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通过关键参数调控Heliotron J装置中高能粒子驱动的不稳定性

钟瑶，长崎百伸，陈嘉宏，陈坚，王志斌

物理学报，2026，75(1):010501

doi：10.7498/aps.75.20251022

cstr：32037.14.aps.75.20251022

高能粒子(energetic particles，EP)驱动的不稳定性及其调控规律，是受控核聚变研究中亟需解决的关键科学问题之一。本文以京都大学Heliotron J装置为实验平台，系统研究了电子回旋加热(electron cyclotron heating，ECH)与中性束注入(neutral beam injection，NBI)对EP驱动不稳定性的影响。研究采用实验诊断与数值模拟相结合的方式，揭示了典型等离子体参数在不稳定性激发与抑制中的作用机制，以及磁场位型和等离子体参数耦合作用在ECH加热系统影响不稳定性中发挥的作用。文章通过FAR3D程序分析了随着ECH功率的变化，高能离子比压、热比压、电子温度以及电阻率对模态驱动和阻尼过程的影响规律。模拟结果与实验观测在模数和径向结构上高度一致，证实了增长率对快粒子比压的敏感性，以及电子温度对朗道阻尼和连续谱阻尼的增强效应。模拟结果表明高能离子慢化时间的改变在模态演化中发挥重要作用。研究结果不仅为理解不同磁场位型下ECH加热系统对不稳定性的差异化作用提供了物理依据，也为未来螺旋器/仿星器类装置中优化加热方式、提升等离子体运行稳定性提供了重要参考。

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基于双波长泵浦的高效率2.8 μm掺铒氟化物光纤激光器数值分析与优化

李双江，赵红汝，付士杰，张钧翔，张露，姚治东，盛泉，史伟，姚建铨

物理学报，2026，75(1):010405

doi：10.7498/aps.75.20251211

cstr：32037.14.aps.75.20251211

1.5 μm和1.7 μm双波长泵浦方案，可以在实现高效率2.8 μm激光产生的同时解决1.7 μm单波长泵浦由于基态吸收较弱需要较长掺铒氟化物光纤的问题。建立了基于双波长泵浦低掺铒氟化物光纤的2.8 μm光纤激光器仿真模型，系统分析了不同泵浦波长组合对2.8 μm激光输出功率和光光转换效率的影响。仿真结果表明选取1470 nm和1680 nm的双波长泵浦组合，可以高效地将粒子由基态能级⁴I_15/2搬运至激光上能级⁴I_9/2，实现粒子数反转，达到使用米级低掺铒氟化物光纤实现高效率2.8 μm波段激光输出的目标。

图7 (a) 不同泵浦光λ₁和λ₂功率组合下，2.8 μm激光输出功率特性；(b) 不同1470 nm泵浦功率下，热负载沿光纤分布

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太阳辐射/对流区域边界处的碳、氮、氧元素的电子碰撞电离研究

侯永，罗青波，梁欣，曾交龙，袁建民

物理学报，2026，75(1):010302

doi：10.7498/aps.75.20251144

cstr：32037.14.aps.75.20251144

太阳辐射层与对流层边界区域(T ≈ 180 eV，n_e = 9×10²² cm^–3)是太阳内部能量传输方式从辐射主导向对流主导转变的关键界面，也是研究高温稠密等离子体物理的天然实验室。这一区域的物理特性决定了恒星演化模型的可靠性与能量传输机制的稳定性，特别是高温稠密等离子体中强烈的碰撞电离会改变电子数密度分布，进而影响能量的输运过程。本文发展了一种耦合等离子体环境效应来计算原子结构的新方法：通过将计算原子结构的Flexible Atomic Code (FAC)与超网链(hypernetted-chain，HNC)近似相结合，在原子波函数计算中引入电子-电子、电子-离子关联函数来考虑等离子体中屏蔽效应，系统研究了极端条件下电子碰撞电离的物理机制。基于扭曲波近似的计算表明，考虑等离子体环境效应时，碳、氮和氧元素的电子碰撞电离截面较自由原子模型显著增强，同时电离阈值出现明显下降的现象。研究发现这种增强效应主要源于离子间强耦合导致的原子势场重叠和自由电子屏蔽引起的束缚态能级移动。本研究直接将离子结构引入电子结构计算的哈密顿量中，所获得的电离参数可直接用于改进太阳内部辐射输运模型，为惯性约束聚变等极端条件等离子体研究提供了理论支持。

图3 随着入射电子能量变化，C²⁺的1s²2s²¹S0→1s²2s¹的电子碰撞电离截面  (a) 温度T为100 eV、不同电子密度的碰撞电离截面计算结果；(b) 电子密度n_e = 9×10²² cm^–3、不同温度的碰撞电离截面计算结果。黑色实线为孤立情况下的计算结果

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氦浓度对单晶铁缺陷演化及力学性能的影响规律与微观关联机制

