高能量密度（HED）：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

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高能量密度等离子体相关问题研究周沧涛北京应用物理与计算数学研究所(IAPCM)北京大学应用物理与技术中心(CAPT)浙江大学聚变理论与模拟中心(IFTS)
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高能量密度物理(HEDP)•高能量密度（HED）通常指能量密度大于100KJ/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•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)；等•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）。
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与HEDP相关的基础科学热点问题
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高能量密度等离子体(HEDP)•strong Coulomb interaction•dominant radiation effects•strongly relativistic or stronglyquantum-mechanical behavior•……
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主要合作研究人员贺贤土院士Prof.Dr.Dr. M.Y.Yu(郁明阳)
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内容提要• 惯性约束聚变(ICF)与高能激光器简介• 快点火物理方案简介• 研究高密度等离子体物理相关的模拟方案• 强激光辐照CH靶产生与加速高能离子(质子)研究• 高能电子束(MeV)在双层靶中的传输与加热研究• 超相对论粒子束(GeV)尾场加速研究
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第一部分● 惯性约束聚变(ICF)与高能激光器简介
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聚变研究：主要科学问题基础科学国家安全能源战策
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核聚变反应及条件Lawson判据:
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惯性约束聚变•从驱动器来说，ICF可分为激光驱动、Z－pinches和重离子驱动。•我国近三十年来已开展对激光驱动ICF物理理论、数值模拟及相关实验进行了深入的研究。•目的：实现DT聚变反应，得到高能量增益，即点火(Lawson判据)。
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点火方案
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间接驱动ICF
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强激光10-21zeptoz10-24yoctoy1021zettaZ1024yottaYPower (watts)Pulse width (seconds)
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1.高功率激光器(飞秒装置)强场物理台面尺寸的超短(飞秒)超强激光(1J)中科院20TW350TW50fs中物院100TW
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飞秒激光(相对论强场物理研究)
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飞秒激光应用例子Hole drilling in steelNanosurgery –operation inside single cells• pulse must be short• focal spot must be small-avoid heating neighboring material
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2.高功率激光器(纳秒装置)国家　激光器(正运行)激光器(正建造)美国 OMEGA:30kJ,~3ns,20束 NIF:>2MJ,~10ns,192束欧洲　英国:2kJ,~10ns,6束法国:1.8MJ,~10ns,240束中国 SG-II:3kJ,1ns,8束SG-III:200kJ,3ns,60束日本 GEKKO:10kJ,~2ns,10束纳秒激光用于ICF高密度压缩
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最大激光器(美国国家点火装置)192 路, 2 MJ, 1/3 µm, 1-100 ns,(E/V ~ 1013 - 1016 erg/cm3),2009年完成10m
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中国重大点火专项即将启动2010年建成60束SG-III激光器（3ns,200kJ）正运行的8束SG-II激光器(1ns,3kJ)2.6米靶室
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纳秒激光(天体流体湍流等)Standard (spherical shock) modelDensity1012cmt = 1300 secLaser-driven experimental modelt = 50 ns1 mmTi-CH-CRF foam 3-layer hemisphere target[A. R. Miles (2004)]一
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中心点火最大挑战问题：对称性问题1000gcm-3流体不稳定性靶丸不均匀性SpikeBubbleFlow directionLANL实验结果
