强粒子束产生温稠密物质热力学状态估计.pdf

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1、第２６卷第３期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３２０１４年３月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｒ．，２０１４强粒子束产生温稠密物质热力学状态估计郑君，陈其峰，顾云军，权伟龙，李治国，黄子平，张簧，石金水，邓建军（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：基于能量平衡原理，结合ＳＲＩＭ统计方法，以铝靶为例，对重离子束和强电子束产生高温高密度物质所需的束流参数进行估计，分析各自产生温稠密物质的优缺点。结果显示，从电子辐射能损和束流利用观点来看，１～１

2、０ＭｅＶ电子束产生温稠密物质具有较好的均匀性和较高的利用率；而重离子束加载可以获得较宽区域的温稠密物质。关键词：强电子束；重离子束；温稠密物质；蒙特卡罗方法中图分类号：Ｏ５２２．２；ＴＬ５０１．５文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０３５１０２温稠密物质（ＷＤＭ）属于高能量密度物理范畴，通常指介于凝聚介质和理想等离子体之间的一种物质状态，其密度范围从固体密度到１０倍固体密度，温度在０．１～１００ｅＶ范围，非理想耦合参数在１＜Γ＜１００区域范围。该区域内物质往往呈现部分简并、强

3、耦合、非理想状态，许多天体物理系统和聚变等离子体在压缩初期都会进入该区域，其结构和动力学特性非常复杂。对于这样极端状态下的量子统计系综，人们的认识还很不充分，在实验和理论两方面都存在大量悬而未决且极具挑战性的问题有待探索。目前温稠密物质的特性、物理机［１３］制和规律性研究已成为当代科学研究中最具活力的领域之一。到目前为止，利用实验技术产生温稠密物质的方法层出不穷：力学碰撞技术（如气体炮、磁驱动）、化爆／含能材料、强激光（如短脉冲激光、自由电子激光）、脉冲功率技术（如电爆丝、Ｚｐｉｎｃｈ），以及强粒

4、子束等。上述实验技术都有各自的优缺点，对物质特性研究的侧重点也不尽相同，研究内容主要涉及温稠密物质产生及约束、状态方程、输运性质、辐射不透明度、相变、光学吸收以及动力学响应等。随着大型加速器装置的建立和不断发［４８］展，强粒子束加热与膨胀技术开始应用于温稠密物质特性研究，这种新的实验技术可以获得较宽的温度密度区域（覆盖６个量级压力，４个量级密度范围），产生的温稠密物质具有大体积、高密度、物理条件相同、能量［９］沉积精确控制（小于５％）、任意靶材、有效靶诊断、长寿命（１０～１００ｎｓ）、高打靶频次等特

5、点。由于其独特的能量沉积和体积加热过程，强粒子束方法产生的温稠密物质可以获得极高熵态且没有任何冲击波产生，而这种高熵状态鲜见研究。目前国际上仅有德国、美国、日本、俄罗斯等具备利用强粒子束开展ＷＤＭ研究的能力。德国ＧＳＩ装置［４６］［７９］（已完成各种靶材实验７５００发次）、美国ＮＤＣＸ装置等已经开始应用于温稠密物质性质研究，涉及研究内容包括：液汽相变区及临界点、状态方程、电导率、蒸发速率、蒸发与液滴形成相边界、电子亲合、电子交换辐射、透明晶体瞬态变暗等。国内大型加速器装置以兰州近代物理研究所的重

6、离子加速器和中国工程物理研究院流体物理研究所的电子直线感应加速器为代表，鲜有开展ＷＤＭ相关特性研究。本文基于能量平衡原理，利用ＳＲＩＭ统计方法以及动能射程转化关系，对重离子束和强电子束击靶产生ＷＤＭ状态及所需束流参数进行估计，并分析各自产生温稠密物质的优缺点。１理论模型及估算方法通常来说，带电粒子（如电子及离子）与实物靶相互作用主要有以下几种：（１）弹性散射，（２）非弹性碰撞，（３）轫致辐射。对于电子而言，弹性散射表示电子经过实物靶时，受靶电荷的库仑场的作用，路径偏离原方向但能量不变，相对快速电子可以

7、忽略不计；对于离子则表示能量传递给反冲原子而损失的能量（即核能损）。非弹性碰撞表示带电粒子通过靶时，因碰撞导致原子激发或电离在单位路径长度的平均能量损失率，通常反映为碰撞能损，对于离子而言也叫电子能损。韧致辐射则表示受靶中原子核的库伦场作用，电子的动能转变成辐射能。收稿日期：：２０１３０９１０；修订日期：２０１３１１１４基金项目：中国工程物理研究院基金项目（２０１２Ｂ０１０１００１）；冲击波物理与爆轰物理重点实验室基金项目（９１４０Ｃ６７０１０３１３０Ｃ６７２３５）作者简介：郑君（１９８２—

8、），男，助理研究员，主要从事温稠密物质高压物性研究；ｚｈｊｕｎ７１６＠１６３．ｃｏｍ０３５１０２１强激光与粒子束如图１所示，假定由加速器产生一短脉冲强粒子束，在某靶中穿过一定厚度后停止（该厚度称为沉积深度）。由能量平［１０］衡方程得到靶的沉积能量犈ｄｅｐ＝犈ｉｎｔ＋犈ｋｉｎ＋犈ｒａｄ（１）其中：犈，犈，犈及犈分别表示入射粒子沉积靶的能量、靶ｄｅｐｉｎｔｋｉｎｒａｄ的内能、靶内流体动能及靶的辐射能。如果靶的厚度大于粒子束沉积深度，那么沉积靶的能量就等于束