HEDP研究的技術(shù)條件

一、HEDP--新的物理學領域二、HEDP研究的技術(shù)條件三、HED條件下的物質(zhì)特性四、粒子加速和強場物理五、ICF和實驗室天體物理六、結(jié)論和看法一、高能量密度物理--新的物理學領域(1）高能量密度（HED）通常指能量密度大于

105J/cm3，即壓力超過1Mbar(=105J/cm3=1011J/m3)，例：氫原子玻爾半徑處電場對應的HED；材料模塊沖擊波壓縮產(chǎn)生的電離能量密度。

HEDP涉及到物理學此前研究中沒有涉及到的大量新的現(xiàn)象和認識：——實驗室中極端條件下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動形式；——天體物理學觀察到前所未認識的、新奇的絢麗多彩的現(xiàn)象。

HEDP改變了某些傳統(tǒng)的物理學觀念和修正了某些模型近似（量子力學的、經(jīng)典的和相對論的）。典型的HED系統(tǒng)常常是：集體效應（大量自由度被激發(fā)）占了主導，非線性效應重要；部分和完全退化態(tài);復雜的可壓縮流體動力學;高剝離的原子態(tài)（庫侖場被嚴重畸變)；有質(zhì)動力導致熱壓力完全不重要，等等。

一、高能量密度物理--新的物理學領域(2）一、高能量密度物理--新的物理學領域（3）HEDP已成為物理學研究中的一個亮點，有關(guān)的綜合評論，例如：“FrontiersinHighEnergyDensityPhysics”byR.Davidsonetal.“ConnectingQuarkswiththeCOSMOS:ElevenScienceQuestionsfortheNewCentury”byM.Turneretal.二、

HEDP研究的技術(shù)條件1．高能量、高功率驅(qū)動器發(fā)展

2．高性能計算機的發(fā)展和高性能大軟件包的開發(fā)

二、HEDP研究的技術(shù)條件(1)

1．高能量、高功率驅(qū)動器的建造和使用美國：

正在運行的30kJ（2-3ns）OMEGA激光器，到靶上激光強度為1015-1016W/cm2；正在建造2.5kJ(~1ps)的OMEGA-EP兩束超短脈沖超強激光器，激光強度>1020W/cm2。正在建造1.8MJ(5-10ns)的國家點火裝置（NIF），2006年已建成8束，2008-2009年192束。二、HEDP研究的技術(shù)條件(2)

美國：正在運行的20MA的Z-Pinch裝置日本：GEKKO-XII約2.5ns,8kJ綠光

約1kJ(~0.5ps)泊瓦激光裝置二、HEDP研究的技術(shù)條件(3)

歐洲：

法國的1.8MJ(5-10ns)240束的LMJ激光器

LIL-hall:500m2LIL-building:150x70m2中國：

SG-II激光器（8束,1ns,3kJ,藍光）已打靶實驗3000發(fā)

正在進行SG-II升級(3ns,24kJ,藍光)二、HEDP研究的技術(shù)條件(4)

神光II第九路(3ns,1.0m,4.5kJ)為背光照相(2005)和拍瓦激光(1.5kJ,2ps,2009),二、HEDP研究的技術(shù)條件(5)

2006年建成的8束SG-III原型激光器(3ns,3ω,10kJ）,已打靶實驗近1000發(fā)

空間濾波器激光大廳原型激光大樓靶室d=2.6m(3)

ConstructionofSG-Ⅲlaserfacilityisunderway.實驗室面積:176m×76m,包括三個部分：激光系統(tǒng)，靶室，潔凈裝配車間.