王路生，沈量，罗龙，彭彦鸿，杨国平，赵晗，丁军

物理学报，2026，75(1):010804

doi：10.7498/aps.75.20251089

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理解原子尺度下氦浓度对低活化钢缺陷演化和力学性能的内在关联是设计兼具优异抗肿胀和抗辐照性能聚变结构材料的关键。本文通过分子动力学模拟研究了氦浓度对单晶铁缺陷演化和力学行为的影响机理。结果表明N_He < 3.0%时，弗仑克尔缺陷对(Frenkel pairs，FPs)数量快速线性增长至峰值后稳定；而当N_He ≥ 3.0%时，形成的间隙大团簇会吸收附近间隙原子而长大，并减缓湮灭速率，导致FPs数量继续增长，但间隙团簇被空位环绕后，不再阻碍复位，数量二次稳定。当N_He增至3.0%时，单晶铁的弹性模量、屈服强度和韧性分别下降了21%，88%和57%，此后氦浓度增大，力学性能不再降低。这是由于N_He < 3.0%时，随着氦浓度上升，氦致缺陷增多，导致韧性降低，促进位错形核，使弹性模量和屈服强度下降；而当N_He ≥ 3.0%时，氦致位错缺陷形成，而团簇数量变化甚微，导致韧性不再下降，弹性模量和屈服强度随之稳定。N_He = 3.0%时出现的大团簇阻碍滑移系滑移，改变滑移平面方向，削弱主滑移系作用，导致小滑移带增多，塑性变形机制由交滑移转变为滑移带相遇后分解为离散位错和点缺陷。研究揭示了氦浓度对单晶铁缺陷演化及力学性能的影响规律和关键机制，为聚变铁基材料设计提供理论依据。

图6 缺陷演化示意图   (a) N_He < 3.0%；(b) N_He ≥ 3.0%

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超导量子处理器芯片工艺线中金属污染问题的研究

徐晓，张海斌，宿非凡，严凯，荣皓，邓辉，杨新迎，马效腾，董学，王绮名，刘佳林，李满满

物理学报，2026，75(1):010601

doi：10.7498/aps.75.20251101

cstr：32037.14.aps.75.20251101

超导量子处理器芯片的制造工艺面临特殊的金属污染挑战，其材料体系和工艺特性与传统半导体芯片存在显著差异。本研究系统分析了量子芯片中金属污染的来源、扩散机制及防控策略，重点探讨了超导材料(如Ta，Nb，Al，TiN等)在蓝宝石和硅衬底上的体扩散与表面迁移行为。研究发现，蓝宝石衬底因其致密晶格结构表现出优异的抗扩散性能，而硅衬底需重点关注Au，In，Sn等易迁移金属的污染风险。通过实验验证，Ti/Au结构的凸点下金属化层在硅衬底上易发生Au穿透扩散，且增加Ti层厚度无法显著改善阻挡效果。量子芯片的低温工艺(<250 ℃)和超低温工作环境(mK级)有效抑制了金属扩散，但暴露的金属表面和材料多样性仍带来独特挑战。研究建议建立量子芯片专属的金属污染防控体系，并提出了后续在新型材料评估、表面态调控及长期可靠性研究等方向的发展路径。本文为超导量子芯片的工艺优化和性能提升提供了重要理论支撑和技术指导。

图2 用于量子芯片的CPW传输线及其地线互连的铝质跨接桥结构

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基于质子辐照YBCO超导带材临界电流提升技术研究

朱晓锋，张素平，张宁，周洪吉，王川，潘高峰，李鹏展，汪洋，张天爵

物理学报，2026，75(1):010803

doi：10.7498/aps.75.20251031

cstr：32037.14.aps.75.20251031

为提升钇钡铜氧(YBCO)高温超导带材的临界载流能力，本文创新性地采用质子辐照技术对工程实用化YBCO带材进行缺陷调控。基于4.5 MV静电加速器材料辐照终端，系统开展了3 MeV质子束流在不同注量下的辐照实验，成功在超导体中构建高密度、低维度的可控人工钉扎中心。这种缺陷工程通过为磁通线创造低能量钉扎位点，显著抑制了磁通蠕动现象并增强钉扎作用，从而显著削弱外磁场对临界电流(I_c)的抑制作用。实验数据显示，在注量率为8×10¹⁶ p/cm²的辐照条件下，样品在4.2 K@6.5 T极端工况下的临界电流实现了8倍的突破性提升，同时在20 K@5 T，30 K@4 T下临界电流密度最大提升因子分别也达到5.5倍、4.8倍。这一性能突破显著增强了超导带材在低温高场环境中的应用潜力，尤其适用于离子加速器、聚变反应堆等对高性能超导磁体有迫切需求的前沿领域。研究证实，离子辐照技术无需改变YBCO带材的现有制备工艺，即可通过缺陷工程实现临界性能的高效优化，为超导材料的实用化性能调控提供了一条工艺兼容性强、可行性高的技术路径。

图7 不同温度环境不同注量下超导带材临界电流密度随磁场的变化

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《物理学报》2026年第1期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2026/1