低Z元素物质的压致电离模型研究及其应用

The property of dense plasma is a subject of intense research, due to its outstanding applications in, e.g., inertial confinement fusion research and in astrophysics. The analytical calculation of plasma properties such as transport coefficients is based on the plasma composition determined from the ionization equilibrium model. However, the construction of the ionization equilibrium model in the pressure ionization regime has been a challenge for long, since it involves the complex interplay of long-range Coulomb interactions and quantum many-body effects. In recent years, the new generation of free electron laser source has greatly promoted the diagnostic accuracy of ionization potential depression in dense plasma, which makes pressure ionization a very popular research subject. The.present models of partial ionization plasma, referred to as the PIP models, exhibit great uncertainties and discrepancies due to the ambiguity in the physics foundation. This project is aimed to establish an accurate model for pressure ionization by improving the PIP model, laying the foundation for accurate calculations of the equation of state and transport coefficients, and meanwhile research into the fundamental physics in connection with "plasma phase transition".

天体演化和惯性约束聚变的等离子体物理数值模拟需要大量的物性参数。在部分电离区，平衡离子组分是计算物性参数的基础。为了尽可能准确地得到平衡离子组分，必须建立精密的电离模型。然而，压致电离由于涉及到长程库仑力、多体效应和量子效应的复杂纠缠，因而一直是电离模型研究的难点所在。近年来，新一代自由电子激光实验提高了电离能的诊断精度，为压致电离的理论研究带来了机遇与挑战，压致电离成为基础研究的前沿问题和热点问题。目前广泛应用的PIP模型为研究低Z元素物质在压致电离区的状态方程和输运系数等提供了自洽的系统的理论框架，但由于对物理基础的认识不足，PIP模型的具体形式和计算结果呈现出很大的分散性，且其预言的“等离子相变”一直是备受争议的问题。本项目拟从研究和改进PIP模型着手，期望建立精密的压致电离模型，为精确计算状态方程和输运系数奠定基础，并结合“等离子相变”对相关的基础物理问题展开探索。

天体演化、惯性约束聚变或其它国防科技工程物理过程的数值模拟研究需要输入氢、氘、氦等多种材料的物性参数，比如物态方程、输运系数等，而且物性参数的质量直接影响到数值模拟的可靠性，因而物性参数的精密化研究成为一个重要的基础科学课题。随着计算机技术的进步，密度泛函理论、量子分子动力学、量子蒙卡和原子模型等计算物理方法极大地推动了物性参数的精密理论研究。以氢、氦的工程应用型宽区物态方程为例，1995年SCvH物态方程是由半解析的化学模型和Thomas-Fermi模型拼接集成；随着计算物理方法的发展，2014年H-REOS.3和He-REOS.3物态方程数据库在较宽的温度密度区间采用了密度泛函分子动力学和路径积分蒙卡的计算结果，与化学模型等半解析模型拼接集成。尽管REOS.3数据库的数据点已经很密集，但还是不能满足工程应用对于解析性的需求。由于用计算物理方法产生足够密集的数据点需要消耗巨大的计算资源，因而本项目拟对半解析的化学模型进行精密化研究，促进化学模型适用于更宽的温度密度区域，并且发挥计算物理方法作为物态方程数据评估的重要依据。..通过采用模拟退火算法优化平衡态求解方案并对自由能函数进行精密化等一系列精进措施，半解析地获取了氢及同位素的宽区物态方程；与H-REOS.3数据库相比，在保持准确性的前提下极大地扩展了半解析模型的应用区域，促成了满足工程应用需求的氢、氘的宽区物态方程的形成。化学模型的精密化研究还深化了对于压致电离、等离子相变等基础前沿问题的认识。通过精进化学模型计算氦的物态方程，系统地研究了压致电离导致的热力学不稳定性，揭示了等离子相变现象的实质，并且类比分析了第一性原理计算方法对于等离子相变现象的认识。..研制工程应用型宽区输运系数也主要采用解析/半解析模型。本项目基于化学模型和Thomas-Fermi模型研究了压致电离效应，获取了包含压致电离效应的平衡态离子组分；基于玻耳兹曼碰撞理论和弛豫时间近似研究确立了适合工程应用的等离子体输运系数的解析计算方案；基于平衡态离子组分和解析计算方案获取了铝、铜等离子体的电导率参数库，并得到工程应用检验。