2012-04-18 CAPT2011工作总结 - åŒ—äº¬å¤§å­¦åº”ç”¨ç‰©ç†ä¸ŽæŠ€æœ¯ç ”ç©¶ä¸­å¿ƒ

CAPT2011 年 工 作 总 结
北 大 应 用 物 理 与 技 术 研 究 中 心 (CAPT)
教 育 部 HEDPS 重 点 实 验 室
2012 年 4 月

一 、 概 况
目 录
二 - 五 、2011 年 研 究 进 展
六 、2012 年 研 究 计 划
七 、 结 束 语

一 、 概 况
1、 中 心 人 员 组 成 : 引 进 固 定 人 员 2 人 , 兼 职 人 员 39 人 ( 九 所
16 名 , 北 大 27), 分 可 压 缩 流 体 行 为 、 高 能 量 密 度 物 质 特 性 、
强 场 物 理 与 粒 子 加 速 、 计 算 科 学 四 个 学 术 组 。
2、 中 心 建 立 了 培 源 学 者 博 士 后 、 主 任 基 金 博 士 后 、 普 通 博 士
后 制 度 联 合 培 养 博 士 生 和 博 士 后 , 取 得 了 很 大 成 效 , 不 少
成 果 都 是 通 过 联 合 研 究 取 得 的 。 现 有 博 士 后 10 名 , 博 士 生
13 名 。
3、2011 年 发 表 论 文 约 80 篇 , 其 中 IF>3 的 杂 志 占 约 1/3, 包 括
JACS,PRL,J.Phys.Chem.C, PRB 等 杂 志 。 目 前 仍 有 不 少 重
要 成 果 正 在 评 审 之 中 。

一 、 概 况
5、 学 术 交 流 和 国 际 影 响 : 充 分 利 用 北 大 的 学 术 环 境 , 推 动 国
际 合 作 交 流 与 创 新
- 外 籍 千 人 Dr. Heiglich 引 进 ; 青 年 千 人 引 进
- 多 次 邀 请 国 内 外 专 家 学 术 报 告
- 每 年 组 织 或 联 合 组 织 国 际 会 议 1-2 次 。 今 年 10 月 18 日 -21 日
北 京 高 能 量 密 度 物 理 国 际 会 议
- 扩 大 了 国 际 影 响 ,CAPT 网 站 近 期 点 击 率 平 均 120-130 次 / 天 。
6、 中 心 大 力 提 倡 “ 学 术 民 主 、 积 极 交 流 、 畅 所 欲 言 、 思 想 创
新 ” 的 治 学 思 维 , 形 成 学 术 争 论 的 气 氛 , 鼓 励 成 员 学 术 创 新 。
7、 中 心 建 成 了 高 能 量 密 度 物 理 数 值 模 拟 教 育 部 重 点 实 验 室 (B
类 ), 以 及 工 程 应 用 基 础 技 术 基 地 ( 北 京 大 学 )、 教 育 部
IFSA 中 心 北 京 大 学 分 中 心 。

一 、 概 况
2011 年 研 究 包 括 下 列 四 个 方 面
1. 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
(1) 高 雷 诺 数 和 高 马 赫 数 的 流 体 湍 流
(2) 流 体 力 学 不 稳 定 性 和 相 对 论 射 流 (Jet)
(3) 激 光 聚 变 、 天 体 等 过 程 中 的 多 相 流 界 面 混 合
2. 高 能 量 密 度 物 质 特 性
(1)HED 条 件 下 凝 聚 态 物 理 和 材 料 科 学
(2) 材 料 辐 照 损 伤 机 理
(3) 纳 米 物 质 特 性
3. 强 场 物 理 与 粒 子 加 速
(1) 强 场 下 原 子 物 理
(2) 超 强 激 光 与 物 质 作 用 中 带 电 粒 子 加 速
4. 计 算 科 学
(1) 高 精 度 、 高 分 辨 率 、 多 尺 度 计 算 方 法
(2) 数 值 模 拟 技 术
(3) 软 件 研 制 和 开 发

二 、 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
1、 高 雷 诺 数 和 高 马 赫 数 的 流 体 湍 流
• 可 压 缩 湍 流 场 作 Helmholtz 分 解 , 剪 切 和 胀 压 两 部 分
剪 切 部 分 主 要 集 中 于 旋 涡 上 。 胀 压 部 分 主 要 集 中 在 激 波 上 。
剪 切 和 胀 压 部 分 的 相 互 作 用 也 即 激 波 - 旋 涡 相 互 作 用 。
• 可 压 缩 流 体 湍 流 研 究 表 明 : 当 马 赫 数 M7-8( 湍 流 马 赫 数 M t 1)
时 , 发 生 机 制 主 要 来 自 冲 击 波 波 阵 面 附 近 的 胀 量 ( 速 度 的 散 度
=u u 大 小 ) 而 不 是 传 统 的 涡 量 ( 速 度 的 旋 度 =u 大 小 )。
方 程 (2) 中 (u) 项 表 明 涡 量 与 胀 量 耦 合 ( u 相 当 于 随 机 力 ),
导 致 进 入 冲 击 波 破 碎 成 一 系 列 小 的 涡 量 , 产 生 了 高 马 赫 数 可 压 缩 流 体 湍
流 。 这 对 理 解 内 爆 过 程 能 量 传 输 、 流 体 力 学 不 稳 定 性 和 界 面 多 相 流 的 发 展
和 混 合 有 重 要 意 义 。
(, ) ) 乘 ( +uu=- -1 t u p),
令 =u 和 =u
t - 0 =-[u+Ts+] (1)
t +H- 0 =-[u+Ts+](2)
H=h+u 2 /2,= -1 V