正在建造的SG-III現(xiàn)場二、HEDP研究的技術(shù)條件(6)

SG-III激光器,48束(3ns,3ω,200-400kJ),2012年建成

正在計劃建造SG-IV點火裝置(3ns,3ω,1.5MJ),2020年完成。

激光系統(tǒng)靶場系統(tǒng)潔凈裝配車間2．高性能計算機的發(fā)展和高性能大軟件包的開發(fā)美國：

>367萬億次計算機（2008年1000T）

LASNEX軟件包二、HEDP研究的技術(shù)條件（11）二、HEDP研究的技術(shù)條件（12）中國：25萬億次高性能計算機正在運行

LARED軟件包日本：

地球模擬器：40T

二、HEDP研究的技術(shù)條件（13）三、HED條件下的物質(zhì)特性1．HED條件下凝聚態(tài)物理和材料科學2．高溫等離子體和輻射流體動力學三、HED條件下的物質(zhì)特性(1)1．HED條件下凝聚態(tài)物理和材料科學(1)新物質(zhì)產(chǎn)生當溫度T<1eV時，電離很少，高壓下新物質(zhì)：例如，壓力1-10Mb(溫度~103-104)時，氣態(tài)氫

流體氫金屬化。結(jié)構(gòu)?相變圖?電阻和電導率?超導性?(N.?)壓力1Mb和溫度幾千度產(chǎn)生了碳的合成物，如人造金剛石等；地幔(地表以下40-2900公里的半固體層)物質(zhì)在壓力~1.30Mb和溫度~4500oC時發(fā)生奇特變化,例氧化鐵變成鎂方鐵礦，而含鎂和硅的混合物也被壓縮成鈣鐵礦。高溫高壓會導致越來越多的自旋電子配對，并產(chǎn)生自旋低消。因此鐵離子會從高自旋態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥孕龖B(tài)。與處於高自旋態(tài)的鎂方鐵礦比，低自旋態(tài)的礦物密度更高。（S.21/09/07)三、HED條件下的物質(zhì)特性(2)

非常低溫下氦氣可以轉(zhuǎn)化成液體，而在特別高壓力下液氦又可以轉(zhuǎn)化成固體氦狀態(tài)。粒子表現(xiàn)出無摩擦流動現(xiàn)象，像液氦超流現(xiàn)象－－超固體新物質(zhì)。(N.06/12/07)高能飛秒激光束聚焦在金屬表面產(chǎn)生了特殊納米結(jié)構(gòu)，形成了“黑金屬“，使金屬吸收輻射能力極大提高。半導體材料硅經(jīng)飛秒激光輻照后變成了“黑”硅，能吸收照射在其上的全部光能，無反射光。(RochesterU）高壓下物質(zhì)響應產(chǎn)生的應力、應變,改變了物質(zhì)的性質(zhì)，從固體向塑性流動過渡。激光等熵壓縮氘氚密度大于300gcm-3以上,退化態(tài)（溫度小于費米溫度),原子間距～0.25A小于氫原子Bohr半徑,電子不可能穩(wěn)定圍繞質(zhì)子轉(zhuǎn)，等.三、HED條件下的物質(zhì)特性(3)

(2)高密度低溫非理想氣體特性

強耦合效應

低溫高密度態(tài)，離子周圍形成電子屏蔽云，電子（離子）相互作用能超過理想氣體動能。

集體效應產(chǎn)生非線性現(xiàn)象高密度、部分電離等離子體中能集體激發(fā)多種波。集體效應產(chǎn)生波-波、波-粒子的非線性相互作用；固體晶格對激光響應產(chǎn)生的非線性應力和應變。

三、HED條件下的物質(zhì)特性（4）

Fermi退化態(tài)強激光驅(qū)動近等熵壓縮實驗已得到CD材料大于600倍的壓縮密度；數(shù)值模擬表明在1.5MJ激光能量驅(qū)動下，氘氚密度可達到>400g/cm3。在實驗室可實現(xiàn)的近Fermi退化態(tài),原子間距小於Bohr半經(jīng)。對氫同位素氘氚,內(nèi)能

;

壓力

,,（3）物質(zhì)的熱力學狀態(tài)和原子電離過程

物質(zhì)的狀態(tài)方程（EOS）不同物質(zhì)壓力與密度和溫度的關(guān)系可分成三個區(qū)域：

*區(qū)域。,實驗已得到多種物質(zhì)的多個實驗點。

*

區(qū)域。這一區(qū)域物理模型研究具有挑戰(zhàn)性。目前強激光驅(qū)動實驗已可獲得Cu等物質(zhì)10Mb-30Mb的實驗點。大于30Mb數(shù)據(jù)少，精度不高。

