提出可再现核聚变燃料与行星内部状态的可能性
实现离子束加热效率99.1%、不均匀度0.55%
光州科学技术院（GIST）研究团队开发出一种离子束设计技术，在保持物质处于固体状态的同时，能够精确实现与太阳表面相当的超高温环境。该技术被评价为可在实验室中更精确再现核聚变燃料状态和巨型行星内部环境的基础技术。
GIST于13日表示，Bang Wooseok 物理与光科学系教授研究团队提出了一种“逆向设计（inverse design）”方法：先设定所需的温度分布，再反向计算出能够实现该分布的最优离子束能量分布。
高能离子束是通过将带电离子快速加速而形成的粒子束。由于可以将能量直接传递到物质内部深处，因此能在极短时间内将物质加热到超高温状态。
研究团队尤其关注到，在保持类似固体的高密度的同时，也能实现高达数万开尔文（K）的极端状态。这对应于介于固体与等离子体之间的“温暖高密度物质（Warm Dense Matter·WDM）”状态，被认为与核聚变燃料以及木星等巨型行星内部环境相似。
传统离子束加热方式由于存在能量集中于特定深度的“布拉格峰（Bragg Peak）”现象，难以实现样品内部的均匀加热。相反，如果将离子能量提高过多，虽然加热均匀性有所改善，但大量离子会直接穿透样品，导致能量效率下降。
研究团队利用蒙特卡罗模拟和基于非负最小二乘法（NNLS）的计算，得出了同时满足均匀性和效率的最优离子能量分布。
结果显示，在能量集中于约10亿电子伏特（1 GeV）附近的超指数型离子束条件下，能量传递效率达到99.1%，加热不均匀度为0.55%。此外，在相对简单的准单色离子束条件下，也确认了实现约95%效率、0.42%不均匀度水平的均匀加热的可能性。
研究团队合影。（自左起）Bang Wooseok 物理·光科学系教授、Lee Seongmin 硕博连读课程学生、Jo Suji 硕博连读课程学生。GIST 供图
View original image研究团队解释称，如投射达到一定数量以上的离子，便可实现约1万开尔文（K）以上的超高温状态，这一温度高于太阳表面温度（约5800K）。分析结果显示，整个加热过程在0.1纳秒（ns）以内完成。
预计此次技术不仅可应用于核聚变燃料加热和高能量密度物理研究，也有望用于如粒子束癌症治疗等需要在特定深度精确传递能量的领域。
Bang 教授表示：“本研究表明，可以先设定目标加热分布，再通过计算设计出实现该分布的最优离子能量分布”，“有望广泛应用于需要在保持固体密度条件下对极端状态物质进行精密加热的各类研究和应用领域”。
本研究在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下完成，GIST 物理与光科学系的 Lee Seongmin 和 Jo Suji 硕博连读生作为共同第一作者参与。研究成果已于上月19日在线发表在国际学术期刊《International Communications in Heat and Mass Transfer》上。
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