二 、 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
• 激 波 对 湍 流 场 的 影 响
‣ 计 算 区 域 : 初 始 空 气 0.24m× 0.24m× 0.24m 的 方 格 子 , 每 边 分 1024。
周 期 性 边 条 件 。 数 值 方 法 : 紧 致 差 分 格 式 和 WENO 格 式 相 结 合 的 混 合 格 式 。
流 场 参 数 : 泰 勒 雷 诺 数 250 左 右 ( 雷 诺 数 50000); 湍 流 马 赫 数 1 时
激 波 面 破 坏 。
‣ 流 体 穿 过 激 波 后 : 涡 结 构 受 到 强 压 缩 和 破 碎 , 而 且 有 平 行 于 激 波 面 的
趋 势 。 涡 线 会 平 躺 在 激 波 面 上 。
变 形 速 度 也 有 很 大 的 改 变 。 局 部 流 体 团 的 拉 伸 、 压 缩 作 用 与 激 波 面 法 向 紧
密 相 关 。 左 图 : 蓝 色 为 涡 量 等 值 面 , 黄 色 为 速 度 散 度 等 值 面 ( 激 波 面 )。
中 图 ( 速 度 散 度 等 值 面 ): 红 色 为 拟 涡 能 (
2
/ 2 ) 产 生 率 正 的 区 域 , 蓝
色 为 拟 涡 能 产 生 率 负 的 区 域 。

二 、 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
上 页 右 图 ( 涡 管 ): 蓝 色 为 弱 压 缩 区 域 , 红 色 或 黄 色 为 强 压 缩 区 域 。
激 波 厚 度 约 为 几 干 个 K(0.00023m) 长 度 。
‣ 涡 管 结 构 显 示 采 用 了 Q 等 值 面 (Q 判 据 : 流 体 微 元 旋 转 强 度 大 于 局
部 变 形 强 度 )。 激 波 面 显 示 采 用 了 ( 流 体 微 元 受 到 很 强 的 压
缩 ) 。 左 图 主 要 显 示 了 激 波 前 的 湍 流 场 ; 右 图 主 要 显 示 了
激 波 后 的 湍 流 场 。( 图 上 显 示 的 是 256× 256 × 256 网 格 数 的 子 区
域 )。
湍 流 场 经 过 激 波 , 受 到 很 强 的 压 缩 , 流 体 的 密 度 会 增 加 , 速 度 脉 动
强 度 也 急 剧 增 加 。 小 尺 度 上 的 涡 结 构 变 得 更 强 。
流 体 穿 过 激 波 后 , 涡 结 构 受 到 强 压 缩 , 而 且 有 平 行 于 激 波 面 的 趋 势 。
J. Wang, Y. Shi , L.-P. Wang, Z. Xiao, X. He and S. Chen,, Physics of Fluids 23, 125103(2011).

二 、 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
‣ 流 体 穿 过 激 波 后 受 到 强 压 缩 , 密 度 、 压 力 和 熵 等 热 力 学 量 急 剧 升 高
压 力
熵
对 于 较 弱 的 激 波 , 激 波 厚 度 与 激 波 马 赫 数 的 关 系 :
一 般 情 况 下 ,
其 中 , , , 分 别 是 流 体 的 运 动 学 粘 性 系 数 、 声 速 以 及 分 子 自 由 程 。
下 标 1 表 示 激 波 前 的 流 场 参 数
流 场 中 的 Kolmogorov 尺 度 (K 尺 度 ) 为 :
1 =0.00023m。 其 中 , 动 能 耗 散 率 为 :
Kolmogorov 尺 度 与 激 波 厚 度 的 关 系 :
, 其 中 , 和 分 别 是 激 波 前 流 场 的 马 赫 数 和 含 能 尺 度 。
, ,
在 数 值 模 拟 中 , 激 波 厚 度 约 为 三 到 四 个 Kolmogorov 尺 度

二 、 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
• 可 压 缩 湍 流 场 的 多 过 程 、 多 尺 度 统 计 性 质
可 压 缩 湍 流 流 场 剪 切 部 分 的 标 度 行 为 和 不 可 压 缩 湍 流 类 似 , 对 速 度 小 的 空
间 分 离 r 概 率 密 度 P(r) 有 指 数 尾 部 , 并 达 到 高 斯 分 布 。 胀 压 部 分 的 标 度 行
为 和 Burgers 湍 流 类 似 ,P(r) 分 布 有 大 的 倾 斜 度 , 比 高 斯 分 布 有 长 的 尾 巴
, 速 度 散 度 的 概 率 分 布 在 压 缩 区 域 具 有 -2.5 的 幂 律 , 与 Burgers 湍 流 中 的 速
度 梯 度 概 率 密 度 P(r) 类 似 (-3 3.5 的 幂 律 )。
J. Wang, Y. Shi , L.-P. Wang, Z. Xiao, X. He and S. Chen,
“Scaling and statistics in three-dimensional compressible turbulence”, submitted to PRL.

