了解核聚變有了新工具

    溫稠密物質（warm dense matter）是在宇宙星體、地幔內部、實驗室核聚變內爆過程中廣泛存在的一類物質。因此，在實驗室生成溫稠密物質，研究它們的特性對模擬慣性約束核聚變、超新星爆炸和某些行星內部結構、地幔的物質演化和成礦機理等具有重要指導意義。

    溫稠密物質范圍很寬，可以定義為熱能小于或稍超過費米能狀態的物質，是通常凝聚態物質和高溫完全電離等離子體之間的一類物質，其電子處于部分電離、部分束縛的狀態，成分包括自由和束縛電子、離子、原子、分子以及它們組成的束團，一般處于高壓狀態。通常這類物質具有高的能量密度特征。

    極端X射線探測極端物質

    內布拉斯加-林肯大學物理與天文學教授唐納德·烏姆斯塔德說，要在實驗室造出稠密等離子體，一般方法是迅速加熱一個固體密度物質，如一薄層金屬箔。如果加熱速度足夠快，就能達到使密度保持相對恒定，接近于通常固體密度值。超短脈沖激光是能將固體快速加熱到稠密等離子體的首選。

    最近，一個由牛津大學奧蘭多·希瑞克斯塔和英、美、德、澳等國科學家組成的國際研究小組利用目前世界最強的X射線激光源——斯坦福大學的直線加速相干光源（LCLS）將鋁箔在約80飛秒（1飛秒=10-15秒）內加熱到70到180eV（約80到200萬開氏度）。由于這么短時間內加熱，壓力達到幾千萬大氣壓，鋁箔來不及膨脹，還幾乎保持著原來固體密度，生成了溫稠密等離子體，研究小組對其內部的電離情況進行了直接檢測，并將相關結果以論文形式發表在《物理評論快報》上。

    在以往實驗中，所用激光只有近紅外到紫外波長的激光，新實驗用了完全不同的激光：X射線自由電子激光（XFEL）。相干X射線能量很高，達到千電子伏特以上，能將鋁核K殼層電子直接擊出原子，而紅外光基本上只能激發外殼層電子。X射線還能更深地穿透材料，均勻照射整個目標，將其加熱到100eV（百萬開氏度以上），生成固體密度等離子體。

    正如研究小組領導、牛津大學的賈斯廷·瓦克所說：“X射線激光非常關鍵，我們無法在別的地方進行這種實驗。”LCLS為實驗提供了特需條件：用于檢測極端現象的嚴格受控的環境，相干X射線能量極高而且能精確調整，精確檢測特殊固體密度等離子體屬性的方法。

    希瑞克斯塔等人檢測了鋁箔系統內高電荷離子的K殼層電離電子的熒光，反推內部壓力電離下有效電離勢連續降低的變化，發現實驗結果和廣泛使用的Stewart-Pyatt模型（1965年提出，簡稱SP模型）所預測的結果不符，卻和更早的Ecker-Krll模型（1963年提出，簡稱EK模型）吻合的較好。研究人員指出，從研究核聚變能源到理解恒星內部的運行機制，這一結果將對許多領域產生重要影響。

    兩種模型的含義

    推翻沿用半個世紀的模型意味著什么？理論的改換將會對哪些研究產生影響？為此科技日報記者還專門采訪了中國科學院院士、北京大學應用物理與技術研究中心主任賀賢土。

    賀賢土解釋說，溫稠密物質中存在復雜的電離效應，精確了解不同粒子的電離程度，可以很好了解強耦合下溫稠密物質內各種粒子和束團的狀態和成分，這對研究溫稠密物質特性，如局部熱動力學下狀態方程和輸運系數十分重要。

    目前還沒有一種滿意的理論能很好描述溫稠密物質性質。雖有好幾種壓力電離模型，但很難判斷它們準確性，如何實驗診斷難度很大。目前國際上很多數值模擬程序中都采用SP模型，它是用離子間距作為考慮有效屏蔽的平均離子模型的參量；而EK模型是用離子和自由電子密度之和表示粒子間距，作為考慮有效屏蔽的平均離子模型的參量。

    希瑞克斯塔等人用兩種模型預言溫稠密物質的有效電離勢發生連續下降的特性，表明了EK模型給出更大的下降，這對精確研究溫稠密物質狀態方程、電導系數和熱導率、離子輻射等性質都有重要意義。

    實驗的重要性還在于他們篩選出了更好的模型。實驗數據與EK模型吻合的更好，表明在計算等離子體密度時不能忽略電子的影響，考慮電子數量的模擬效果更好。但EK模型仍有不符合實驗的地方，還需要更多實驗和細節上的修正。這也體現了等離子體內部電離的復雜性。

    賀賢土說，我國目前還沒有像可調諧的千電子伏特以上能量相干的X射線自由電子激光器，上述實驗由于條件的限制還無法開展。我們主要利用我國神光Ⅱ和神光Ⅲ原型激光器從整體上進行溫稠密物質的狀態方程等研究；理論上研究溫稠密物質主要從量子統計出發研究它們的電離度、等離子體相變（PPT）、化學勢、自能等物理量，并在密度泛函和Green函數等框架下理論研究它們的粒子數密度，進而獲得了狀態方程和輸運系數，精確了解通常要從第一性原理出發進行數值模擬研究。

    溫稠密物質研究有廣泛應用

    熱核聚變能源是人類理想的清潔能源。目前，實現可控核聚變主要有兩種技術途徑。一種是用托卡馬克裝置開展“磁約束聚變”的研究，另一種是激光驅動的慣性約束聚變（ICF）。ICF研究除了應用于聚變能源之外，還可用于國防和高能量密度物理基礎科學研究。ICF靶丸在內爆過程中受壓縮的燃料就是溫稠密物質，因此，更好的模型對于指導我國的實驗也是重要的參考。同時ICF研究使用的高功率、大能量納秒脈沖激光器，以及能產生相對論等離子體的超短、超強皮秒和飛秒激光器，可以提供高能量密度物理研究的重要實驗條件。它們不僅對ICF研究，而且對建立地球上天體物理模擬實驗室、推動超高能精致臺式加速器研究、地幔特性和成礦機理研究、超高能核物理研究等都具有十分重要意義。

    賀賢土還指出，高能量密度物理是目前國際上快速發展的新興學科。在我國，北京大學應用物理與計算研究中心在這一領域中重點開展了以下五個方面的研究：一是高能量密度狀態下物質的特性，尤其是溫稠密物質的研究；二是強場作用下原子的電離；三是強場下帶電粒子加速研究；四是可壓縮流體湍流與流體力學不穩定性研究；五是相關數學模型研究和計算機程序開發，目前已獲得了大量有國際影響的成果。今年10月北京大學應用物理與計算研究中心還將主持召開高能量密度物理國際會議，國際上很多這一領域的著名科學家將來華參加這一盛會，進行學術交流和討論合作研究。(常麗君)