杨肖易 - 哈尔滨工业大学

个人简介

杨肖易，1990年生，哈尔滨工业大学物理学院，副教授，博士生导师，2009年保送北京大学物理学院并入选首批珠峰计划，2018年博士毕业并获北京大学优秀博士论文，2021年入选哈尔滨工业大学拔尖人才选聘计划。主要研究方向为等离子体物理和磁约束核聚变，主要研究成果先后获得国家磁约束核聚变能发展研究专项，国家重大仪器专项，国家重点研发计划政府间创新合作专项和国家自然科学基金支持。作为主要作者发表SCI文章十余篇，多次获邀国内外邀请报告。教育经历 2009.09-2013.07 物理学北京大学本科 2013.09-2018.6 等离子体物理北京大学博士工作经历 2018.07-2020.12 博士后北京大学物理学院 2021.04-至今副教授哈尔滨工业大学，物理学院

研究领域

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聚变能源是最终解决人类社会发展所需能源问题的主要途径之一，磁约束核聚变的技术路线有可能首先实现聚变能源的和平利用。围绕这一技术及其关键科学问题，产生了等离子体诊断技术研发、等离子体装置研发、等离子体湍流研究及等离子体技术应用四个联系紧密的稳定研究方向。取得了如下创新性成果：（1）作为主要成员（第一作者）参与首创激光离子束轨迹探针诊断方法，用以解决磁约束等离子体中极向磁场、涨落电场诊断这一“卡脖子”问题。完成了首套激光离子束轨迹探针原理样机的搭建和相应算法、程序的开发，验证了该方法的科学可行性和技术可行性。由于聚变等离子体的极端条件特性，上亿度高温的等离子体芯部的物理量必须使用基于光学或粒子束的“物理探针”进行测量，即等离子体诊断技术。先进等离子体诊断是研究聚变堆芯物理过程、实现等离子体控制的重要手段。在磁约束核聚变中，对约束等离子体的自洽磁场（极向磁场）和涨落电场进行精确测量是研究其关键物理过程和实现反馈控制重要前提。但一直以来都缺少有效的诊断方法。基于本世纪刚刚发展起来的激光加速器技术，在国际上首次提出激光（加速）离子束轨迹探针方法，可实现磁约束热核聚变中极向磁场和涨落电场的同时高分辨诊断（Yang et al，2014），并研发了该诊断方法的数学物理方法、程序包和部分关键元件。该方法利用颠覆性创新思维方式，创造性地将激光离子加速器能散宽、散角大、短脉冲和多电荷态等“缺点”化为二维宽能谱诊断的优势，实现了高时空分辨的二维极向磁场、径向涨落电场的同时诊断。作为骨干成员现已完成首套激光离子束轨迹探针原理样机的搭建，使用实验数据验证了该方法的科学原理可行性和工程技术可行性。正计划安装于我国新建磁约束聚变装置“中国环流器2号改进型”（HL-2M）开展实验诊断研究。该颠覆性创新研究获得国家磁约束核聚变能发展研究专项项目《极向磁场的激光离子束轨道探针诊断方法探索》（2015GB120001），国家重大仪器专项（2012YQ030142）和国家自然科学基金面上项目（11575014）支持。（2）研发北京大学等离子体实验装置（PKU Plasma Test, PPT）。等离子体物理是基于实验的科学领域，等离子体实验研究装置是开展等离子体物理的先决条件。中国正式加入国际热核聚变实验堆（ITER）计划后，在高校中建设若干先进的、具有国际影响的磁约束等离子体实验装置成为国家聚变科学研究和人才培养的刚性需求。负责北京大学第一套等离子体实验装置的设计和建造工作。先后完成了主真空、主磁场、等离子体源、和多套诊断系统的设计、研发工作。作为国内主要的直线等离子体装置之一，该装置具有较高轴向磁场（0.2T），较大尺寸（1mf0.5m），较高等离子体密度（21019 m-3）的优势，拥有朗缪尔探针、磁探针、可移动探针平台、探针阵列、二维可见光成像诊断、二维多色成像诊断等多种先进的诊断设备，是一套达到了国际先进水平的实验平台。在这一装置与合作者已经开展了等离子体湍流和输运、诊断技术测试、等离子体密封技术以及等离子体与材料相互作用等大量物理和工程实验，发表了一系列高水平研究成果，并作为实验教学平台向本科生和研究生开放、作为科学普及平台向社会开放。（3）基于PPT装置实验的高时空分辨二维诊断数据，创造性地成功分析了湍流相干结构的本征模式，发现了由锁相导致的湍流相变过程聚变的关键问题是有效约束等离子体的粒子和能量，使其能够稳定的“燃烧”。而破坏约束的最主要的因素就是湍流造成的粒子和能量输运。进行了大量湍流与输运的实验研究，为改善约束提供了物理依据。发现在存在较大密度温度梯度的等离子体台基区会自组织的产生全局尺度的streamer结构。与湍流中非相干模式不同，由于该结构大尺度，且密度扰动与电位扰动始终保持较为稳定的相位差的特点，其引起的输运可以占主要部分，而这些相干模式之间的相互作用会对输运起决定性作用。创造性的从理论上证明使用奇异值分解方法可以得到相关模式的本征值，结合希尔伯特变换能够无损地重构相干模式的时空本征模式，由此可以对本征模式的相互作用进行细致研究。基于新的数据分析方法在等离子体湍流中首次观测到由于锁相过程导致相变过程。在相变过程中，数个主导的相干模式发生强烈的非线性相互作用，并形成以不同锁相状态和不同功率谱为特征的三个准稳相态。该发现为等离子体湍流提供新的理解。（4）合作提出了使用等离子体密封窗技术隔离偏滤器区域、以实现偏滤器“完全脱靶”运行的创新性技术路线偏滤器靶板高热负荷问题是制约磁约束聚变装置高参数稳态运行的“卡脖子”问题。由于加热稳态运行条件下，对等离子体进行大功率加热的能量最终以大功率热流的形式通过偏滤器排出；GW级聚变堆第一壁的平均热负荷将达到10 MW m-3，而偏滤器靶板上的脉冲热负荷更要大大高于这一数值，远远超出了现有材料所能承受的上限。目前的主流技术是通过大规模充气造成偏滤器区的大面积电离辐射以降低热流强度，实现偏滤器“脱靶”运行。这一技术路线是否适用于高功率堆还需要进一步检验。合作提出利用等离子体“阻低能通高能”的特性，对偏滤器区与主等离子体区实施真空隔离，在偏滤器中区使用“高压气体靶”技术阻隔大功率热流，根本性解决靶板热负荷的问题；还可以有效抑制靶板溅射产生的高Z杂质对堆芯等离子体的影响、避免诱发边缘不稳定性以及等离子体大破裂等问题。这一技术方案得到了国家重点研发计划政府间创新合作专项项目（2018YFE0303100）支持。作为骨干成员参与该项目相关研究课题（2018YFE0303100），负责研发一套级联电弧等离子体密封窗装置。这一装置现已建成，在国际上第一次实现了对长狭缝（5mm35mm）“等离子体窗”的密封，在“狭缝”两端得到10倍的气压差，提前完成该任务的结题考核指标（5倍气压差）。