载能团离子束与等离子体相互作用的非线性机理研究

The study of the interaction between energetic cluster-ion beam and plasma is an important issue both in basic research fields including cluster physics,plasma physics, astrophysics and the application fields in ion-beam driven inertial confinement fusion and heavy ion electron cooling and so on. .Theoretical analysis (one-dimensional/two-dimensional electrostatic model), numerical simulations (Particle-in-cell simulation and molecular dynamic simulation) and experimental study (Using 320kV high-voltage ion-beam platform of Heavy-ion Accelerator National Laboratory in Lanzhou) will be carried in this project, and the emphasis will be placed on the nonlinear effects aroused by the beam-plasma interaction, and the vicinage effects due to the correlation of cluster ion and the wake effect comes from the electrical excitation of the plasma. The influences of above effects on the interaction will be evaluated. .It is promising to reveal the nonlinear physical mechanisms about the interaction of cluster-ion beams in plasmas by the study of this project, and it is expected to provide theoretical reference and technical guidance to the study of cluster-ion beam driven confinement fusion, and do some contribution to exploring new methods and ideas for the applications of heavy ion electron cooling.

载能团离子束与等离子体的相互作用是离子束驱动惯性约束聚变及重离子电子冷却等应用/基础研究中的重要物理问题，涉及到原子分子物理、团簇物理、等离子体物理及天体物理等多个学科领域。 .本项目采用理论分析（一维/二维静电模型）、数值模拟（粒子模拟和分子动力学模拟）与实验研究（利用兰州重离子加速器国家实验室320kV高压离子束平台）相结合的手段，通过分析团离子束在等离子体中的能量损失、库仑爆炸及电荷态等随入射速度、等离子体密度和电子温度变化的物理过程，研究束-等离子体之间相互作用引起的非线性效应、团离子之间关联引起的临近效应和等离子体电激发引起的尾流效应，并评估这些效应带来的影响。 .通过本项目的研究有望揭示团离子束-等离子体相互作用过程中的非线性物理机制，从而为团离子束驱动惯性约束聚变研究提供理论参考和技术指导，并为探索重离子电子冷却提供新的方法和思路。

本项目系统地研究了载能团离子束与等离子体相互作用过程，该问题在离子束驱动惯性约束聚变、磁约束聚变中性束加热以及重离子电子冷却等领域受到极大关注，也是高能量密度物理中具有挑战性的前沿性课题。. 在本项目的支持下，我们以载能团离子束在等离子体中的能量损失、库仑爆炸及电荷态分布的动态过程为研究重点，不仅采用了理论分析和数值模拟相结合的研究手段，还在实验方面利用兰州重离子加速器国家实验室320kV高压离子束平台开展了高能强流离子束与物质相互作用的多项研究。主要研究内容和重要结果如下：尾流效应是影响团离子束能量损失和库仑爆炸模式的一个重要因素，这种影响主要是由于等离子体的电激发引起的，因此可以通过调制团离子的入射速度、等离子体的密度和温度等参数来对尾流效应进行干预；临近效应是团离子与等离子体相互作用中不同于原子离子的一个关键因素，其由团自身结构的关联激发效应引起，并与团的类型、种类等因素有关，对离子束在等离子体中的能量沉积过程、库仑爆炸过程等具有重要的影响；在电荷态的研究过程中发现，当入射离子的电荷态较高时，电子俘获截面大于碰撞电离截面，电子俘获过程占优势,当入射离子的电荷态降低，电子俘获截面减小，电离截面增大；在研究离子束在等离子体中的非线性行为时，发现离子束在等离子体中的传输过程中会激发复杂的静电和电磁不稳定性，在大边界密度梯度下，强离子束的结构演化呈现环状结构。. 通过本课题的研究，进一步完善了载能团离子束与等离子体相互作用的理论体系，所得的研究结果对于离子束驱动惯性约束聚变和高能量密度物理等重大前沿领域研究具有参考价值。