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3.高功率激光器(皮秒、拍瓦)泊瓦激光用于HEDP特别是快点火物理研究英国(VULCAN) 0.5kJ日本(GEKKO) 0.5kJ正运行正建造美国(OMEGA-EP,LLE) 2.6kJ(2束)日本(FIREX-II,ILE) 2.5kJ(4束)德国(PHELIX,GSI) 0.65kJ(1束)法国(LULI,PARIS) 0.50kJ(1束)已计划美国(NIF-ARC,LLNL) 2.5kJ法国(LIL,CEA) 3.6kJ中国(SGIIU+PW, 2009年)1.5kJ
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OMEGA-EP – LLE(USA)2008年底开始快点火物理研究以及快点火总体实验60束,20kJOMEGA
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FIREX-I – ILE(日本)Firex 1 will produce temperature closeto ignition in sub ignition ρr ≈ 0.4 gcm-210kJ,10ps5kJ GekkoXIIJapan50kJ, 10 ps,1ω50kJ, 3ns, 3ω
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NIF-ARC – LLNL(USA)NIF 5 quad: 65kJ, 20ps, 1ω•NIF could havee.g. 20 beamsadapted to CPA operation
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HiPER – RAL(UK)High Power Laser Energy Research合作国家
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第二部分●快点火物理方案简介
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快点火方案快点火的主要特点是将压缩过程与点火过程分开，1)它是首先通过传统点火方案将DT燃料压缩到高面密度ρ=300gcm-3，2)然后用超快(~20ps)方式将超强（ --------------------------------------------------------------------------------
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二种快点火方案(烧洞与锥靶)烧洞锥靶
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强流粒子(电子或质子)点火方案电子束点火质子束点火
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快点火物理过程➢中心点火模型要求主燃料层的内爆压缩接近等熵过程，达到低温和高密度，同时在芯部形成一个高温和密度相对低的点火热斑(等压模型)。➢快点火不要求中心产生点火热斑，只要求燃料达到高密度，点火热斑由另外方式产生(等容模型)。
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快点火物理方案优点● 降低点火密度要求(等质量)：● 降低对称性(内爆速度)要求(等靶丸半径)：● 降低点火能量要求(等熵)：● 高能量增益：锥形快点火方式可以增加1000倍的中子产额(R.Kodama, Nature 2001)7=fihiρρ3/278=fihiEE72==fihifihiRRCC
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例如：130倍增益对应驱动器能量中心点火：6MJ！快点火：0.2MJ！
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实现快点火条件
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快点火方案挑战问题与风险RbeamRcore1.1x1021cm-31026cm-3如果激光能量耦合到芯区的转换效率太低，所需短脉冲激光能量可能大于150kJ，快点火方案将不再具有优势！● 国际上仍无总体实验数据，但一些关键物理问题需要尽快回答：—拍瓦激光转换为高能粒子束流的效率?—粒子束流的品质(电流、发散角等)?—粒子束流加热压缩靶丸的效率? …
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快点火锥靶方式物理方案首先通过传统方式将DT燃料压缩到高密度(~300gcm-3)然后用超快(20ps)超强(~100kJ)的激光辐照黄金锥，产生高能(~2MeV)电子束流(~GA)三个基本物理过程这些强流电子束通过高密度区输运到压缩DT靶丸很小(~20微米)的区域, 并沉积能量
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锥靶内爆压缩过程压缩后锥变形??锥靶最优化设计问题 -(LASNEX/LYDRA程序)
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锥靶内爆压缩程序(LASNEX&HYDRA)
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三温能量方程(Lagrangean)()()()()()()()()eeveeeeeiieerreiiviiiiieieirrvrrrrererTVCPVK TT TT TtVtTVCP qVK TT TtVtTVCPVK TT TtVtεωωεωεω⎧∂∂∂⎛⎞++− ∇⋅∇=−−−⎜⎟⎪∂∂∂⎝⎠⎪⎪∂∂∂++ +− ∇⋅∇=−⎨∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎛⎞++− ∇⋅∇=−⎜⎟⎪∂∂∂⎝⎠⎩带锥快点火内爆靶模型二维非匹配多区网格上对不滑移的退化情况进行模拟,得到了与匹配单区网格完全一致的计算结果
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快点火整体模拟发展过程(LLNL)
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快点火整体模拟发展过程(日本FI3)
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模拟程序(国内外现状总结)国家(FI) 压缩粒子束产生输运美国(LLNL) LASNEX/HYDRA Z3,OSIRIS LSP 欧洲(HiPER) MULTI VORPAL Hybrid(?)日本(FI3) PINOCO FISCO FIBMET(FK)中国(正计划) LARED LARED-P HFPIC提供数值模拟FI三个基本物理过程