二 、 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
2. 非 惯 性 系 烧 蚀 流 体 力 学 不 稳 定 性
• 烧 蚀 RT 不 稳 定 性 线 性 增 长 率
• 发 生 在 激 光 聚 变 和 超 新 星
1987A) 爆 炸 等 问 题 中 的 烧 蚀
界 面 的 流 体 力 学 不 稳 定 性
• 二 维 流 体 力 学 方 程 RT 不 稳 定 性 模 拟 :
‣ 弱 预 热 条 件 下 烧 蚀 RT 非 线 性 发 展 产
生 断 裂
Akg /(1 kL)
kv a
NOVA 实 验 结 果
Ye, He, Zhang, Yu,Europhys.Lett.96, 35002(2011)
= ,

二 、 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
• 强 预 热 条 件 下 烧 蚀 RT 发 展
‣ 初 始 单 模 ( 周 期 性 多 模 ) 扰 动 的 非 线 性 发 展
主 模 和 多 个
谐 波 发 展
早 期 的 Spike
和 气 泡
后 期 发 展 成
长 射 流
ICF 内 爆 界 面 初
始 多 模 的 发 展
‣ 强 热 流 烧 蚀 掉 Spike 头 部 蘑 菇 结 构 ‣ 热 传 导 抑 制 了 KH 不 稳 定 性
= ,

三 、 高 能 量 密 度 下 温 稠 密 聚 变 物 质 特 性
1. 激 光 聚 变 内 爆 过 程 氘 氚 和 产 物 及 靶 壳 介 质 (CH,Al 等 ) 近 等 熵 压
缩 密 度 300g/cm 3 以 上 , 部 分 和 全 部 费 米 简 倂 态 。
• 温 稠 密 氦 的 费 米 简 倂 性 质 (QMD 和 OFMD 计 算 )。 王 、 贺 、 张 ,PRL106, 145002(2011)
局 部 热 动 平 衡 (LTE) 的 金 属 电 子 气 系 统 内 存 在 稳 定 的 弱 电 场 和 温 度 梯 度 , 但 都
不 大 , 可 用 线 性 响 应 研 究 热 导 和 电 导 系 数 。 根 据 Kubo-Greenwood 公 式 计 算 动 理
学 (Kinetic) 系 数
由 此 计 算 电 导 和
热 导 系 数 , 分 别 为
• 两 个 无 量 纲 量 十 分 重 要 。 离 子 - 离 子 耦 合 常 数 ii =Z *2 /K B Ta, a 是 离 子 球 半
径 ; 热 温 度 与 费 米 温 度 之 比 =T/T F 。 计 算 结 果 见 表 : ii
随 T 增 加 而 减 少 , 当
约 T=300eV 时 接 近 1, 但 随 密 度 增 加 而 缓 慢 增 加 , 表 示 从 强 耦 合 高 简 并 态 到 中
等 耦 合 部 分 简 并 态 , 成 为 典 型 的 WDM。
电 导 和 热 导 系 数 表
无 量 纲 量 ii 和 随 温 度 、 密 度 变 化 。
电 导 系 数 ( 上 图 ) 和 热 导 系 数 ( 下 图 ) 随 温
度 变 化 图 。 四 种 密 度 400-800g/cm3。 红 圆 为
温 稠 氢 材 料 , 作 为 比 较 用 。

三 、 高 能 量 密 度 下 聚 变 物 质 特 性
• Wiedemann-Franz 定 律 : Lorentz 数 L 在 低 温 下 是 常 数 , 这 里
L=K/T= 0 k B2 /e 2 , K 金 属 热 传 导 系 数 , 电 导 系 数 。
• 在 费 米 - 狄 拉 克 统 计 或 低 温 、 高 密 度 简 倂 下 , 0 = 2 /3 和 L 1 =2.44x10 -8 ( 见 下 左 图 中
破 折 号 线 )。 在 高 温 无 简 倂 情 况 下 , 玻 尔 兹 曼 统 计 给 出 18x10 -8
0 =1.5966 和 L 2 =1.18x10 ( 见 下 左 图 中 虚 线 )。
• QMD 数 值 计 算 表 明 : 在 小 于 =T/T F ~0.35 时 ,L 随 变 化 围 绕 2.44x10 -8 线 上 下 跳
动 , 说 明 这 一 区 域 存 在 全 简 倂 态 ; ~0.35 后 L 突 然 增 加 接 近 3x10 -8 , 然 后 ~2 2 时 下
降 到 L=1.18x10 -8 , 系 统 已 无 简 倂 , 完 全 麦 克 斯 韦 分 布 。 下 右 图 为 QMD 和 OFMD 程 序 计 算
压 力 - 温 度 曲 线 比 较 。 ~0.35≤

