北京市物理学会2007年会 高能量密度物理及应用 贺 贤 土 中国工程物理研究院 二○○七年十二月.

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1 北京市物理学会2007年会 高能量密度物理及应用 贺 贤 土 中国工程物理研究院 二○○七年十二月

2 一、 HEDP--新的物理学领域 二、 HEDP研究的技术条件 三、 HED条件下的物质特性 四、 粒子加速和强场物理 五、 ICF和实验室天体物理 六、 结论和看法

3 一、高能量密度物理--新的物理学领域(1）
高能量密度（HED）通常指能量密度大于 105J/cm3，即压力超过1Mbar(=105J/cm3=1011J/m3)，例：氢原子玻尔半径处电场对应的HED；材料模块冲击波压缩产生的电离能量密度。  HEDP涉及到物理学此前研究中没有涉及到的大量 新的现象和认识： ——实验室中极端条件下的物质结构和运动形式； ——天体物理学观察到前所未认识的、新奇的 绚丽多彩的现象。

4 一、高能量密度物理--新的物理学领域(2）
 HEDP改变了某些传统的物理学观念和修正了某些模型近似（量子力学的、经典的和相对论的）。典型的HED系统常常是：集体效应（大量自由度被激发）占了主导，非线性效应重要；部分和完全退化态; 复杂的可压缩流体动力学; 高剥离的原子态（库仑场被严重畸变)；有质动力导致热压力完全不重要，等等。

5 一、高能量密度物理--新的物理学领域（3）
HEDP已成为物理学研究中的一个亮点，有关的综合评论，例如：“Frontiers in High Energy Density Physics” by R.Davidson et al. “Connecting Quarks with the COSMOS: Eleven Science Questions for the New Century” by M.Turner et al.

6 二、  HEDP研究的技术条件 1．高能量、高功率驱动器发展 2．高性能计算机的发展和高性能大软件包的开发

7 二、HEDP研究的技术条件 (1) 1．高能量、高功率驱动器的建造和使用 美国：
正在运行的30kJ（2-3ns）OMEGA激光器，到靶上激光强度为 W/cm2； 正在建造2.5kJ(~1ps)的OMEGA-EP两束超短脉冲超强激光器，激光强度>1020W/cm2。 正在建造1.8MJ(5-10ns)的国家点火装置（NIF），2006年已建成8束， 年192束。 美国：

8 二、HEDP研究的技术条件 (2) 美国： 正在运行的20MA的Z-Pinch装置

9 二、HEDP研究的技术条件 (3) 日本： 欧洲：  法国的1.8MJ(5-10ns)240束的LMJ激光器
GEKKO-XII约2.5ns,8 kJ绿光  约1kJ(~0.5ps)泊瓦激光装置 欧洲：  法国的1.8MJ(5-10ns)240束的LMJ激光器 LIL-hall : 500 m2 LIL-building : 150 x 70 m2

10 二、HEDP研究的技术条件 (4) 中国： 神光II第九路(3ns,1.0m,4.5kJ)为背
 SG-II激光器（8束,1ns,3kJ,蓝光）已打靶实验3000发 神光II第九路(3ns,1.0m,4.5kJ)为背 光照相(2005)和拍瓦激 光(1.5kJ, 2ps, 2009),  正在进行SG-II升级(3ns,24kJ,蓝光)

11 二、HEDP研究的技术条件 (5) 2006年建成的8束SG-III原型激光器(3ns, 3ω,10kJ）,已打靶实验近1000发
大 厅 空间滤波器 d=2.6m 原 型 激 光 大 楼 靶 室

12 二、HEDP研究的技术条件(6) SG-III激光器,48束(3ns,3ω,200-400kJ),2012年建成
(3) Construction of SG-Ⅲ laser facility is underway. 正在建造的SG-III现场 靶场系统 激光系统 洁净装配车间 实验室面积 : 176m×76m,包括三个部分：激光系统，靶室，洁净装配车间. 正在计划建造SG-IV点火装置(3ns,3ω,1.5MJ),2020年完成。