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快点火总体实验(国外现状)01年GEKKO-1/4尺度(ρ~50gcm-3)耦合效率实验：ηlaser->core~20%1.5kJ,1ns,2ω60/350J1ps, 1ω03&05年OMEGA内爆流体力学实验：金锥/壳交界面混合现象不是严重问题，但激波击穿锥顶现象要考虑08年快电子产生与耦合效率实验(900J1ns + 70J10ps):ηlaser->core~7-22%25kJ3ω
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快点火诊断技术Cu或Al层的X-射线谱可展示辐射层的温度、密度特征Ka诊断测量靶丸内爆状态E、B场、靶丸压力PeRygg, Science 319, 1223 (2008)
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预计点火聚变能量产额计划开始FI实验：OMEGA-EP: 2009年，NIF Quad: 2009年末
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不同尺寸快点火靶研究•FIREX-II(日本): 50kJ(点火) + 50kJ (压缩) => ρr=1.2 g cm-2•HiPER(欧州): 70kJ (点火) + 200kJ (压缩) => ρr=1.9 g cm-2•NIF(美国): 65kJ (压缩) + 500kJ (压缩) => ρr~2.5 g cm-2•中国 ( ？)全尺寸ρR≈3g/cm2 ρR≈1.9g/cm2 ρR≈0.7g/cm2
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第三部分●研究高密度等离子体物理相关的模拟方案
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相对论激光-固体靶相互作用激光-固体靶相互作用是一个十分复杂且不太清楚的物理过程，它决定激光-粒子束能量转化过程、粒子束空间分布，是快点火方案中一个重要课题加速机制：真空加热,共振吸收,JxB…预脉冲过程、离化、无碰吸收、Weibel不稳和成丝、GG磁场和鞘电场形成、回电流与焦耳加热、粒子散射、质子产生与加速、等模拟大尺度固体密度等离子体问题，3DPIC仍有困难！
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模拟激光-固体靶相互作用过程显式PIC程序：Z3,OSIRIS,VORPAL,LARED-PcmcmneVTcmeeDe83 102~][][743][−−×≈λ]/1[101323cmne×=
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电子能量与转换效率PIC模拟表明：I~1020W/cm2，吸收效率可达40%~50%
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激光与高能电子束流定标关系能流关系I=6.8*1019W/cm2 ,λ=1µm, f=0.1转换效率⇒33%转换温度⇒3 MeV束流密度⇒5.4*1022 cm-3束流强度⇒2.7*1013 A/cm2,⇒I=340 MA束流压力⇒7*104 Mbar定标关系对拍瓦激光是否成立？ηlaser⇨ele?
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高密度等离子体中的长距离输运
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电子束不稳定性与输运• 电磁成丝与束成丝条件:nb/n0>(vth/vb)2~ 10-2• 真空中Alfven电流极限17.1βγ kA• 背景冷电子回流导致热电子束电流趋于中和Jtot=enbvb–eneve=0 nb/ne=ve/vb --------------------------------------------------------------------------------
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多物理、多尺度、多时标混合模拟问题模拟高密度等离子体物理面临解决多物理、多尺度、多时标混合模拟问题—● 多物理：电磁波、相对论粒子、离化、等离子体状态、电导、碰撞、回流、成丝等● 多尺度：几百微米(输运)、千分之一微米量级(束流产生 — 趋肤深度、德拜波长)● 多时标：电子与离子产生与输运时间(快电子、慢电子、离子时标、飞秒与皮秒物理过程)
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数值模拟问题与困难1. 假设DT核的密度，则电子数密度为:2. 以及：3. 需要解决的关键问题：大尺度(几十、几百微米)高密度等离子模拟手段(空间尺度与时间尺度)。3/300cmg=ρ2132523101.1),1,5.2(]/1[102.71002.6×≈==×≈×=creenZAcmAZnρcmccmcmneVTcmnspeeeDeepe8933110~,107.2~][][743][,104.1][−−−−=×≈×≈ωδλω• 固体密度靶 ne>100ncr• 压缩燃料nDT>10000ncr
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强流电子束在高密度等离子体中的输运问题物理与数值核心问题●高密度等离子体输运物理问题–电磁场阻滞及回流–粒子之间的碰撞–物态性质(状态方程)–高温高密度等离子体电导性●超高密度、大尺度模拟问题-超高密度(~300g/cm3)-大尺度(~100微米、皮秒) 德拜波长 ~ 10-4 微米等离子体电子振荡频率1016Hz>(106)3cells
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物理过程和物理过程和数值模拟模拟处理● 电磁场阻滞及回流问题保留电磁相对论PIC技木所处理的所有物理过程● 之间处理粒子的小角度碰撞与大角度散射过程● 等离子的电导性问题
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第四部分●强激光辐照CH靶产生与加速高能离子(质子)
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高能质子束的应用前景质子治疗仪靶物理诊断一同位素分离
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激光驱动产生高能质子束•避免高能电子束传输的复杂行为•靶面形状聚焦•射程末端沉积能量（Bragg峰)▪效率：ηlaser->proton>10% ?
