离子体中的能量沉积实验测量值与理论对比图,插图表示强流离子束在稠密等离子体中激发的纵向电场图像[61]

      Figure 10.  (a) The focusing and twisting phenomenon of intense proton beam transportation in large-scale plasma[65]; (b) Comparison between the measured energy loss of laser-accelerated ions in dense plasma with different theories. The inset shows the longitudinal electric field induced by the intense protons in the plasma[66]

      为了研究超短超强离子束与稠密等离子体相互作用中的能量沉积和输运过程,西安交通大学与中国工程物理研究院激光聚变研究中心等单位合作依托星光III装置开展了两轮实验。利用高功率ns激光轰击金腔产生X射线加热TCA泡沫制备稠密等离子体样品,这种方式产生的等离子体具有样品尺度大~mm、状态均匀、维持时间长~10 ns等优势,通过测量分析等离子体的自发辐射谱,得到等离子体温度约17 eV,自由电子密度约4×1020 cm−3。在第一轮实验中,利用高功率ps激光加速的高流强质子束直接与等离子体相互作用,利用多通道汤姆逊谱仪同时测量了穿过等离子体和真空条件下的质子能谱,对比发现质子束在等离子体中的能损比两体碰撞理论预期高1-2个量级[66]。然而,激光加速的质子束常常具有较宽的能量分布,不利于获取特定能量条件下的质子能量沉积实验数据。为此,在第二轮实验中,利用高功率ps激光结合质谱法产生了中心能量为3.36 MeV,能量宽度约0.10 MeV的准单能强流质子束;利用汤姆逊谱仪测量了出射离子束的能谱,实验测量结果如图10(b)所示,激光加速的准单能质子束在稠密等离子体中的能损比通常使用的两体碰撞理论(Bethe-Bloch, Li-Petrasso, SSM)预期值高一个量级。借助PIC数值模拟发现,超短超强质子束引起的回流电子可以产生高达GV/m的纵向电场,而质子束恰好位于减速电场中;该减速电场引起的欧姆能损远远超过了两体碰撞能损,成为强流离子束能损的主导因素[66]。为了对这一减速电场进行直接验证,未来将在上述实验的基础上,利用星光III的fs激光加速产生质子束对稠密等离子体内部的电场进行成像[67]

    • 高能量密度物理是科技强国在国防安全、聚变科学及天体物理等基础前沿领域竞相追逐的研究热点。随着国内外大型重离子加速装置项目相继启动和运行,高功率离子束作为一种全新的、独具特色和优势的驱动方式,将有可能揭开高能量密度物理研究全新的一页。

      针对离子束驱动高能量密度物理研究,发展了相关流体和粒子模拟新技术,揭示了离子束驱动高能量密度物质的宏观状态演化规律和微观动力学机制;提出了一套兼具高穿透力、大动态范围和超高时空分辨三大优势的高能电子成像技术,并在实验上实现了1 ps和1 µm量级的时空分辨;研究了中低能区离子束在等离子体中的电荷交换和能量沉积规律,验证了基于第一性原理、通过求解含时薛定谔方程和速率方程的量子蒙卡理论;实验发现激光加速强流质子束在稠密等离子体中的能损比两体碰撞理论预期高1~2个量级,揭示了强流离子束在稠密电离物质中的欧姆能损新机制;发现了强流离子束在等离子体中的超强聚焦和输运不稳定性等现象。

      致 谢 感谢中国科学院近代物理研究所、清华大学、中国工程物理研究院激光聚变研究中心、浙江大学、北京应用物理与计算数学研究所、大连理工大学、武汉理工大学、北京大学、咸阳师范学院、中国科学院物理研究所以及德国重离子研究中心、俄罗斯实验与理论物理研究所、法兰克福大学等单位在高能量密度物理研究中的指导、合作和支持。

参考文献 (67)

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