13 2．高性能计算机的发展和高性能大软件包的开发
二、HEDP研究的技术条件 （11） 2．高性能计算机的发展和高性能大软件包的开发 美国：  >367万亿次计算机（2008年1000T）  LASNEX软件包

14 二、HEDP研究的技术条件 （12） 中国： 25万亿次高性能计算机正在运行  LARED软件包

15 二、HEDP研究的技术条件 （13） 日本：  地球模拟器：40T

16 三、 HED条件下的物质特性 1．HED条件下凝聚态物理和材料科学 2．高温等离子体和辐射流体动力学

17 三、HED条件下的物质特性 (1) 1．HED条件下凝聚态物理和材料科学 (1) 新物质产生
当温度T<1eV时，电离很少，高压下新物质：例如， 压力1-10 Mb (温度~ ) 时，气态氢流体氢金属化。 结构? 相变图? 电阻和电导率? 超导性? (N. ?) 压力1Mb和温度几千度产生了碳的合成物，如人造金刚石等； 地幔(地表以下 公里的半固体层)物质在压力~1.30Mb 和温度~4500o C时发生奇特变化, 例氧化铁变成镁方铁矿，而 含镁和硅的混合物也被压缩成钙铁矿。高温高压会导致越来 越多的自旋电子配对，并产生自旋低消。因此铁离子会从高 自旋态逐渐转变为低自旋态。与处於高自旋态的镁方铁矿比 ，低自旋态的矿物密度更高。（S. 21/09/07)

18 三、HED条件下的物质特性 (2) 非常低温下氦气可以转化成液体，而在特别高压力下液氦又可以转化成固体氦状态。粒子表现出无摩擦流动现象，像液氦超流现象－－超固体新物质。(N. 06/12/07) 高能飞秒激光束聚焦在金属表面产生了特殊纳米结构，形成了“黑金属“，使金属吸收辐射能力极大提高。半导体材料硅经飞秒激光辐照后变成了“黑”硅，能吸收照射在其上的全部光能，无反射光。(Rochester U） 高压下物质响应产生的应力、应变, 改变了物质的性质，从固体向塑性流动过渡。 激光等熵压缩氘氚密度大于300gcm-3以上, 退化态（温度小于费米温度), 原子间距～0.25A小于氢原子Bohr半径, 电子不可能稳定围绕质子转，等.

19 三、HED条件下的物质特性 (3) (2) 高密度低温非理想气体特性  强耦合效应
 强耦合效应 低温高密度态，离子周围形成电子屏蔽云，电子（离子）相互作用能超过理想气体动能。  集体效应产生非线性现象 高密度、部分电离等离子体中能集体激发多种波。集体效应产生波-波、波-粒子的非线性相互作用；固体晶格对激光响应产生的非线性应力和应变。

20 三、HED条件下的物质特性 （4）  Fermi退化态
强激光驱动近等熵压缩实验已得到CD材料大于600倍的压缩密度；数值模拟表明在1.5MJ激光能量驱动下，氘氚密度可达到>400g/cm3。在实验室可实现的近Fermi退化态, 原子间距小於Bohr 半经。对氢同位素氘氚, 内能 ; 压力 , ,

21 三、HED条件下的物质特性 （5） （3）物质的热力学状态和原子电离过程  物质的状态方程（EOS）
不同物质压力与密度和温度的关系可分成三个区域： * 区域。 , 实验已得到多种 物质的多个实验点。 * 区域。这一区域物理模型研究具有挑战性。目前强激光驱动实验已可获得Cu等物质10Mb-30Mb的实验点。大于30Mb数据少，精度不高。 * 区域。Thormas-Fermi模型(量子修正)有效。

22 三、HED条件下的物质特性 (6） D和Cu状态方程图 约1Mb条件下氘的EOS出现以前未知的状态

23 三、HED条件下的物质特性 (7) SG-II上铜的雨贡纽曲线实验结果 实验靶(铝－金阻抗匹配)：间接驱动铜中冲击波压强~2.3TPa。
Al-Au Al Au Cu-Au Au Cu Al-(Cu-Au) Al Au Cu 金的雨贡纽数据(冲击波速度D和压力P)