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激光驱动MeV质子束实验(2000年)Clark, PRL 84, 670(2000)(Rutherford, - VULCAN)I=3*1018W/cm2(50J,1ps,10µmEmax~1.2MeV,1012proton(>2MeV), 125µmAl靶Maksimchuk, PRL 84,4108(2000) (Michigan)I=5*1019W/cm2 (2ω,4J~10TW,400fs), Emax~1.2MeV,109proton, 0.1~25µmAl靶Snavely, PRL 85,2945(2000)(LLNL)I=3*1020W/cm2 (1PW,500fs,9µm),Emax~65MeV,1013proton(>10MeV)125µmAu靶 (η=12% ~48 J质子)前表面加速质子后表面加速质子通过125µm靶Mylar位于靶前
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关于质子产生与加速问题研究● 激光(I~1020Wcm-2、r0~5µm、τ~100fs-500fs )驱动CH靶问题—— CH材料(如C8H8,C+H2+) 等)包含更多的H+—— 实验上容易得到不同密度的CH靶—— 但CH靶特性对激光参数比较敏感]/1[101323cmne×=
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研究一:激光斜(正)入射辐照CH靶θο: 0, 601)斜入射比正入射可以得到更高的质子能量，2)且高能Bragg峰质子加速方向可以偏离靶的法线方向(Zhou, He,APLJan,2007)
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激光斜(正)入射辐照CH靶θο: 0,50, 60,70
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研究二:质子束与CH靶密度关系(fs)ρ=0.2ρ=1ρ=3T=75fsZhou,Yu, He,JAP 20071.质子加速与靶密度关系2.C离子加热与靶密度关系
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研究三:质子束与CH靶密度关系(sub-ps)•低密度靶加速质子能量更高•高密度靶鞘场加速质子具有较小的辐射角•激波加速的质子在低密度靶得到更快的加速速度•正入射情况,激光转换为高能粒子对高密度靶有更低的转换效率ρ=3ρ=1/3T=500fsZhou, He,Opt.Lett.2007
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第五部分●高能电子束(MeV)在双层靶中的传输与加热
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电子束流准直问题Lancaster et al, PRL, 98, 125002Green et al, PRL, 100, 015003I = 5 x 1020 W/cm276o54o32o29o35oKalpha/probe A – I = 1.5 x 1019 W/cm2Kalpha B – I = 4 x 1019 W/cm2•激光驱动产生的高能电子束在靶中传输的发散行为是一种自然的非线性集体行为•物理应用均涉及解决高能电子束在固体密度等离子体及压缩靶中的发散问题
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快点火研究的重要问题● 激光转换为热斑的点火效率ηig？● 目的：实现快点火所需激光能量Elaserig=Eig/ηigηig= ηlaser⇨beamηbeam⇨DT?发散角?
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困难与解决方案锥靶不能解决电子束发散问题XUV - 256 eV1 mmCu Kα - 8 keV锥-丝靶可控制束流方向及提高效率真空双层锥靶?
