強(qiáng)粒子束產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)估計(jì).pdf

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1、第２６卷第３期強(qiáng)激光與粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３２０１４年３月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｒ．，２０１４強(qiáng)粒子束產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)估計(jì)鄭君，陳其峰，顧云軍，權(quán)偉龍，李治國(guó)，黃子平，張簧，石金水，鄧建軍（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽(yáng)６２１９００）摘要：基于能量平衡原理，結(jié)合ＳＲＩＭ統(tǒng)計(jì)方法，以鋁靶為例，對(duì)重離子束和強(qiáng)電子束產(chǎn)生高溫高密度物質(zhì)所需的束流參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，分析各自產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果顯示，從電子輻射能損和束流利用觀點(diǎn)來(lái)看，１～１

2、０ＭｅＶ電子束產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)具有較好的均勻性和較高的利用率；而重離子束加載可以獲得較寬區(qū)域的溫稠密物質(zhì)。關(guān)鍵詞：強(qiáng)電子束；重離子束；溫稠密物質(zhì)；蒙特卡羅方法中圖分類(lèi)號(hào)：Ｏ５２２．２；ＴＬ５０１．５文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０３５１０２溫稠密物質(zhì)（ＷＤＭ）屬于高能量密度物理范疇，通常指介于凝聚介質(zhì)和理想等離子體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)，其密度范圍從固體密度到１０倍固體密度，溫度在０．１～１００ｅＶ范圍，非理想耦合參數(shù)在１＜Γ＜１００區(qū)域范圍。該區(qū)域內(nèi)物質(zhì)往往呈現(xiàn)部分簡(jiǎn)并、強(qiáng)

3、耦合、非理想狀態(tài)，許多天體物理系統(tǒng)和聚變等離子體在壓縮初期都會(huì)進(jìn)入該區(qū)域，其結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜。對(duì)于這樣極端狀態(tài)下的量子統(tǒng)計(jì)系綜，人們的認(rèn)識(shí)還很不充分，在實(shí)驗(yàn)和理論兩方面都存在大量懸而未決且極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題有待探索。目前溫稠密物質(zhì)的特性、物理機(jī)［１３］制和規(guī)律性研究已成為當(dāng)代科學(xué)研究中最具活力的領(lǐng)域之一。到目前為止，利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)的方法層出不窮：力學(xué)碰撞技術(shù)（如氣體炮、磁驅(qū)動(dòng)）、化爆／含能材料、強(qiáng)激光（如短脈沖激光、自由電子激光）、脈沖功率技術(shù)（如電爆絲、Ｚｐｉｎｃｈ），以及強(qiáng)粒

4、子束等。上述實(shí)驗(yàn)技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)物質(zhì)特性研究的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同，研究?jī)?nèi)容主要涉及溫稠密物質(zhì)產(chǎn)生及約束、狀態(tài)方程、輸運(yùn)性質(zhì)、輻射不透明度、相變、光學(xué)吸收以及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等。隨著大型加速器裝置的建立和不斷發(fā)［４８］展，強(qiáng)粒子束加熱與膨脹技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于溫稠密物質(zhì)特性研究，這種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以獲得較寬的溫度密度區(qū)域（覆蓋６個(gè)量級(jí)壓力，４個(gè)量級(jí)密度范圍），產(chǎn)生的溫稠密物質(zhì)具有大體積、高密度、物理?xiàng)l件相同、能量［９］沉積精確控制（小于５％）、任意靶材、有效靶診斷、長(zhǎng)壽命（１０～１００ｎｓ）、高打靶頻次等特

5、點(diǎn)。由于其獨(dú)特的能量沉積和體積加熱過(guò)程，強(qiáng)粒子束方法產(chǎn)生的溫稠密物質(zhì)可以獲得極高熵態(tài)且沒(méi)有任何沖擊波產(chǎn)生，而這種高熵狀態(tài)鮮見(jiàn)研究。目前國(guó)際上僅有德國(guó)、美國(guó)、日本、俄羅斯等具備利用強(qiáng)粒子束開(kāi)展ＷＤＭ研究的能力。德國(guó)ＧＳＩ裝置［４６］［７９］（已完成各種靶材實(shí)驗(yàn)７５００發(fā)次）、美國(guó)ＮＤＣＸ裝置等已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于溫稠密物質(zhì)性質(zhì)研究，涉及研究?jī)?nèi)容包括：液汽相變區(qū)及臨界點(diǎn)、狀態(tài)方程、電導(dǎo)率、蒸發(fā)速率、蒸發(fā)與液滴形成相邊界、電子親合、電子交換輻射、透明晶體瞬態(tài)變暗等。國(guó)內(nèi)大型加速器裝置以蘭州近代物理研究所的重

6、離子加速器和中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所的電子直線(xiàn)感應(yīng)加速器為代表，鮮有開(kāi)展ＷＤＭ相關(guān)特性研究。本文基于能量平衡原理，利用ＳＲＩＭ統(tǒng)計(jì)方法以及動(dòng)能射程轉(zhuǎn)化關(guān)系，對(duì)重離子束和強(qiáng)電子束擊靶產(chǎn)生ＷＤＭ狀態(tài)及所需束流參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并分析各自產(chǎn)生溫稠密物質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)。１理論模型及估算方法通常來(lái)說(shuō)，帶電粒子（如電子及離子）與實(shí)物靶相互作用主要有以下幾種：（１）彈性散射，（２）非彈性碰撞，（３）軔致輻射。對(duì)于電子而言，彈性散射表示電子經(jīng)過(guò)實(shí)物靶時(shí)，受靶電荷的庫(kù)侖場(chǎng)的作用，路徑偏離原方向但能量不變，相對(duì)快速電子可以

7、忽略不計(jì)；對(duì)于離子則表示能量傳遞給反沖原子而損失的能量（即核能損）。非彈性碰撞表示帶電粒子通過(guò)靶時(shí)，因碰撞導(dǎo)致原子激發(fā)或電離在單位路徑長(zhǎng)度的平均能量損失率，通常反映為碰撞能損，對(duì)于離子而言也叫電子能損。韌致輻射則表示受靶中原子核的庫(kù)倫場(chǎng)作用，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成輻射能。收稿日期：：２０１３０９１０；修訂日期：２０１３１１１４基金項(xiàng)目：中國(guó)工程物理研究院基金項(xiàng)目（２０１２Ｂ０１０１００１）；沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（９１４０Ｃ６７０１０３１３０Ｃ６７２３５）作者簡(jiǎn)介：鄭君（１９８２—

8、），男，助理研究員，主要從事溫稠密物質(zhì)高壓物性研究；ｚｈｊｕｎ７１６＠１６３．ｃｏｍ０３５１０２１強(qiáng)激光與粒子束如圖１所示，假定由加速器產(chǎn)生一短脈沖強(qiáng)粒子束，在某靶中穿過(guò)一定厚度后停止（該厚度稱(chēng)為沉積深度）。由能量平［１０］衡方程得到靶的沉積能量犈ｄｅｐ＝犈ｉｎｔ＋犈ｋｉｎ＋犈ｒａｄ（１）其中：犈，犈，犈及犈分別表示入射粒子沉積靶的能量、靶ｄｅｐｉｎｔｋｉｎｒａｄ的內(nèi)能、靶內(nèi)流體動(dòng)能及靶的輻射能。如果靶的厚度大于粒子束沉積深度，那么沉積靶的能量就等于束