24 三、HED条件下的物质特性 (8) 在我们太阳系中的全部巨行星，主要由气体（例如，氢）构成，它们比类地行星大得多。
近年来，外太阳系中巨行星的发现表明了巨行星是宇宙家族中的重要一员，它的主要特征是内部可能存在大体积金属氢，它的行为与氢的状态方程密切有关，是研究氢的EOS的重要天体。

25 三、HED条件下的物质特性 (9) 巨行星（氢）演化与状态方程关系敏感（D2的EOS）

26 三、HED条件下的物质特性 (10)  高剥离态原子物理
 高剥离态原子物理 高温导致中高z元素高电离度，通常一半以上束缚电子电离时称高剥离态。由于能级大量分裂，离子的电场互相影响及高密度下的关联导致高剥离态原子比通常零温下原子物理复杂，需要大规模数值模拟计算和实验验证。 激光-X光转换 能级 …………………………………… 轫致辐射-逆轫致吸收 自发辐射-线吸收 辐射复合-光电离 电子碰撞电离-三体复合 电子碰撞激发-电子碰撞退激发 自电离-共振俘获（双电子复合） （重离子碰撞） 辐 射 输 运 平均原子模型 辐射流体力学 自洽场方法 辐射不透明度 电子热传导不透明度 超越自洽方法 状 态 方 程 X 光 激 光 状 态 诊 断

27 三、HED条件下的物质特性 (11)

28 三、HED条件下的物质特性 (12) 2．高温等离子体和辐射流体动力学
（1）辐射流体力学是研究高温辐射与流体状态等离子体物质相互作用的动力学，其中辐射热传导是传递能量的基本过程。  当辐射波在LTE下的扩散热传导速度 小于声速CS（R为光学厚度）时，形成激波；当VR>CS时，只有辐射波快速传输，激波和稀疏波不能形成。目前仍有很多辐射热传导课题需要进一步研究。

29 三、HED条件下的物质特性 (13) （2）辐射流体力学过程存在辐射波、激波、稀疏波相互作用，在激光与物质相互作用、核爆以及超新星爆炸等过程中都会遇到这些现象。 目前除激波与稀疏波或者辐射波与激波相互作用问题已经解决外，三波相互作用研究仍然是一个挑战性的问题。  辐射激波的传播和特性 辐射激波的波头为辐射波波头，背为激波，从头到背有一个厚度Δr=r辐 -r激, 目前很少有研究工作。超新星爆炸外层低密度区域和核爆炸某些区域都可能出现辐射激波。

30 四、粒子加速和强场物理 1. 激光相对论等离子体作用产生自生磁场 2. 电子尾场加速 3. 质子加速 4．天体中吸积致密天体动力学 5
四、粒子加速和强场物理 1. 激光相对论等离子体作用产生自生磁场 2. 电子尾场加速 3. 质子加速 4．天体中吸积致密天体动力学 5. 探索黑洞某些性质 6. 射线爆

31 拍瓦（1015瓦）激光与等离子体相互作用和强场物理
四、粒子加速和强场物理 (1) 拍瓦（1015瓦）激光与等离子体相互作用和强场物理 强度1018w/cm2激光与物质相互作用提供了十分重要的HED条件：相对论等离子体相互作用产生粒子高能加速，电子能量可大于100MeV；由于回电流的效应相对论高能电子（>1MeV）电流可以超过Alfven极限，例如，在4倍临界密度等离子体中传播的电流密度可达到1012A/cm2以上；产生的电场可达到10GeV/cm,轴向和角向的自生磁场100MG，对高能电子产生显著的聚焦和准直作用。在拍瓦激光与相对论等离子体作用中产生了真空沸腾，实验获得了大量正负电子对。相互作用也导致了高能电子（质子）在高密度等离子体中能量沉积，为快点火提供了形成热斑的条件。

