GIST开发离子束能量分布逆向设计技术

by Min Chanki

Published 13 May.2026 14:29(KST)

在保持固体状态下实现接近太阳的高温
先设定加热条件再设计离子参数

光州科学技术院（GIST）13日表示，物理与光科学系教授 Bang Useok 研究团队提出了一种离子束能量分布逆向设计方法，在保持与固体相同的高密度状态下，可以最优方式对物质进行加热。

（自左起）物理·光科学系教授 Bang Useok、硕博连读生 Lee Seongmin、硕博连读生 Jo Suji。GIST 供图

高能离子束是将带电离子快速加速而形成的粒子束，能够直接向物质内部传递能量。利用这一方式，可以在纳秒（ns）以下的极短时间内，在保持与固体相同的高密度状态下，实现远超固体熔点的高温状态（达数万开尔文（K））。

由此产生的极端状态即为“温暖高密度物质”（Warm Dense Matter，WDM），是一种介于固体与等离子体之间的物质状态。这是理解行星内部环境以及核聚变燃料状态的重要研究对象。

然而，传统的离子束加热方式由于离子能量不同导致其在物质内部停止的深度各异，难以对样品进行均匀加热。受“布拉格峰”（Bragg peak）现象影响，能量会集中在特定深度，从而引发样品内部温度分布不均的问题。相反，如果将离子能量提高到很高水平，虽然可以在一定程度上改善加热的均匀性，但大量离子会穿透样品逸出，导致能量传递效率下降，因此存在局限。由此，如何设计既能兼顾加热均匀性又能兼顾能量效率的离子能量分布，成为关键课题。

为克服这一局限，研究团队首先设定目标加热条件，然后反向计算满足该条件的离子能量分布，提出了“逆向设计（inverse design）方法”。为此，团队首先利用蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation），计算具有不同能量的碳离子穿过厚度为1厘米、具有固体密度的铝样品时，能量随深度如何传递与吸收。

蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation）是一种通过反复随机抽样来计算复杂物理现象的方法。本研究中，该方法被用于计算离子在穿过物质内部时，随深度变化所传递的能量量。

为使厚度为1厘米的固体铝样品均匀加热而对碳离子能量分布进行优化所得结果图。GIST供图

研究团队将这一开发出的计算方法应用于碳离子束，得出了能够将厚度为1厘米的固体密度铝样品均匀加热的条件。结果表明，在能量传递效率最大化的条件下，能量主要分布在约10亿电子伏特附近，并呈现“超指数型（super-exponential）”能量分布。通过计算机模拟验证发现，采用该分布的离子束实现了99.1%的能量传递效率和0.55%的加热不均匀度，从而证实可以同时最大化加热的均匀性与效率。

Bang Useok 教授表示：“本研究表明，可以先确定期望的加热分布，再通过计算方式设计实现这一分布的最优离子能量分布。”他还表示：“通过给出同时满足均匀性与效率的离子束条件，有望在需要在保持固体密度的前提下对极端状态物质进行精密加热的各类研究与应用领域中发挥广泛作用。”

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本次研究由 GIST 物理与光科学系 Bang Useok 教授指导，硕博连读生 Lee Seongmin 与 Jo Suji 作为共同第一作者参与。研究获得科学技术信息通信部和韩国研究财团中坚研究者支援项目的资助。研究成果发表于依据世界学术期刊评价指标 JCR（期刊引文报告）划分、在热力学与传热学领域位列前6.1%的国际学术期刊《International Communications in Heat and Mass Transfer》，并于上月19日在线发表。

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。