二 、 高 能 量 密 度 下 温 稠 密 聚 变 物 质 特 性
WDM 氦 , 密 度 =400g/cm 3 以 上 ( F 870eV),=kT/ F

三 、 高 能 量 密 度 物 质 特 性
2. 物 质 辐 照 损 伤 机 制 研 究
• SiC/SiO 2 材 料 是 核 能 装 置 中 典 型 的 结 构
和 功 能 材 料 , 其 抗 辐 照 性 能 研 究 对 装 置 的
安 全 和 使 用 寿 命 是 非 常 重 要 的 。 我 们 从 实
验 和 理 论 多 个 角 度 对 其 辐 照 损 伤 物 理 机 制
进 行 了 研 究 。 主 要 内 容 包 括 :
‣ 辐 照 对 石 英 玻 璃 光 学 性 能 的 影 响 ;
‣ 离 子 电 子 能 损 对 石 英 结 构 的 损 伤 过 程 的 计
算 机 模 拟 ;
‣ 荷 能 离 子 在 硅 基 材 料 中 的 射 程 和 分 布 研 究 ;
‣ SiC 辐 照 损 伤 物 理 机 制 的 计 算 机 模 拟 ;
‣ SiC 纳 米 线 的 离 子 搀 杂 方 法 研 究 。
不 同 能 量 AU 离 子 辐 照 下 石 英 玻 璃
的 吸 收 光 谱 ( 剂 量 10 13 ion/cm 2 )
T. Yang et al. J. of Non-Crystalline Solids 357 (2011) 3245–3250
Lixin i Sun, jm Xue, J. Physics. D, in press, 2012.3
Zhao Shijun, Jm Xue, Nucl. Instr. Mehoths. B. 2012.4
Lan Chuner Jm Xue, Nucl. Instr. Mehoths. B. 2012.4
不 同 能 量 离 子 辐 照 下 SiC 的 非 晶 化 程 度
( 是 Short-range order (SRO) )

三 、 高 能 量 密 度 物 质 辐 照 损 伤 机 理
• ZrO 2 在 极 端 环 境 下 的 性 质 研 究
YSZ 是 放 射 性 废 物 固 化 材 料 , 其 抗 辐 照
性 能 决 定 了 高 放 核 废 料 存 储 的 稳 定 性 :
‣ 实 验 研 究 了 YSZ 中 氦 泡 生 长 的 过 程 和 规
律 , 并 对 其 中 的 物 理 机 制 进 行 了 讨 论 。
‣ 利 用 QMD 方 法 计 算 了 核 废 料 地 质 包 埋 中
高 压 对 材 料 中 各 种 缺 陷 浓 度 的 影 响 。
这 些 结 果 为 我 国 核 废 料 处 理 提 供 了 参 考 依
据 。
He 离 子 辐 照 后 YSZ 样 品 内 部 氦 泡 (TEM)
不 同 压 力 下 ZrO 2 中 各 种 缺 陷 浓 度 的 变 化
样 品 内 部 氦 泡 大 小 的 统 计 结 果
T. Yang.YG Wang, J.Nuclear Mater. 420 (2012) 430–436; S. ZhaoJ. JM Xue Appl. Phys. 111, 043514 (2012)

三 、 纳 米 材 料 氢 的 高 吸 附 和 高 居 里 温 度 的 长 程 铁 磁 性
• 发 现 常 温 常 压 下 酞 菁 分 子 (Pc) 与 Sc
构 成 的 二 维 体 系 储 氢 能 力 远 远 超 过 现
有 的 材 料 。 由 于 Sc 原 子 存 在 未 填 满 的 d 壳
层 , 加 上 它 的 原 子 半 径 大 , 它 和 氢 分 子 之
间 存 在 很 强 的 电 子 转 移 和 反 转 移 , 使 得
能 有 效 地 吸 附 氢 分 子 。 结 合 第 一 性 原 理 计
算 和 蒙 特 卡 洛 模 拟 , 我 们 发 现 在 常 温 常
压 下 储 氢 的 重 量 百 分 比 为 4.6%, 远 远 超 过
现 有 的 材 料 。 此 研 究 被 “ 物 理 新 闻 ” 网
站 报 道 。
Kun Lv, Jian Zhou, Le Zhou, Qian Wang, Qiang Sun,Puru
Jena, Applied Physics Letters, 99,163104 (2011).
• 发 现 酞 菁 分 子 (Pc) 与 Mn 构 成 的 二 维 体 系 , 由 于
存 在 有 效 的 p-d 交 换 相 互 作 用 , 使 得 体 系 具 有
长 程 铁 磁 性 , 其 居 里 温 度 约 为 150 K 左 右 ,
可 与 目 前 实 验 上 合 成 的 具 有 最 高 居 里 温 度 的
(Ga, Mn)As 稀 磁 半 导 体 相 媲 美 。
Jian Zhou and Qiang Sun, J. Am. Chem. Soc. 133, 15113 (2011)

四 、 强 场 原 子 电 离
● 发 展 了 半 经 典 再 散 射 模 型
抛 物 坐 标 :
r z;
r
z
基 本 思 想 与 纯 经 典 模 型 类 似 ,
但 考 虑 了 隧 穿 效 应
模 型 适 用 范 围 : 原 子 、 长 波 极
限 、 隧 穿 区
隧 穿 电 子 牛 顿 方 程
隧 穿 电 子 初 始 分 布 由 如 下 等 效 1D 势 能 得 到
位 置
激 光 电
场
动 量
核 库 仑
势
电 子
- 电 子 库 仑
势
束 缚 电 子
He + 电 离 能
微 正 则 分 布

四 、 强 场 原 子 电 离
1. 揭 露 了 圆 极 化 非 序 列 双 电 离 之 谜
场 强 和 电 离 能 关 系
Mg 对 应 于 0.01PW
He 对 应 于 0.8pW
在 圆 极 化 激 光 场 中 , 由 于 电 子 的 横 向 漂 移 速 度 会 使 其 远 离
原 子 核 , 因 此 大 家 普 遍 认 为 : 非 序 列 双 电 离 在 圆 极 化 光 中
会 受 到 抑 制 。 在 用 氦 和 氙 做 的 试 验 中 , 情 况 确 实 如 此 。 但
是 在 用 诸 如 镁 、 一 氧 化 氮 、 氧 气 的 实 验 中 , 在 这 些 实 验 中
发 现 了 较 为 明 显 的 非 序 列 双 电 离 现 象 。

