我国学者在高能量密度物理研究领域取得进展
日期 2020-11-13  来源:数理科学部  作者:李会红 金亮 章志明

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 (a)实验装置示意图 (b)ns激光轰击金腔驱动X射线加热TCA泡沫产生稠密等离子体

(c)强流准单能质子束在等离子体中激发纵向电场,质子束位于减速场中

(d) 实验观测到质子束的能损比常用的两体碰撞理论预期高一个量级

图1 实验方案、数据及物理图像示意图

  在国家自然科学基金项目(批准号:U2030104、11705141、11775282、U1532263)等资助下,西安交通大学赵永涛教授团队联合来自中国工程物理研究院激光聚变研究中心、浙江大学、中国科学院近代物理研究所、北京应用物理与计算数学研究所、中国科学院物理所、西安工业大学、咸阳师范学院、中国科学院大学、中国工程物理研究院研究生院等单位相关专家组成的合作团队,利用星光III强激光装置测量了激光加速强流质子束在稠密等离子体中的能量沉积,发现并揭示了一种比通常两体碰撞理论预估高出一个量级的能量沉积机制。相关成果以“激光加速强流质子束在稠密电离物质中的高效阻止过程观测(Observation of a high degree of stopping for laser-accelerated intense proton beams in dense ionized matter )”为题,于2020年10月14日在《自然通讯》(Nature Communications)上在线发表。论文链接https://www.nature.com/articles/s41467-020-18986-5。

  高能量密度物理是聚变科学技术和天体物理等重大领域的新兴前沿课题,也是国内外重离子加速器和强激光大科学装置前沿研究的重要科学目标,相关科学研究具有前沿性和挑战性。强流离子束在稠密物质中的能损和输运是惯性约束聚变以及离子束驱动高能量密度物理研究中最为关键的基础科学问题之一。

  研究团队利用星光III强激光装置高功率皮秒激光结合质谱法得到能量为3.6 MeV的准单能强流质子束,利用纳秒激光结合空腔泡沫靶得到17 eV的均匀稠密等离子体,进而精确测量了强流质子束在稠密等离子体中的能损。实验发现,激光加速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的预期值高一个量级;数值模拟显示,超短超强离子束引起的回流电子可以产生高达109 V/m的超强阻止电场,该阻止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。该研究发现和揭示了一种极端强流条件下起主导作用的离子束能损新机制,这种机制将会显著影响人们对惯性约束聚变中心点火、带电粒子束快点火以及离子束驱动高能量密度物质等关键物理过程的理解和认识,同时为我国惯性约束聚变及高能量密度物理等领域相关大科学装置的物理方案设计和实施提供重要参考和数据支持。