宽能域离子束在等离子体中的能量沉积及其激发的自调制不稳定性和尾波场

The application aims at the major project "No. 15 New method and new technique in experiment at HIRFL". 1. Facing to the high reqirements in national safty in field of ICF and Nuclear weapen, we would studt the energy depostition of ion in plasma, the high precise data can be used in the examination of the related physics model and parameters. 2. Following to the frontier in field of the self-modulation instability (SMI) in plasma wakefield, we would use the HIFRL ion beam to drive plasma wakefield, and investigate the ecitation and evolution of the SMI, such experiments is rarely carried out before, we could achieve initiative progress under this support.3. Combining experimental research with theories and simulation, both sides would be benifited, furhtermore, our research may have potential applications in field of accelerators based those foundmental achievements. The participants have biult up an excellent collaboration-ship in provious, and have complementary advantages, so that innovation and breakthrough in fields of inertial confinment fussion, high energy density and ion accelerator can be expected with the support of the project.

本项目将1.面向惯性约束聚变和核武器物理等国家重大安全需求，研究中低能区离子在等离子体中的能量沉积过程，提供高精度实验数据，对相关物理建模和参数的可靠性进行直接检验。2.紧扣等离子体尾场自调制不稳定性这一国际前沿热点，利用HIRFL提供的离子束作为驱动源，激发等离子体尾场，研究尾场自调制不稳定性的演化机制，这方面理论研究较少，实验研究基本处于空白状态，有望取得创新性实验成果。3.实验研究与理论模拟相结合，基础科学与前沿技术相交叉：实验中离子束及等离子体相关参数可以大范围调节，十分有利于检验并进一步完善相关理论模拟模型，深入理解相关物理机制；在此基础上，建立具有源头创新性的理论和数值模拟模型，发展基于等离子体尾场自调制和尾场加速的加速器新原理与新技术。项目申请团队前期合作基础良好，经验丰富、优势互补，有望在本基金的支持下，取得惯性约束聚变、高能量密度物理以及加速器技术领域的创新和突破。

离子束驱动高能量密度科学是我国九五大科学装置HIRFL及十二五大科学装置HIAF等大型重离子加速器的重要科学目标，相关研究与实验室行星物理、惯性约束聚变及核武器物理等国际学术前沿和国家重大需求密切相关。本项目发展了基于HIRFL大科学装置的离子束与等离子体相互作用实验新方法和新技术，获得了100keV/u量级离子束在等离子体中的高精度能损实验数据，并据此验证了基于第一性原理、通过求解含时薛定谔方程和速率方程的量子蒙卡理论；研究了数MeV/u的重离子在等离子体中的能损与电荷分布，并利用该方法将等离子体束缚电子密度的传统测量精度提高了1-2个量级；首次研究了MeV量级强流质子束穿过稠密等离子体后的能损，发现实验测量值比两体碰撞理论预期值高1-2个量级，通过数值模拟和理论分析，建立了强流束集体效应激发极强阻止电场进而主导强流离子束能损的新物理图像；研究了100MeV/u量级高能C离子束与薄膜物质相互作用的内壳层电荷交换过程并利用新研制的晶体布拉格峰探测器高精度测量了作用后的能损，能量分辨好于1%；优化、发展和完善了用于离子束与等离子体相互作用研究的二维和三维PIC 模拟程序IBMP，合作开发并优化了适用于模拟离子束与稠密物质相互作用以及离子束驱动高能量密度物质的隐格式PIC模拟程序LAPINS，在此基础上开展了强流离子束在等离子体中的能损、聚焦、压缩和环形束调制等效应的数值模拟；模拟首次发现均匀分布的圆斑束可以被自生电磁场调制成为近50倍强聚焦的环形束，为强流环形离子束内聚压缩制备温稠密物质开辟了新途径。项目执行期间发表相关学术论文29篇，主办或承办3次相关国际学术会议，10余次受邀在国际会议上报道相关进展和成果，培养博士和硕士研究生10名，逐步形成了一个离子束与等离子体以及离子束驱动高能量密度物理的高水平国际化研究团队，推动了高校和大科学装置科研院所的全面实质合作，为我国重离子加速器大科学装置高能量密度科学领域步入世界一流水平打下了坚实的关键技术和人才团队基础。