四 、 强 场 原 子 电 离
给 出 发 生 非 序 列 双 电 离 的 临 界 速 度 , 它 依 赖 电 离 能 、 场 强
和 激 光 频 率 。 选 定 典 型 的 激 光 强 度 , 因 为 它 是 非 序 列 电 离
最 强 的 场 强 , 就 可 以 得 到 双 电 离 相 图 。
我 们 半 经 典 理 论 计 算 得 出 的 2 价 离
子 、1 价 离 子 产 率 比 值 和 场 强 的 关
系 。 对 碱 土 金 属 来 说 , 很 显 然 ,
有 很 强 大 非 序 列 双 电 离 。 而 在 稀
有 气 体 原 子 ,“ 膝 盖 ” 结 构 并 不
存 在 。 我 们 理 论 计 算 完 全 重 复 了
镁 的 实 验 。
实 线 和 虚 线 分 别 是 用 半 经 典 和 纯 经 典 模 型 计 算 出 的 非 序
列 电 离 分 界 线 。 红 色 原 子 标 志 有 双 电 离 , 绿 色 表 示 没 有 。
纯 经 典 模 型 的 分 界 线 是 依 赖 于 软 化 库 仑 势 这 一 拟 合 参 数 !
而 我 们 的 理 论 不 需 要 任 何 拟 合 参 数 。

四 、 强 场 粒 子 加 速
1. 超 强 激 光 在 等 离 子 体 棱 镜 中 整 形
改 善 超 对 一 比 、 度 高 和 能 增 量 加 密 强 度 是 (HED) 近 年 超 短 物 超 强 质 激 研 光 究 研 的 究 一 个 重 要 课
(
2 技 术 条 件
题 。 激 光 传 播 等 离 子 体 中 折 射 指 标 =(1- 二 、 强 场 下 的 原 子 物 理
p2 / 2 ) 1/2 ,
=(1+a 2 )
三 1/2 , a
、 2 =I
强 2 /1.37x10 18 。I 增 加 导 致 增 加 , 产 生 激 光
自 聚 焦 , 强 度
超 增 加
激
。
光 这 像
与 一
物 个
质 等 作 离 用 子 下 体 棱 带 镜
电
。 粒 在 子
棱
加 镜
速
中 群 速 度
v g =c/(1+ p2 /c 2 k 2 ) 1/2 , I 增 加 导 致 v g 增 加 , 激 光 脉 冲
峰 部 群 速 度 大 于 底 部 预 脉 冲 群 速 度 , 这 样 在 激 光 传 播 等 离 子 体
中 前 沿 变 陡 。V g v p = c 2 。
结 论 : 激 光 通 过 等 离 子 体 棱 镜 可 以 实 现 强 度 增 加 一 个 多 量 级 ;
初 始 Gaussian 脉 冲 可 以 自 调 制 成 陡 阵 面 , 改 善 预 脉 冲 。
3D PIC 模 拟 :a 0 =16.5(I 0 =7.46x10 20 w/cm 2 ), 从 z=0 入 射 ,
a=a exp{-[(y-y 2 +(x-x 2 2 -(t-t )2 2 2 2 0 y 0 ) x 0 ) ]/r 0 t 0 / +z /z 0 }, 这 里
t 0 =50T,=25T,r 0 =6。 临 界 密 度 等 离 子 体
DLC 纳 米 薄 膜
等 离 子 体 密 度 n 0 =2.4 n c
在 3z60 靶 厚 之 间 。

四 、 强 场 粒 子 加 速
‣ 轴 上
z=0 初
一 、 高 能 量 密 度 (HED) 物 质 研 究 的 技 术 条 件
始 时 间
二 、 强 场 下 的 原 子 物 理 包 络 。
三 、 超 强 激 光 与 物 质 作 用 下 带 电 粒 子 加 速
(e)
‣Z=24.1 m 处 轴 上 包 络 前 沿
变 陡 , 吸 收 预 脉 冲 , 对 比 度 提
高 。
‣T=72T 时 激 光 横 脉 冲 自 聚 焦 :(a)x=10m 处
(z,y) 面 上 Ey 比 初 始 增 加 5 倍 , 即 激 光 强 度 I 增 加 25
倍 ;(b)z=24.1 m 处 (x,y) 面 上 Ey;(c)
z=24.1 m,x=10m 处 Ey, 黑 线 为 激 光 初 始 横 向
轮 廓 ;(d) 角 向 磁 场 ;(e) 高 斯 脉 冲 整 形 为 准
阶 跃 脉 冲 。
H. Y. Wang et al., PRL107,265002 (2011)

四 、 强 场 粒 子 加 速
1. TeV 准 单 能 质 子 束 加 速
超 强 CP 激 光 入 射 薄 靶 ,
l
厚 度 D 满 足
s
, 这 里 和 l 分 别
为 趋 肤 深 度 和 激 光 波 长 。D 靶 与 一
低 密 度 泡 沫 相 接 。
激 光 有 质 动 力 先 把 电 子 推 到 靶 背 ,
靶 内 质 子 在 空 间 电 荷 作 用 下 向 靶
被 加 速 , 在 质 子 未 达 到 靶 背 形 成
电 子 - 质 子 近 中 性 双 层 结 构 前 , 电
子 已 跑 出 靶 背 在 低 密 度 泡 沫 中 产
生 雪 耙 (Snowplou) 效 应 , 形 成
激 光 推 动 前 进 的 高 密 度 电 子 层 ,
后 面 形 成 一 个 强 尾 场 , 不 断 加 速
出 靶 后 的 质 子 , 如 果 激 光 强 度 达
到 10
22 w/cm 2 以 上 , 质 子 能 量 可 高
达 约 TeV。
F. L. Zheng et al., Phys. Plasmas19, 023111(2012)

