利用计算与实验对标碳化硼状态方程

碳化硼（B$_4$C）在惯性约束聚变（ICF）与高能量密度物理实验中兼具基础科学意义与实用价值。我们报告了对 B$_4$C 在液态、温稠密物质与等离子体相状态方程（EOS）的一项全面计算研究结果。我们的计算通过对在美国国家点火装置（NIF）进行的平面冲击实验得到的直至 61 兆巴的雨贡纽测量进行比较而交叉验证。我们的计算方法包括路径积分蒙特卡洛、活度展开，以及均基于密度泛函理论的全电子格林函数 Korringa-Kohn-Rostoker 与分子动力学。我们计算了 B$_4$C 在宽广温度范围（~6$\times$10$^3$--5$\times$10$^8$ K）与密度范围（0.025--50 g/cm$^{3}$）内的压强-内能 EOS。我们评估理论预测间最大差异在 1--2$\times$10$^6$ K 压缩极大值附近为 $\lesssim$5%。这是 K 壳层显著电离的温稠密态，对理论与实验均构成重大挑战。通过比较不同 EOS 模型，我们找到了一个与我们的计算相符的 Purgatorio 模型（LEOS 2122）。我们第一性原理预测与 LEOS 2122 间压强最大差异为 ~18%，出现在 6$\times$10$^3$--2$\times$10$^5$ K 温度区间，我们认为其源于 LEOS 2122 中建模的离子热项与冷曲线相对于我们第一性原理计算的差异。此外，我们开发了三种新的状态方程模型并将其应用于极向直接驱动 NIF 内爆的一维流体动力学模拟，表明这些新模型现已可用于未来的 ICF 设计研究。