32 四、粒子加速和强场物理 (2) 1. 自生磁场--LARED-3DPIC数值模拟结果
圆极化激光相对论等离子体作用产生轴向和角向自生磁场；线极化激光相对论等离子体相互作用 只产生角向磁场。产生接近100MG自生磁场和100MA电流 轴 向 电 流 电 流 准 直 轴 向 磁 场 角 向 磁 场

33 四、粒子加速和强场物理 (3) 2．宇宙磁场及其影响
宇宙中充满了磁场，包括中子星（~1012G磁场）和巨大气体行星的磁场，这些磁场的起源依然蒙着神秘的面纱。例如，磁场能够影响吸积盘天体动力学，对磁流体动力学中的湍流和角动量输运产生作用；磁场影响了超新星爆炸后残体边缘的结构；磁场也对宇宙射流发生作用等等。目前在实验室中通过超强激光与相对论高密度等离子体相互作用能够产生上亿高斯磁场，这对研究磁场对高密度天体的影响很有帮助。同时计算机数值模拟也表明了这样强磁场的存在以及它对相对论高能电子运动的影响。

34 四、粒子加速和强场物理 (4) 3. 电子尾场加速: 激光在等离子中传播激发等离子体波，由于电荷分离产生尾场，电子在等离子体波中“冲浪”运动，获得加速。 气泡加速电子，近单能和几度发散角(Katsouleas et al., Nature, 515(04)). I＝ 3x1020w/cm2, 观察到电子能量大于300MeV (Mangles et al., PRL94(05)

35 四、粒子加速和强场物理 (5) 4. 质子加速--观察到CH靶背面质子的Bragg峰 电场 分布 速度分布

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37 四、粒子加速和强场物理 (7) PW激光(1020 w/cm2)垂直入射到CH靶面产生带电粒子 (电子、质子、碳离子) 加速, t=500fs. ( Zhou, He, APL, Opt. Lett. (07)) PW激光(1020 w/cm2)斜入射到CH靶面产生带电粒子(电子、质子、碳离子)加速,t=500fs.

38 四、粒子加速和强场物理 (8) 5．宇宙标准模型认为，大爆炸后几个微秒发生夸克-强子相变前，夸克－胶子等离子体作为原始物质充满了早期宇宙，它们可能存在于现在中子星的核心部分，或在恒星的塌缩过程中产生。 探索古老的物质原始状态，对了解物质的本质和宇宙起源十分重要。RHIC使Au+46发生100GeV/核子对撞，观测到夸克-胶子等离子体。随着超短脉冲超强激光技术发展（靶面激光强度 51019w/cm2时，实验已证明产生的质子能量达30MeV，Pb+46离子能量0.43GeV)，如果激光强度1026w/cm2，有可能进行重核对撞实验。 探索E=MC2物理机制及大爆炸后光速运动无质量夸克怎样手征对称性破缺导致质量。

39 四、粒子加速和强场物理 (9) 6．天体吸中吸积致密天体动力学 黑洞正在吸积恒星物质，发射X射线，引起的光致电离
吸积是很多天体主要能量来源，吸积致密天体性质研究是天体物理研究中最吸引人的领域之一，这些吸积致密天体多数是双星系，例如，一方为中子星或黑洞的塌缩星体，另一方为白矮星（类太阳恒星，生命终结阶段的密度达到每立方厘米1吨，体积与地球相仿）等星体。一方对另一方的强烈的吸积（形成吸积盘）发射的X射线，以及X射线引起的光致电离等离子体（平衡和非平衡）是研究吸积致密天体动力学的重要内容。通过X射线的测量和实验室模拟（激光器和Z-Pinch）以及数值计算，吸积致密天体动力学研究正在成为热点之一。 黑洞正在吸积恒星物质，发射X射线，引起的光致电离