四 、 强 场 粒 子 加 速
对 于 电 荷 q 大 于 e 的 离 子 , 像 公
dP
p
dP
z
式 所 表 示 的 , 在 激 光 强 度 相 同
E
e
edt
qdt
的 条 件 下 , 离 子 的 极 大 能 量 应
为 质 子 能 量 的 q 倍 。PIC 模 拟 结 P
p
p
m
p
c , P
z
z
m
z
c
z
,
果 见 下 图 。
z
v
c
z
F. L. Zheng et al., EPL
95, 55005 (2011)

四 、 强 场 粒 子 加 速
2. 相 对 论 电 子 在 不 同 等 离 子 体 光 纤 中 的 输 运 与 加 热
比 较 了 MeV 电 子 束 在 实 心 及 空 心 等 离 子 体 光 纤 中 的 传 播 及 加 热 行
为 。 发 现 电 子 可 从 圆 盘 直 接 向 光 纤 中 传 播 并 加 热 光 纤 ; 而 当 等
离 子 体 光 纤 为 空 心 时 , 在 接 口 处 形 成 强 的 等 离 子 体 - 真 空 鞘 场 ,
这 阻 止 了 大 部 分 电 子 束 向 真 空 传 播 , 一 旦 进 入 到 空 心 等 离 子 体
壁 , 它 们 在 壁 - 真 空 鞘 场 及 磁 场 的 相 互 作 用 下 做 ` 混 沌 ’ 振 荡 、
并 加 热 光 纤 壁 。 由 于 进 入 到 空 心 等 离 子 体 光 纤 中 的 电 子 数 比 进
入 到 实 心 等 离 子 体 光 纤 的 的 电 子 数 少 , 因 此 前 者 的 加 热 温 度 要
比 后 者 低 。Zhou,He, Opt. Lett, (2011)

四 、 强 场 粒 子 加 速
3. 高 能 电 子 在 不 同 Z 材 料 中 的 输 运
比 较 模 拟 了 高 能 电 子 束 在 Au,Cu,Al 和 C 固 体 密 度 等 离 子 体 中 的 输 运
行 为 , 发 现 :(1) 在 四 种 材 料 中 , 由 于 束 - 等 离 子 体 边 界 磁 场 的 束 缚
作 用 , 电 子 束 可 准 直 传 输 10μm 左 右 ;(2) 对 于 更 厚 的 靶 , 电 子 束 在
Al 和 C 等 离 子 体 中 的 准 直 传 输 比 Au 和 Cu 中 好 , 这 是 由 于 电 子 在 后 两
种 等 离 子 体 材 料 中 的 高 碰 撞 率 影 响 了 束 流 成 丝 及 减 弱 了 自 生 电 磁 场 ;
(3) 对 于 厚 靶 , 电 子 束 穿 过 靶 背 表 面 形 成 背 表 面 鞘 场 , 由 于 电 子 束
在 C 等 离 子 体 中 有 更 好 的 准 直 行 为 , 达 到 背 表 面 束 流 更 强 , 导 致 更
高 的 空 间 电 荷 场 , 这 可 将 靶 背 表 面 的 质 子 加 速 到 更 高 的 能 量 。
Zhou,Cai, Zhang, He, Laser and Part. Beams, (2011)

五 、 科 学 计 算 方 法 、 软 件 和 数 值 模 拟
1、 相 对 论 流 体 (RHD) 方 程 组 求 解
利 用 广 义 Riemann 不 变 量 和 兰 金 雨 贡 纽 条 件 解 析 地 分 辨 广 义 Riemann 问 题
(GRP) 进 而 给 出 直 接 Euler 型 的 狭 义 RHD 方 程 组 的 GRP 格 式 。
Z.C. Yang, and H.Z. Tang, J. Comput. Phys., 231 (2012), pp.2116-2139
2139
Z.C. Yang, P. He, and H.Z. Tang, J. Comput. Phys., 230(22), 2011,7964-7987
射 流 : 流 体 射 入 静 止 环 境 时 , 它 与 周 围 静 止 流 体 之 间 存 在 速 度 不 等 的 间 断
面 , 间 断 面 一 般 受 到 扰 动 , 失 稳 而 产 生 涡 旋 , 卷 吸 周 围 流 体 进 入 射 流 , 同
时 不 断 移 动 、 变 形 、 分 裂 产 生 紊 动 , 其 影 响 逐 渐 向 内 外 两 侧 发 展 形 成 自 由
紊 动 的 混 合 层 。…… 活 动 星 系 核 周 围 的 相 对 论 性 等 离 子 体 束 与 中 心 的 超
大 质 量 黑 洞 自 转 轴 方 向 一 致 , 从 而 沿 射 流 方 向 射 出 产 生 相 对 论 性 jet 流
t=100
192 × 576 cells
美 国 每 日 科 学 网 站 2011 年 5
月 20 日 报 道 : 射 电 望 远 镜 捕
捉 到 迄 今 为 止 最 清 晰 的 黑 洞
喷 射 图 像
Initial data:

五 、 科 学 计 算 方 法 、 软 件 和 数 值 模 拟
高 分 辨 自 适 应 移 动 网 格 方 法 推 广 应 用 于 狭 义 相 对 论 ( 磁 ) 流 体 力
学 问 题 的 计 算
P. He and H.Z. Tang, Commun. Comput. Phys., 11(2012), 114-146. 146.
P. He and H.Z. Tang, Computers & Fluids ,60(2012),1-20.
激 波 管 问 题
150 自 适 应 网 格 400 均 匀 网 格
这 是 一 个 极 端 RHD 问 题 , 高 压 比 (5 个 数 量 级 ), 稀 疏 波 很 强 且 弯 曲 严
重 , 激 波 和 接 触 间 断 靠 得 很 近 且 几 乎 以 相 同 的 速 度 前 进 。 比 较 右 图 ,
左 图 中 自 适 应 网 格 方 法 用 150 个 单 元 就 可 以 较 好 地 分 辨 激 波 和 接 触
间 断 。

五 、 科 学 计 算 方 法 、 软 件 和 数 值 模 拟
2、 基 于 欧 拉 框 架 的 多 介 质 流 体 数 值 模 拟
在 欧 拉 框 架 下 , 显 式 跟 踪 锐 利 的 介 质 界 面 , 在 介 质 界 面 上 使 用 多
介 质 Riemann 解 子 计 算 通 量 , 自 然 地 处 理 介 质 的 大 变 形 、 切 向 滑 移
问 题 。
• 二 维 情 况 下 两 介 质 黎 曼 问 题 ( 动 画 )
1 界 面 数 值 稳 定 性 测 试
2 界 面 传 播 波 速 正 确 性 测 试
• 核 爆 和 化 爆 的 数 值 模 拟 ( 核 爆 动 画 )
1 大 变 形 的 跟 踪
2 超 大 计 算 区 域
3 与 实 验 数 据 、 理 论 结 果 的 比 对
1000 吨 TNT 当 量 核 爆 的 压 力 化 爆 的 超 压 峰 值 和 正 压 冲 量

五 、 科 学 计 算 方 法 、 软 件 和 数 值 模 拟
3、 复 杂 地 形 下 的 溃 坝 数 值 模 拟
在 复 杂 的 实 际 地 形 上 , 使 用 具 有 Manning 形 式 的 摩 擦 源 项 , 对 具 有
自 由 界 面 的 浅 水 波 方 程 进 行 数 值 模 拟 , 达 到 全 局 二 阶 数 值 精 度 ,
包 括 :
90
• Malpasset 溃 坝 数 值 模 拟 ( 动 画 )
1 1959 年 , 法 国 南 部
2 与 实 测 数 据 比 对
h max
(m)
70
50
Numerical
Lab Measurement
By Hervouet
By Wang
• 三 峡 溃 坝 数 值 模 拟 ( 动 画 )
1 计 算 区 域 超 过 100 公 里
2 大 规 模 分 布 式 并 行
30
10
1 3 5 7 9
Measuring points
1400
Numerical
Lab Measurement
By Wang
1050
t a
(s)
700
350
Malpasset 溃 坝 前 后 坝 体 (1959)
0
1 3 5 7 9
Measuring points
Malpasset 溃 坝 : 水 面 高 度 和 水 头 到 达 时 间

五 、 科 学 计 算 方 法 、 软 件 和 数 值 模 拟
4、 一 维 Fokker-Planck 程 序 的 完 善 和 考 核
改 进 了 相 对 论 碰 撞 项 系 数 的 计 算 : 改 进 了 限 流 函 数 :
采 用 Gauss-Kronrod 型 数 值 积 分
自 适 应 划 分 积 分 区 域
保 证 了 分 布 函 数 非 负 性 的 计 算
考 核 算 例 : 动 能 为 1.0MeV 的 单 能 电 子 的 自 碰 撞
粒 子 数 和 能 量 守 恒 性 保 持 的 很 好 , 分 布 函 数 趋 近 相 对 论 平 衡 分 布
分 布 函 数 的 随 时 间 演 化
系 统 的 粒 子 数 、 平 均 能 量

五 、 科 学 计 算 方 法 、 软 件 和 数 值 模 拟
一 维 程 序 的 计 算 电 子 束 能 量 沉 积
背 景 等 离 子 体 :DT(1:1),300g/cm 3 ,1keV
单 能 电 子 束 的 阻 止
本 领 、 射 程 , 与 相 关
文 献 结 果 符 合 得 较 好 。
1MeV 单 能 电 子 的 阻 止 本 领
1-3MeV 的 射 程
不 同 能 谱 分 布 电 子 的 平 均 能 量 、 射 程 随 时 间 变 化
具 有 能 谱 分 布 的 电
子 束 , 比 单 能 的 能 量
沉 积 过 程 更 为 缓 慢 ,
两 者 的 射 程 情 况 差
别 不 是 很 大 。
S. Z. Wu, C. T. Zhou, S. P. Zhu, H. Zhang, and X. T. He, Phys. Plasmas 18. 022703 (2011).
横 向 偏 转 效 应 ? 需
要 高 维 的 计 算 和 分 析 。

