中国科研团队在高能量密度科学基础研究领域取得重要进展

高能量密度物理是国防安全、聚变科学技术和天体物理等重大领域的新兴前沿课题,也是国内外大科学装置前沿研究的重要科学目标,相关科学研究极具前沿性和挑战性,孕育着丰富的新概念和新发现。近日,西安交通大学物理学院赵永涛教授团队联合中科院近代物理研究所、中物院激光聚变研究中心、浙江大学、清华大学等10余家单位在基于重离子加速器和强激光大科学装置的高能量密度科学前沿科研领域取得重要进展和突破,部分研究成果10月14日在《中国科学》和 Nature Communications 同日在线发表,论文标题分别为“基于HIAF装置的高能量密度物理研究”以及“Observation of a high degree of stopping for laser-accelerated intense proton beams in dense ionized matter”。

赵永涛教授课题组及其合作团队参加了国家“十二五”重大基础科研设施强流重离子加速装置HIAF(High Intensity heavy-ion Accelerator Facility)的概念设计、建议和论证等工作,提出了具有高度前瞻性和创新性的加速器关键参数指标和物理设计方案;依托重离子加速器和强激光大科学装置开展了离子束与等离子体相互作用实验研究,揭示了离子束在等离子体中的电荷交换、能损和输运新机制;发展了相关流体和粒子模拟新技术,阐明了离子束驱动高能量密度物质的宏观状态演化规律和微观动力学机制;首次提出了一套兼具高穿透力、大动态范围和超高时空分辨三大优势的高能电子成像技术,并在实验上实现了1ps和1um量级的时空分辨。团队受邀在《中国科学》“强流重离子加速器及其科学研究专题”发表评书文章,以期向学界和公众展示国家大科学装置及其升级计划在探索世界科技前沿方面的重要性和引领性。西安交通大学赵永涛教授和中国科学院近代物理研究所张子民研究员及程锐副研究员为论文共同第一作者,中国科学院院士詹文龙为论文通讯作者。

中国科研团队在高能量密度科学基础研究领域取得重要进展

图1.(a)重离子加速器大科学装置GSI, FAIR及HIAF关键参数对比;(b)国家“十二五”大科学装置HIAF鸟瞰图;(c) 不同装置或设备可探索的高能量密度物态区域

研究团队依托星光装置,利用高功率ps激光结合质谱法得到能量为3.36MeV的准单能强流质子束,利用ns激光结合空腔泡沫靶得到温度为17eV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109V/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。强流离子束在稠密物质中的能损和输运是惯性约束聚变快点火和中心点火以及离子束驱动高能量密度物理研究中最为关键的核心科学问题之一,本工作发现和揭示了一种极端强流条件下可能起主导作用的欧姆能损新机制,从而促使人们重新认识和思考惯性约束聚变的相关物理设计。该工作发表在Nature Communications上,由10所高校和科研机构共同合作完成,得到国防基础科研核科学挑战专题项目、国家重点研发计划以及国家自然科学基金委的支持,西安交通大学为本工作第一完成单位。西安交通大学任洁茹副教授及激光聚变研究中心邓志刚副研究员为本论文共同第一作者,西安交通大学赵永涛教授、激光聚变研究中心周维民研究员及浙江大学吴栋副教授为本论文共同通讯作者。

中国科研团队在高能量密度科学基础研究领域取得重要进展

图2.(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(Bethe-Bloch, Li-Petrasso, SSM)高一个量级

大科学装置为探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革提供极限研究手段,是科学突破的重要保障。赵永涛教授自2015年入职西安交通大学以来,一直围绕基于重离子加速器和强激光大科学装置的高能量密度科学前沿和关键技术问题开展基础研究,先后主持承担了国家自然科学基金大科学装置联合重点项目、国防基础科研科学挑战计划高能量密度科学领域课题任务,国家重点研发计划大科学装置前沿研究重点专项、国家自然科学基金国际交流与合作专项项目以及NSAF联合基金项目等重要项目和课题,组建了一支院校大力协同、交叉创新、具有国际化视野和国际竞争力的创新团队,并在离子束驱动高能量密度物质的产生和发展规律、离子束与等离子体相互作用中的电荷交换与动力学过程以及极端强流条件下离子束输运的非线性效应等若干前沿方向形成了特色和优势。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

赵永涛教授课题组隶属于西安交通大学物理学院激光与粒子束科学技术研究所,该研究所成立于2015年,研究方向主要包括:1、基于离子束及等离子体物理实验平台,开展离子束在等离子体中的输运过程、离子束与物质相互作用微观机理及相关科技应用;2、基于反应谱仪和超快飞秒激光技术,研究原子分子中以及团簇体系中多粒子关联的动力学过程、强场物理及超快时间分辨的分子反应成像; 3、基于低能电子吸附解离实验平台,研究分子解离、碎裂的动力学机制;4、基于强激光场的QED效应及其应用。研究所现有教职工12人,包括教授(博导)5人,副教授4人,工程师1人,博士后5人,其中3人入选“西安交大青年拔尖人才”支持计划,3人入选国家级人才计划。研究所积极推进多学科交叉创新,与国内外著名院校和科研机构保持密切合作联系。2017年至今,研究所成员已在 Nature Communications, Nature Physics, Physical Review Letters和Agnew. Chem. Int. Ed 等顶尖期刊论文发表论文10余篇。研究所十分注重人才培养,强化实践,寓教于研,为培养既有老交大传统、又具新时代特征的“基础厚、重实践、能力强、素质高”的创新型一流人才奠定了坚实基石。

文章链接:中国科学, 50, 112004(2020):

https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSPMA/50/11/10.1360/SSPMA-2020-0275

Nature Communications, 11,5157 (2020):

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18986-5

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