40 四、粒子加速和强场物理 (10) 7．探索黑洞某些性质模拟的可能 模拟黑洞辐射
在强度为1026W/cm2激光作用下，电子将在约2.7105GV/cm电场中加速a达到约1027g加速度，它接近黑洞视界处的引力加速度大小。这样极高的加速度产生的Unruh辐射（有效辐射温度的黑体辐射）与由引力场诱导的霍金辐射有多方面类似，因此，从Unruh辐射可探讨黑洞辐射的某些性质。 黑洞附近双星系统 一颗恒星被吸入，另一颗恒星成为逃星

41 四、粒子加速和强场物理 (11) 8．射线爆 可能机制 Mev质子爆炸（持续1秒） 拍瓦激光进行火球实验

42 五、ICF和实验室天体物理 1．惯性约束聚变内爆压缩动力学 辐射输运 烧蚀流体力学不稳定性 天体烧蚀流体力学不稳定喷射 快点火
6. 热核点火和自持燃烧条件

43 五、ICF和实验室天体物理 (1) 1. 惯性约束聚变
研究高功率激光驱动内爆压缩燃料达到高密度、局部高温是为了研究点火所需要的条件:T=5-10 keV; ρr= gcm-2。 随着NIF（美国的国家点火装置）等激光装置的建成，2010年左右将在实验室中演示热核点火和自持燃烧过程。目前已进行了大量内爆压缩实验和理论研究，CH物质的实验已获得600倍的常密度的压缩；也测到了氘氚热斑离子温度达到几个keV的结果。我国计划2020左右点火。 直接驱动 间接驱动 快点火方式 注入孔 氘氚小球

44 五、ICF和实验室天体物理 (2) （1）SG-II上的内爆压缩动力学 最高中子产额4109/发;内爆压缩密度大于1000倍
直接驱动(DT靶丸）: 最高中子产额4109/发;内爆压缩密度大于1000倍 内爆速度:爆推靶 ( )107cm/s;烧蚀靶 ( )107cm/s 粒子成像 间接驱动内爆压缩(燃料芯自背光照相成相) t1 t1+40ps t1+80ps t1+120ps t1+200ps t1+240ps t1+280ps t1+440ps t: 60 ps capsule: 200m, shell-13m CH＋2m SiO2, 10atm DT. Filter: 100m Be+3.5m Al

45 五、ICF和实验室天体物理 (3) (2) LARED 模拟间接驱动实验结果 SG-III原型上靶球变形实验和 LARED 数值模拟 b a
Au黑腔Ф=1000 m, 靶丸Ф=1000 m, DD:9-10 atm., doped Ar:0.2atm. a b a/b1.44 L=1600m a/b1 a/b0.76 L=1700m L=1800m 模拟结果 实验结果 黑腔靶 L

46 五、ICF和实验室天体物理 (4) 2. 辐射输运特性对于ICF间接驱动内爆和天体物理研究十分重要。
为了实现间接驱动点火，黑腔（Hohlraum）内辐射温度通常需要达到300eV左右，这样的辐射温度对于模拟天体现象也是很有意义的。辐射输运物理已进行了大量实验和理论研究。       高温辐射的输运（SG-II上实验结果） 零级 210eV 840eV 时间 645ps 569ps

47 五、ICF和实验室天体物理 (5) 3. 高温辐射传热（或电子传热）系统中低温高密度与高温低密度界面上的小扰动能够发生烧蚀流体力学不稳定性。
=Akg/(1+kL))1/2 –βkVa 高温向高密度区的烧蚀降低了Rayleigh-Taylor（RT）流体力学不稳定性，也降低了剪切力引起的Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性，后者导致高密度物质向低密度物质的喷流（Jet）的形成，从而导致和高密度物质与低密度物质的喷流混合。

48 五、ICF和实验室天体物理 (6)  烧蚀流体力学不稳定性发展产生了蘑菇状头的喷射结构，其相互作用形成了两种不同物质的湍流混合。
 烧蚀（热传导）导致经典Rayleigh-Taylor不稳定性（RTI）的致稳效应。 ,T1 ,T2