*

區(qū)域。Thormas-Fermi模型(量子修正)有效。

三、HED條件下的物質(zhì)特性

（5）三、HED條件下的物質(zhì)特性

(6）D和Cu狀態(tài)方程圖約1Mb條件下氘的EOS出現(xiàn)以前未知的狀態(tài)Al-Au06040503AlAu06040506Cu-AuAuCu06040403Al-(Cu-Au)AlAuCu金的雨貢紐數(shù)據(jù)(沖擊波速度D和壓力P)實驗靶(鋁－金阻抗匹配)：間接驅(qū)動銅中沖擊波壓強~2.3TPa。

SG-II上銅的雨貢紐曲線實驗結(jié)果三、HED條件下的物質(zhì)特性(7)

三、HED條件下的物質(zhì)特性(8)

在我們太陽系中的全部巨行星，主要由氣體（例如，氫）構(gòu)成，它們比類地行星大得多。

近年來，外太陽系中巨行星的發(fā)現(xiàn)表明了巨行星是宇宙家族中的重要一員，它的主要特征是內(nèi)部可能存在大體積金屬氫，它的行為與氫的狀態(tài)方程密切有關(guān)，是研究氫的EOS的重要天體。巨行星（氫）演化與狀態(tài)方程關(guān)系敏感（D2的EOS）三、HED條件下的物質(zhì)特性(9)能級……軔致輻射-逆軔致吸收自發(fā)輻射-線吸收輻射復合-光電離電子碰撞電離-三體復合電子碰撞激發(fā)-電子碰撞退激發(fā)自電離-共振俘獲（雙電子復合）（重離子碰撞）激光-X光轉(zhuǎn)換輻射輸運輻射流體力學輻射不透明度電子熱傳導不透明度狀態(tài)方程X光激光狀態(tài)診斷平均原子模型自洽場方法超越自洽方法三、HED條件下的物質(zhì)特性(10)

高剝離態(tài)原子物理高溫導致中高z元素高電離度，通常一半以上束縛電子電離時稱高剝離態(tài)。由于能級大量分裂，離子的電場互相影響及高密度下的關(guān)聯(lián)導致高剝離態(tài)原子比通常零溫下原子物理復雜，需要大規(guī)模數(shù)值模擬計算和實驗驗證。三、HED條件下的物質(zhì)特性(11)2．高溫等離子體和輻射流體動力學（1）輻射流體力學是研究高溫輻射與流體狀態(tài)等離子體物質(zhì)相互作用的動力學，其中輻射熱傳導是傳遞能量的基本過程。

當輻射波在LTE下的擴散熱傳導速度小于聲速CS（

R為光學厚度）時，形成激波；當VR>CS時，只有輻射波快速傳輸，激波和稀疏波不能形成。目前仍有很多輻射熱傳導課題需要進一步研究。

三、HED條件下的物質(zhì)特性(12)（2）輻射流體力學過程存在輻射波、激波、稀疏波相互作用，在激光與物質(zhì)相互作用、核爆以及超新星爆炸等過程中都會遇到這些現(xiàn)象。目前除激波與稀疏波或者輻射波與激波相互作用問題已經(jīng)解決外，三波相互作用研究仍然是一個挑戰(zhàn)性的問題。

輻射激波的傳播和特性輻射激波的波頭為輻射波波頭，背為激波，從頭到背有一個厚度Δr=r輻

-r激,目前很少有研究工作。超新星爆炸外層低密度區(qū)域和核爆炸某些區(qū)域都可能出現(xiàn)輻射激波。三、HED條件下的物質(zhì)特性(13)

四、粒子加速和強場物理

1.激光相對論等離子體作用產(chǎn)生自生磁場

2.電子尾場加速

3.質(zhì)子加速

4．天體中吸積致密天體動力學

5.探索黑洞某些性質(zhì)

6.

