keV/u重离子与全电离气体放电等离子体相互作用研究

Investigation of the interaction processes of ion beams with plasma is a very important subject, not only in the fields of fundmental research of atomic physics, plasma physics, astrophysics and so on, but also in applied research such as controlled thermonuclear fusion and heavy ion accelerators. Here we would like to investigate the interaction of keV/u heavy ion with fully ionized gas discharging plasma at the National Laboratory of Heavy Ion accelerators in Lanzhou, the effect of the projectile atomic number, charge state, velocity, and the plasma- temperature and free electron density will be studied so as to reveal the property of energy deposition, stripping and self-focusing effects in the interaction process and provide key data and technique for the research in controlled thermonuclear fusion and the focusing and stripping technique(so called "plasma lens, plasma stripper") in ion accelerators. The research group has very good experience in this field, and the ion beam provided by the associated institute can be adjusted in a large range of initial charge state and atomic number, especially the ion velocity would be firstly extending to the new and unique range: near Bohr velocity(25keV/u). The gas discharging plasma in the lab could provide very uniform, long existing and fully ionized plasma,which is very suitable in the investigation of the free electron desity and temperature effects in the interaction process.

离子束与等离子体相互作用研究不仅是复杂环境下原子物理，等离子体物理及天体物理等基础科学研究领域的重要课题，同时也在可控热核聚变，重离子加速器技术等应用研究领域也备受关注。本项目将利用兰州重离子加速器国家实验室提供的keV/u重离子作用于全电离的气体放电等离子体，系统研究重离子的原子序数，电荷态，速度及等离子体的温度和自由电子密度对相互作用过程的影响，探索这一能区下离子束在等离子体中的能量沉积特点，剥离效应及自聚焦效应，为可控热核聚变及离子加速器束流剥离和聚焦新技术研究提供重要数据支持和技术积累。课题组成员相关研究经验丰富，依托单位可提供的离子束不仅在原子序数和初始电荷态方面大范围可调，离子动能也将首次延伸到玻尔速度（25keV/u）附近这一重要而新颖的能区；已有的气体放电装置产生的等离子体温度密度均匀，持续时间长且可实现全电离，非常适于研究等离子体自由电子密度和温度对作用过程的影响。

离子束与等离子体相互作用过程是离子束驱动的高能量密度物理及热核聚变研究中最核心的物理问题之一。在基金委的支持下，本项目紧扣这一国际前沿课题，基于项目依托单位320kV高压离子源一号终端搭建了离子束与等离子体相互作用实验平台，开展了中低能质子束以及He离子束在气体放电氢等离子体中的能量沉积及传输过程实验研究。.实验上获得了能量为50-400keV质子束和氦离子束在不同放电参数下等离子体中的高精度能损值；研究发现，质子能损数据与理论值符合较好，但是氦离子能损实验值却普遍低于理论估计值；分析认为，理论计算时氦离子的有效电荷取值应该为1.7。另一方面，实验中也观测到等离子体对质子束的强聚焦效果，而且被聚焦的质子束能量单一。模拟发现百keV量级直流质子束穿过气体放电等离子体时会形成周期性振荡的尾场，这种尾场可以把质子束调制为强聚焦（流强密度提高1个量级以上）、短脉冲（脉宽为百ps量级）、高重复频率（周期为ns量级）的质子束脉冲串；初步分析认为振荡尾场“聚集”质子束的同时“影响”了附近的自由电子，聚集的一个个质子束团和紧跟着一个个电子束团沿着束流方向运动，因此碰撞几率大幅减小，能损也大幅降低，相关物理机制研究仍在继续深入。.这是国际上首次将离子束在等离子体中的能损实验研究较为系统的扩展至10-100keV量级这一区域，首次在实验上观测到离子束在等离子体中激发的尾场调制效应。实验中获得的高精度能损数据可以对现有的能损理论模型进行检验和完善，而实验观测到的等离子体尾场自调制效应在新型加速器方面有很重要的应用前景。.在本项目工作的基础上，我们获得了一项国家自然科学基金大科学工程装置联合重点项目(批准号U1532263，2016.01.01-2019.12.30)，发表了学术论文30余篇，项目执行期间完成培养硕士生3人，博士生2人。