49 五、ICF和实验室天体物理 (7) 实验条件：CH 薄膜，厚度 15-22m,
神光－II上流体力学不稳定性实验表明:激光驱动内爆过程中预热可能显著影响RTI。 实验条件：CH 薄膜，厚度 15-22m, 调制波长 28, 55, 75m. 激光束 (1-2kJ,2ω,2ns). 用波长为13.9nm 软X光 激光（类镍银等离子体 产生）测量 RTI 软X光激光诊断非线性烧蚀RTI和模拟表明：尖峰和气泡的二维形状振幅（约 50m）和实验很好一致，无断裂。 射流 气泡 50m M-Z 干涉仪测非线性密度 LARED－S 模拟 软X射线侧背光照相 LARED－S 模拟

50 五、ICF和实验室天体物理 (8) LARED-S模拟高预热(L>1.0μm)下的烧蚀RT射流 截止波长
t=6.5ns t0=3.5ns 发展成为大尺度烧蚀射流， 射流长度350微米。 LARED-S模拟与日本实验一致 无烧蚀RTI

51 四、粒子加速和强场物理 (5) 喷流（Jet）现象在宇宙中大量存在
现已发现从活动星系核或吸积盘等客体边缘发生的各种尺度喷流现象，如著名的天鹰座星云（稠密分子云组成）的象鼻状结构；正在形成的年轻恒星与老恒星相互作用产生的超声喷流等。目前产生喷流物理机制、稳定性和准直性的研究已成为HEDP的热点之一。实验室中用X射线（由激光照射物质后转换）加热的物质在一个开口的喷管处产生超声喷流的实验证明了喷流的存在；计算机数值模拟表明了高温烧蚀流体力学不稳定性可以发展成为超声喷流。

52 五、ICF和实验室天体物理 (9) 4.天体烧蚀流体力学不稳定喷射--天鹰座星云象鼻结构

53 • 五、ICF和实验室天体物理 (10) 年青恒星与原恒星(Protostellar)耦合产生超声射流
Indirect observation of the young star IRRADIATED NEBULA BY THE YOUNG STAR ACCRETION DISK : THE NEBULA IS SEPARA- TED IN TWO PARTS • THE YOUNG STAR IS HID- DEN BY ITS SURROUN- DING GRAVITATIONAL DISK. Young star IRAS HH47 (radiative hydrodynamic jet), a Haro-Herbig (HH) Object, recognized as the protostellar in gravity contraction.

54 Role of the magnetic field B ?
蟹状星云是超新星遗迹 B THE PLASMA EJECTED BY THE SUPERNOVA EXPANDS INTO THE INTERSTELLAR MEDIUM (ISM). Three phases ocurr : 1 - ballistic expansion of the plasma (v≈ km/s) 2 - strong explosion phase: Sedov-Taylor expansion R(t)  t2/5 Expansion is slowed down 3 - dilution of the energy of the shock in the ISM: Radiative shock Role of the magnetic field B ? ANISOTROPY 中国人发现双亲超新星(1054年夏)。

55 五、ICF和实验室天体物理 (12)  SN1987A超新星爆炸观察表明了壳体与内核界面强烈流体力学混合  激光模拟实验

56 五、ICF和实验室天体物理 (14) 5.快点火 实验证明了热斑的形成--- Nature V.412,798(2001)

57 五、ICF和实验室天体物理 (14) 6.热核点火和自持燃烧条件已进行了很多研究（特别是大变形条件下点火条件）。恒星内的热核聚变过程与实验室中LTE下的热核聚变有相似的特性  粒子物理  热核点火和燃烧波的传播  热动平衡（LTE）态  Non-LTE态和弛豫过程  LTE点火和燃烧向Non-LTE点火和燃烧过渡（最小熵），相变？

58 五、结论和看法

59 六、结论和看法 高能量密度物理是一门新兴学科，揭露了极端条件下物质新的结构和特性，研究具有挑战性。
天体中星体物质具有高能量密度特性，利用高功率激光器可以模拟天体观察结果，是实验室天体物理研究的基础。 3. 理论、实验、高性能计算机数值模拟是高能量密度物理研究的三种互相关联和互相补充的三种手段，也是二十一世纪科学研究的三根支柱。

60 谢谢