射線爆

四、粒子加速和強場物理(1)拍瓦（1015瓦）激光與等離子體相互作用和強場物理

強度1018w/cm2激光與物質(zhì)相互作用提供了十分重要的HED條件：相對論等離子體相互作用產(chǎn)生粒子高能加速，電子能量可大于100MeV；由于回電流的效應相對論高能電子（>1MeV）電流可以超過Alfven極限，例如，在4倍臨界密度等離子體中傳播的電流密度可達到1012A/cm2以上；產(chǎn)生的電場可達到10GeV/cm,軸向和角向的自生磁場100MG，對高能電子產(chǎn)生顯著的聚焦和準直作用。在拍瓦激光與相對論等離子體作用中產(chǎn)生了真空沸騰，實驗獲得了大量正負電子對。相互作用也導致了高能電子（質(zhì)子）在高密度等離子體中能量沉積，為快點火提供了形成熱斑的條件。1.自生磁場--LARED-3DPIC數(shù)值模擬結(jié)果四、粒子加速和強場物理(2)

圓極化激光相對論等離子體作用產(chǎn)生軸向和角向自生磁場；線極化激光相對論等離子體相互作用只產(chǎn)生角向磁場。產(chǎn)生接近100MG自生磁場和100MA電流軸向電流軸向磁場角向磁場電流準直四、粒子加速和強場物理(3)

2．宇宙磁場及其影響宇宙中充滿了磁場，包括中子星（~1012G磁場）和巨大氣體行星的磁場，這些磁場的起源依然蒙著神秘的面紗。例如，磁場能夠影響吸積盤天體動力學，對磁流體動力學中的湍流和角動量輸運產(chǎn)生作用；磁場影響了超新星爆炸后殘體邊緣的結(jié)構(gòu)；磁場也對宇宙射流發(fā)生作用等等。目前在實驗室中通過超強激光與相對論高密度等離子體相互作用能夠產(chǎn)生上億高斯磁場，這對研究磁場對高密度天體的影響很有幫助。同時計算機數(shù)值模擬也表明了這樣強磁場的存在以及它對相對論高能電子運動的影響。

四、粒子加速和強場物理(4)

3.電子尾場加速:

激光在等離子中傳播激發(fā)等離子體波，由于電荷分離產(chǎn)生尾場，電子在等離子體波中“沖浪”運動，獲得加速。I＝3x1020w/cm2,觀察到電子能量大于300MeV(Manglesetal.,PRL94(05)氣泡加速電子，近單能和幾度發(fā)散角(Katsouleasetal.,Nature,515(04)).4.質(zhì)子加速--觀察到CH靶背面質(zhì)子的Bragg峰電場分布速度分布

四、粒子加速和強場物理(5)

四、粒子加速和強場物理(7)PW激光(1020w/cm2)垂直入射到CH靶面產(chǎn)生帶電粒子(電子、質(zhì)子、碳離子)加速,t=500fs.(Zhou,He,APL,Opt.Lett.(07))

PW激光(1020w/cm2)斜入射到CH靶面產(chǎn)生帶電粒子(電子、質(zhì)子、碳離子)加速,t=500fs.四、粒子加速和強場物理(8)5．宇宙標準模型認為，大爆炸后幾個微秒發(fā)生夸克-強子相變前，夸克－膠子等離子體作為原始物質(zhì)充滿了早期宇宙，它們可能存在于現(xiàn)在中子星的核心部分，或在恒星的塌縮過程中產(chǎn)生。探索古老的物質(zhì)原始狀態(tài)，對了解物質(zhì)的本質(zhì)和宇宙起源十分重要。RHIC使Au+46發(fā)生100GeV/核子對撞，觀測到夸克-膠子等離子體。隨著超短脈沖超強激光技術(shù)發(fā)展（靶面激光強度5