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研究一: MeV电子束在双层包络线靶中的输运双层柱靶中REB散射和加热 Zhou,He,Yu, APL92, 071502 (2008)✓ 研究了MeV电子束在铜和CH双层包络线靶中的输运与加热问题，模拟发现如果当外层为铜、内层为CH材料时，电子束发散情况比较严重，相反当外层为CH、内层为铜时，交界处磁场可以束缚很大一部分电子✓ 而交界处加热很明显，我们首次指出它是由回流电子在界面处存在一个速度梯度引起的
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研究二: MeV电子束在Au-DT靶中的输运Au丝在DT等离子体中的输运和加热,Zhou,He,Yu, APL92, 071502 (2008)✓研究了发现电阻率Au 与DT 等离子体交界面处的不连续性会引起界面电磁场的产生，并导致部分电子在界面附近停止传播；✓而电子束在Au 丝等离子体中产生的电磁场比在DT 等离子体更强，所形成的微湍流场会进一步阻止电子束的传输，从而影响高能电子束流沉积其能量到热核燃料区,但丝同样可起到束缚电子束的作用
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研究三:双层靶中的电子束流Cu-Al双层柱靶中REB电子束控制,Zhou and He,(2008) in preparation✓采用电导率不同的双层靶可起到束缚电子作用,这是因为快电子束入射到靶区，产生回流，在交界面处由于电导率和密度梯度而产生很强的磁场(~30MG)，可以对电子束流发散起到控制作用✓与均匀靶相比较,电子束电流在双层靶损失明显减弱(~30%)
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激光辐照双层靶进一步研究AlSn (~10 umwide)AlTotal signal is ~ twicethe reference700 nmZepf-Kar ExperimentKar, et al., PRL 102, 055001 (2009)Wu, Liu, C.T.Zhou,Zhu, POP (4) (2009)
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第六部分●超相对论粒子束(GeV)尾场加速
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激光驱动尾场加速
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粒子束尾场加速器
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粒子束(28.5GeV)驱动尾场加速
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电子和正电子束驱动尾场加速
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电子束驱动尾场加速
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28.5GeV电子束驱动尾场加速
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发表论文1.C.T.Zhou (周沧涛), X.T.He(贺贤土), and M.Y.Yu(郁明阳), A comparisonbetween ultrarelativistic electron and positron bunches propagating in plasmas,PHYSICS OF PLASMAS 13, 092109 (2006).2.C.T.Zhou, M.Y.Yu, X.T.He, et al, Interaction of short-pulse ultrarelativisticelectron bunch with plasmas, EUROPHYSICS LETTERS 79, 35001(2007).3.C.T.Zhou, M.Y.Yu and X.T.He, Electron acceleration by high current-densityrelativistic electron bunch in plasmas, LASER AND PARTICLE BEAMS 25,313 (2007).4.C.T.Zhou, M.Y.Yu and X.T.He, Density effect on proton acceleration fromcarbon-containing high-density thin foils irradiated by high-intensity laserpulses, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 101, 103302 (2007).5.C.T.Zhou and X.T.He , Intense laser-driven energetic proton beams from soliddensity targets, OPTICS LETTERS, 32, 2444 (2007).
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发表论文6.C.T.Zhou and X.T.He, Influence of a large oblique incident angle on energeticprotons accelerated from solid density plasmas by ultraintense laser pulses,APPLIED PHYSICAL LETTERS 90, 031503 (2007).7.C.T.Zhou, X.T.He and M.Y.Yu, Intense-laser generated relativistic electrontransport in coaxial two-layer targets, APPLIED PHYSICS LETTERS 92,071502 (2008).8.C.T.Zhou, X.T.He and M.Y.Yu, Laser-produced energetic electron transportin overdense plasmas by a wire guiding, APPLIED PHYSICS LETTERS 92,151502 (2008).9.C. T. Zhou and X. T. He, Intense laser-driven relativistic electron beams in atwo-layer target, PHYSICS OF PLASMAS 15, 123105 (2008).10. C. T. Zhou,X. T. He, et al., Reducing current loss of laser-driven fast electronbeams propagating in solid-density plasmas, JOURNAL OF APPLIEDPHYSICS 105, 083311 (2009).
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谢　谢[e-mail]