五 、 科 学 计 算 方 法 、 软 件 和 数 值 模 拟
二 维 FP 程 序 发 展 ( 初 步 )
时 间 分 裂 :
* (
)
*
* *
f
i, j 1 Fi
1/2, jFi1/2,
j ( Af
1
) Si 1/2, j
Si 1/2, j
A1, i1, j
f
i1, j
f
i,
j
, S
2
i1/2,
j
t pi
q
p
q
2
f 1 F
F
i, j i, j1/2 i, j1/2
3
t pi
流 通 量 的 设 计 :
A ( f f ) f f
F S S A
2
p
F
* * * *
1, i1, j i1, j i, j i1, j i,
j
i1/2, j
i1/2, j
i1/2, j
2, i1,
j
1
B
1
i, j1/2 3 3, j1/2 j1/2
pi
F i , j
1/2
F
F
i 1/2, j
i 1/2, j
f i ,
j
Fi, j 1/2
f
f
* *
i, j1 i,
j
S S f
f
A S
A
p
p q p
*
* *
f
i
1/2, j i 1/2, j i
1, j i ,
j
2
,
i1/2, j 2, i1,
j
对 流 占 优
* ( ri
) * *
f
i, j
( f
i1, j
f
i,
j )
2
构 造 限 流 函 数 消 除 数 值 震 荡 , 保 持 解 非 负
非 负 解 的 条 件 : 0 2(1/ c1),0
r 2
f f ( S
S
S S
)
* n1 n p n1/2 n1/2 n1/2 n1/2
i, j i 2 i1/2, j i1/2, j i1/2, j i1/2,
j
pi
f f ( F
F
)
3
n
1 *, n
1
i, j i, j i, j1/2 i, j1/2
pi
二 维 三 对 角 方 程 并 行 Wang 等 划 分 算 法
k1/2 k1/2 k1/2
‣ 半 隐 式 格 式
‣ 粒 子 数 守 恒

六 、2012 年 导 引 性 研 究 计 划 初 步
1. 可 压 缩 高 马 赫 数 流 体 行 为
(1) 进 一 步 深 入 研 究 Mt1 流 体 湍 流 与 激 波 作 用 的 基
本 性 质 , 包 括 激 波 层 厚 度 、 湍 流 压 缩 区 的 能 量 和 物
质 流 的 传 输 和 时 空 分 布 、 粒 子 加 速 、 统 计 特 性 等 ;
(2) 进 一 步 研 究 烧 蚀 流 体 力 学 不 稳 定 性 的 发 展 , 包 括
Spike- 气 泡 区 的 湍 流 onset、 湍 流 转 捩 点 和 转 捩 时
间 以 及 RT 过 程 的 湍 流 进 化 等
(3) 激 光 聚 变 、 天 体 等 过 程 中 的 多 相 流 界 面 混 合
2. 高 能 量 密 度 物 质 特 性
(1) 优 先 探 索 部 分 简 并 态 (0.2=T/T F 2) 区 温 稠
密 物 质 的 热 力 学 特 性 , 研 究 化 学 势 的 计 算 。
(2) 进 一 步 研 究 典 型 材 料 的 辐 照 损 伤 机 理 ;
(3) 优 先 探 索 纳 米 复 合 材 料 抗 辐 照 强 度 。

六 、2012 年 导 引 性 研 究 计 划 初 步
3. 强 场 物 理 与 粒 子 加 速
(1) 探 索 相 对 论 下 强 激 光 场 、 强 自 生 电 磁 场 场 下 原 子
电 离 特 性 ; 研 究 高 密 度 部 分 简 并 态 下 压 致 电 离 和 它
对 热 力 学 量 的 影 响 。
(2) 进 一 步 研 究 10-x100MeV 100M 高 密 度 质 子 数 的 稳 定 加
速 机 制 , 并 探 索 用 于 成 像 等 应 用 研 究 。 进 一 步 探 索
TeV 离 子 稳 定 加 速 机 理 。 研 究 高 密 度 电 子 束 流 加 速
机 理 研 究
4. 计 算 科 学
(1) 高 精 度 、 高 分 辨 率 、 多 尺 度 计 算 方 法
(2) 数 值 模 拟 技 术
(3) 二 维 F-P 方 程 软 件 研 制 和 开 发

七 、 结 束 语
1、 致 谢 :
感 谢 中 国 工 程 物 理 研 究 院 、 北 京 大 学 的 大 力 支 持 ;
感 谢 北 京 应 用 物 理 与 计 算 数 学 研 究 所 、 北 大 工 学 院 、 物 理 学
院 、 数 学 学 院 的 大 力 支 持 、 帮 助 和 关 心 。
2、 中 心 取 得 的 成 绩 , 是 全 中 心 同 志 努 力 和 奉 献 的 结 果 。
3、 中 心 致 力 于 国 家 大 科 学 工 程 有 关 的 科 学 问 题 探 索 研 究 , 鼓
励 北 大 老 师 与 九 所 老 师 的 合 作 。 特 别 是 北 大 老 师 根 据 国 家 的
需 要 , 积 极 申 请 和 完 成 XX 工 程 和 XX 题 任 务 , 为 这 些 任 务 作 出
了 贡 献 。
4、 北 大 与 九 所 老 师 共 同 培 养 博 士 生 和 博 士 后 进 行 科 学 研 究 ,
取 得 很 多 重 要 成 果 , 论 文 都 是 共 同 完 成 的 。 博 士 生 和 博 士 后
在 从 事 大 科 学 工 程 中 提 炼 出 来 的 基 础 问 题 进 行 研 究 中 , 表 现
出 很 高 的 积 极 性 , 工 作 非 常 努 力 。