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瞬间高密度能量沉积引起的物态演化规律研究
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  • 公布年份:
    2016
  • 中图分类:
    O572.24
  • 关键词:
  • 成果简介:
    载能离子束作为高密度能量的载体并可精确操纵,与物质相互作用时能够产生通常的物理和化学方法所不能实现的一些极端条件。如加速器驱动的强流短脉冲高能离子束在物质中的瞬间高密度能量沉积,可在物质内局域产生超高温、超高压、强激发等极端条件,是近年来快速发展的离子束与物质相互作用研究新领域。但是,由于实验条件的限制,许多问题如物质中瞬间聚集的高密度能量的弛豫和耗散过程形式如热传导、热和粒子辐射、应力波产生和质量迁移,材料的相变和组织结构形成及其机理,高能离子束与高密度等离子体相互作用机制等问题有待深入研究解决。再者,传统实验方法不能满足粒子瞬间高能量沉积与物质相互作用研究的实验要求,需要发展可以通过测量由入射粒子激励产生的瞬时信号,以研究粒子与物质相互作用原初过程的实验技术和方法。研究目的与意义:研离子束瞬间高密度能量沉积引起的物质结构和性质变化规律,离子声学以及其它瞬间辐射现象和过程,揭示其微观过程机理;探索强流脉冲离子束在物质中的输运过程;建立高能离子激励产生的瞬时信号的探测技术和实验方法;为高能重离子束惯性约束聚变等国家重大需求,奠定必要的实验基础,提供必要的理论依据和实验证据。主要论点和论据:从实验上实现了阿秒-亚阿秒瞬间原子碰撞过程信息探测,并对反应产物可做"完全"测量,有力地推进了原子分子体系多体动力学研究。特别是用移动的"狭缝"(氢气分子离子H<,2>+)与He原子碰撞,通过记录氦原子碎片的动量分布,研究对应碎片的杨氏双缝干涉现象,首次实现了爱心斯坦提出的双狭缝"理想实验",实验结果支持Bohr对于爱因斯坦理想双峰实验的解释。在离子束与物质相互作用输运过程研究中,首次通过实验建立了材料表面损伤过程中电子能损与势能沉积两种机制的协同作用效应,统一了对两种不同能去和作用机制的物理认识。建成真空和水介质中离子声学探测系统,利用GPU超算系统仿真计算,理论计算与实验验证结合开展离子束能量-冲击波转化过程探索;在ANSYS程序基础中,自编STDIPIB程序,结合重离子辐照效应实验验证较系统地研究了强脉冲离子束激励热过程等。创见与创新:利用反应显微成像谱仪,采用逆运动学原理,用移动的"狭缝"(氢气分子离子H<,2>+)与He原子碰撞,通过记录氦原子碎片的动量分布,研究对应碎片的杨氏双缝干涉现象,首次在原子分子碰撞激发过程中观测到物质波的杨氏双缝干涉,实现了爱因斯坦提出的双狭缝"理想实验"。实验结果支持Bohr对于爱因斯坦理想双缝实验的解释;首次实验建立了材料表面损伤过程中快重离子和高电荷态离子两种情况、电子能损与势能沉积两种作用机制之间的联系(协同作用),统一了对两种不同能区和作用机制的物理认识。在该项目的支持下,使中国在离子与物质相互作用研究领域,特别是离子与原子分子碰撞动力学、"快"过程测量与反应机制、辐照效应机理等研究进入了国际研究先进行列,已形成了世界一流水平的研究团队,得到了国际同行的认可和重视。社会经济效益,存在的问题:该课题改造建设的高温-应力载能辐照装置,为后期在不同温度下开展各种材料的在线蠕变和辐照协同实验提供了可能性,是研究高温辐照蠕变效应的有力平台;该课题还发明了一种用高能重离子辐照提高、调制半金属性薄膜材料的磁滞电阻的方法,为半金属性薄膜的磁滞电阻的调制提供了一种新方法;利用课题中建成的CSRe反应显微成像谱仪技术可实验研究在不同过程和不同碰撞时间尺度上关联性的表现,有助于课题组建立清晰的碰撞物理图像;该课题利用CSR提供的百纳秒级脉冲宽度的高能重离子开展了多种样品的透射成像研究,将来争取把这项先进技术发展起来,并应用到中国武器库存、极端物态及材料与生物科学研究中去;课题搭建完成了离子束与等离子体实验终端建设,首次将离子束的速度系统的扩展到了中低速度区域,这项技术可能在大型重离子加速器方面有重要应用前景。课题组开展了离子束驱动高能量密度物质相关的若干前沿问题研究,提出了强流重离子加速器(HIAF)研究设计方案,它的立项,以及该项技术的成功实现,将有助于中国在高能量密度物理研究和相关关键技术方面率先取得突破,并最终实现惯性约束聚变领域的创新跨越。
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