1019w/cm2時，實驗已證明產(chǎn)生的質(zhì)子能量達30MeV，Pb+46離子能量0.43GeV)，如果激光強度

1026w/cm2，有可能進行重核對撞實驗。探索E=MC2物理機制及大爆炸后光速運動無質(zhì)量夸克怎樣手征對稱性破缺導致質(zhì)量。

四、粒子加速和強場物理(9)吸積是很多天體主要能量來源，吸積致密天體性質(zhì)研究是天體物理研究中最吸引人的領域之一，這些吸積致密天體多數(shù)是雙星系，例如，一方為中子星或黑洞的塌縮星體，另一方為白矮星（類太陽恒星，生命終結(jié)階段的密度達到每立方厘米1噸，體積與地球相仿）等星體。一方對另一方的強烈的吸積（形成吸積盤）發(fā)射的X射線，以及X射線引起的光致電離等離子體（平衡和非平衡）是研究吸積致密天體動力學的重要內(nèi)容。通過X射線的測量和實驗室模擬（激光器和Z-Pinch）以及數(shù)值計算，吸積致密天體動力學研究正在成為熱點之一。6．天體吸中吸積致密天體動力學黑洞正在吸積恒星物質(zhì)，發(fā)射X射線，引起的光致電離四、粒子加速和強場物理(10)

模擬黑洞輻射在強度為1026W/cm2激光作用下，電子將在約2.7

105GV/cm電場中加速a達到約1027g加速度，它接近黑洞視界處的引力加速度大小。這樣極高的加速度產(chǎn)生的Unruh輻射（有效輻射溫度的黑體輻射）與由引力場誘導的霍金輻射有多方面類似，因此，從Unruh輻射可探討黑洞輻射的某些性質(zhì)。7．探索黑洞某些性質(zhì)模擬的可能

黑洞附近雙星系統(tǒng)一顆恒星被吸入，另一顆恒星成為逃星8．

射線爆四、粒子加速和強場物理(11)

可能機制拍瓦激光進行火球?qū)嶒濵ev質(zhì)子爆炸（持續(xù)1秒）五、ICF和實驗室天體物理1．慣性約束聚變內(nèi)爆壓縮動力學輻射輸運燒蝕流體力學不穩(wěn)定性天體燒蝕流體力學不穩(wěn)定噴射快點火6.熱核點火和自持燃燒條件五、ICF和實驗室天體物理(1)直接驅(qū)動注入孔氘氚小球間接驅(qū)動快點火方式1.慣性約束聚變

研究高功率激光驅(qū)動內(nèi)爆壓縮燃料達到高密度、局部高溫是為了研究點火所需要的條件:T=5-10keV;ρr=0.3-0.5gcm-2。

隨著NIF（美國的國家點火裝置）等激光裝置的建成，2010年左右將在實驗室中演示熱核點火和自持燃燒過程。目前已進行了大量內(nèi)爆壓縮實驗和理論研究，CH物質(zhì)的實驗已獲得600倍的常密度的壓縮；也測到了氘氚熱斑離子溫度達到幾個keV的結(jié)果。我國計劃2020左右點火。

（1）SG-II上的內(nèi)爆壓縮動力學直接驅(qū)動(DT靶丸）:五、ICF和實驗室天體物理(2)

最高中子產(chǎn)額4

109/發(fā);內(nèi)爆壓縮密度大于1000倍內(nèi)爆速度:爆推靶(2.9-4.6)

107cm/s;燒蝕靶(1.3-2.9)

107cm/s

粒子成像

間接驅(qū)動內(nèi)爆壓縮(燃料芯自背光照相成相)t1t1+40pst1+80pst1+120pst1+200pst1+240pst1+280pst1+440pst:60pscapsule:

200

m,shell-13

mCH＋2

mSiO2,10atmDT.Filter:100

mBe+3.5

mAl五、ICF和實驗室天體物理(3)

SG-III原型上靶球變形實驗和LARED數(shù)值模擬Au黑腔Ф=1000

m,靶丸Ф=1000

m,DD:9-10atm.,dopedAr:0.2atm.(2)

