我国学者在温稠密氘氦混合物高压物态方程及声速测量研究中取得突破
日期 2021-03-16  来源:数理科学部  作者:姜向伟 张诗按 倪培根

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图a:“5+1”层介质高压气体多信息量诊断靶装置;图b:时间分辨光辐射和粒子速度剖面历史测量与多层介质靶激波相互作用位置随时间一维流体动力学模拟比较;图c:氢氘氦及混合物声速随压强变化;图d:氢氘氦及混合物压力-温度(P-T)相图

  在国家自然科学基金项目(批准号:11674292、11872057)等资助下,中国工程物理研究院流体物理研究所陈其峰研究员、顾云军研究员、李治国博士后和四川大学陈向荣教授及西南科技大学张伟副教授等组成的合作研究团队,利用二级轻气炮作为加载工具产生强冲击波,实现了从冲击绝热到准等熵压缩氘氦混合气体进入温稠密区,获得了氘氦混合气体从室温到15000K温度范围的物态方程并测量了50-120GPa高压下的准等熵声速。相关研究成果以“多次冲击到准等熵压缩稠密气体氘氦混合物达120GPa:探测与行星内部相关的声速(Multishock to Quasi-Isentropic Compression of Dense Gaseous Deuterium-Helium Mixtures up to 120 GPa: Probing the Sound Velocities Relevant to Planetary Interiors)”为题,于2021年2月15日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上。论文链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.075701。

  温稠密物质是聚变过程必然要经历的中间物质状态,也是天体内部物质存在的重要形式。氘和氦是聚变的主要反应物和生成物,也是气态巨行星(如土星和木星等)内部主要物质成分,其混合物在温稠密状态下的热力学性质(如物态方程和声速等)对聚变实验设计起至关重要作用,也是理解气态巨行星形成、结构及演化的关键参数。然而,对于氘氦这样的低Z气体,受限于初始样品极低的密度(常态下密度仅有1.798×10-4 g/cm3),通过高压手段产生聚变过程和行星内部所涉及的温稠密物质状态面临巨大技术挑战。当前大部分研究工作限于理论模拟,不同状态方程模型用于聚变实验设计和天体物理建模给出的结果存在明显分歧,亟需氘氦百万大气压温稠密物质状态下的实验数据来标定和检验模型。

  为了获取氘氦百万大气压(106 atm=100GPa)范围温稠密物质物性与声速实验数据,合作研究团队设计了基于二级气炮加载的“5+1”层介质高压气体多信息量诊断靶(图a-b),突破了针对低Z氘氦气体产生百万大气压温稠密物质技术瓶颈以及不透明温稠密物质状态诊断国际性难题,成功实现氘氦从绝热到准等熵的压缩以及状态方程测量,将氘氦混合物的冲击压强和温度提高至前所未有的温压区(~120 GPa和~15000 K),并利用冲击绝热到准等熵压缩的独特压缩路径在国际上率先获得了该混合物在50-120 GPa宽范围内的高压声速(图c),取得温稠密氘氦前所未有的物态方程和声速数据,从多个视角检验和验证了聚变设计和天体物理建模中用到的物态方程理论模型,也为木星绝缘-金属过渡层的模型构建提供了实验支持(图d)。

  以上研究成果不仅有助于深入理解气态巨行星的起源、发展和演化等行星物理问题,而且为构建这类行星结构模型和研究行星演化过程提供了必要参数,在受控核聚变和聚变新能源的开发利用等方面有重要的应用前景和科学意义。