LARED模擬間接驅(qū)動實驗結(jié)果aba/b1.44L=1600

ma/b1a/b

0.76L=1700

mL=1800

m模擬結(jié)果實驗結(jié)果黑腔靶L

高溫輻射的輸運（SG-II上實驗結(jié)果）五、ICF和實驗室天體物理(4)569ps645ps210eV840eV零級時間2.輻射輸運特性對于ICF間接驅(qū)動內(nèi)爆和天體物理研究十分重要。為了實現(xiàn)間接驅(qū)動點火，黑腔（Hohlraum）內(nèi)輻射溫度通常需要達到300eV左右，這樣的輻射溫度對于模擬天體現(xiàn)象也是很有意義的。輻射輸運物理已進行了大量實驗和理論研究。3.高溫輻射傳熱（或電子傳熱）系統(tǒng)中低溫高密度與高溫低密度界面上的小擾動能夠發(fā)生燒蝕流體力學不穩(wěn)定性。

=Akg/(1+kL))1/2–βkVa

高溫向高密度區(qū)的燒蝕降低了Rayleigh-Taylor（RT）流體力學不穩(wěn)定性，也降低了剪切力引起的Kelvin-Helmholtz（KH）不穩(wěn)定性，后者導致高密度物質(zhì)向低密度物質(zhì)的噴流（Jet）的形成，從而導致和高密度物質(zhì)與低密度物質(zhì)的噴流混合。五、ICF和實驗室天體物理(5)

燒蝕流體力學不穩(wěn)定性發(fā)展產(chǎn)生了蘑菇狀頭的噴射結(jié)構(gòu)，其相互作用形成了兩種不同物質(zhì)的湍流混合。

燒蝕（熱傳導）導致經(jīng)典Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性（RTI）的致穩(wěn)效應。五、ICF和實驗室天體物理(6),T1,T2

神光－II上流體力學不穩(wěn)定性實驗表明:激光驅(qū)動內(nèi)爆過程中預熱可能顯著影響RTI。M-Z干涉儀測非線性密度LARED－S模擬LARED－S模擬軟X射線側(cè)背光照相軟X光激光診斷非線性燒蝕RTI和模擬表明：尖峰和氣泡的二維形狀振幅（約50m）和實驗很好一致，無斷裂。50m氣泡五、ICF和實驗室天體物理(7)射流

實驗條件：CH薄膜，厚度15-22

m,

調(diào)制波長28,55,75

m.激光束(1-2kJ,2ω,2ns).用波長為13.9nm軟X光激光（類鎳銀等離子體產(chǎn)生）測量RTI發(fā)展成為大尺度燒蝕射流，射流長度350微米。

五、ICF和實驗室天體物理(8)

LARED-S模擬高預熱(L>1.0μm)下的燒蝕RT射流t=6.5nst0=3.5ns截止波長無燒蝕RTILARED-S模擬與日本實驗一致四、粒子加速和強場物理(5)噴流（Jet）現(xiàn)象在宇宙中大量存在

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)從活動星系核或吸積盤等客體邊緣發(fā)生的各種尺度噴流現(xiàn)象，如著名的天鷹座星云（稠密分子云組成）的象鼻狀結(jié)構(gòu)；正在形成的年輕恒星與老恒星相互作用產(chǎn)生的超聲噴流等。目前產(chǎn)生噴流物理機制、穩(wěn)定性和準直性的研究已成為HEDP的熱點之一。實驗室中用X射線（由激光照射物質(zhì)后轉(zhuǎn)換）加熱的物質(zhì)在一個開口的噴管處產(chǎn)生超聲噴流的實驗證明了噴流的存在；計算機數(shù)值模擬表明了高溫燒蝕流體力學不穩(wěn)定性可以發(fā)展成為超聲噴流。五、ICF和實驗室天體物理(9)

4.天體燒蝕流體力學不穩(wěn)定噴射--天鷹座星云象鼻結(jié)構(gòu)五、ICF和實驗室天體物理(10)

HH47(radiativehydrodynamicjet),aHaro-Herbig(HH)Object,recognizedastheprotostellaringravitycontraction.年青恒星與原恒星(Protostellar)耦合產(chǎn)生超聲射流?YoungstarIRAS04302+2247IRRADIATEDNEBULABYTHEYOUNGSTARACCRETIONDISK:T