高能强流重离子束在物质中的电荷态分布及能损动态过程实验研究

与强激光等传统技术手段相比，高能强流重离子束轰击靶物质，可以产生体积大、状态参数梯度较小因而易于诊断的强耦合等离子体，从而为高能量密度物理实验研究及惯性约束聚变探索和模拟提供了全新的途径。本项目将利用脉宽为数百纳秒，单脉冲离子数10^8-10^9的高能重离子束作用于冷冻的或有Au膜封装的固态Ne靶，并借助先进的瞬态诊断技术，对其能损和电荷演化等瞬态过程进行时间分辨在纳秒量级的在线监测；由于在整个束流脉冲时间里，被加热的靶物质会发生可观的状态变化，上述观测参量的变化同时也反映了靶物质的状态演化和流体力学性质。该项研究基于一套成熟的实验探测技术，同时需借助于大型离子加速设备，实验数据相当匮乏；然而随着美国点火装置NIF、国际大工程FAIR及俄国TWAC等大型设备的运行或投建，人们对这些数据给予了更强烈的期待，因为这对建立、检验和完善相关理论模拟模型，设计和探索惯性聚变点火等都有非常重要的意义。

在本项目的支持下，以高能强流重离子束在物质中的电荷态分布及能损动态过程实验研究为重点，主要开展了高能强流离子束与物质相互作用相关的多项研究，并与低能区离子束与物质相互作用进行了比对，主要内容和研究成果如下：.利用依托单位中科院近代物理所大科学工程装置重离子加速器冷却储存环（CSR）上的强流重离子束对闪烁体布拉格峰探测器进行了测试，结果表明该探测方法对高能离子束的能量分辨率好于1%，位置分辨在10微米量级。研究了强流离子束诱导的闪烁体可见光谱及其时间响应特性，发现高能离子束诱导的荧光光谱中存在紫外特征辐射成分，如果利用窄带滤光片的方式将此部分荧光单独提取出来，将可以极大的提高布拉格峰探测器中的离子能量和束流刨面的测量精度。分别研究了射程末端法高能离子束照相技术以及磁透镜法高能重离子透射成像技术，得到了一系列静态样品的物质结构图像，空间分辨高达到50-100微米，由于用到的离子束是CSR快引出产生的，离子束脉冲宽度为300纳秒，因此实验也证明储存环离子束在超快成像应用中的可行性。利用依托单位的高压离子源实验平台开展了离子束与固体表面，等离子体以及气体等的相互作用实验，研究了离子束在上述物质中的能损、光辐射及输运特性，首次建立了动能电子能损与势能沉积两种作用机制的在高电荷态离子表面蚀刻效应中的联系，得到了快重离子与高电荷态离子在表面形成纳米结构的总能量沉积阈值；发现低能区离子在等离子体中的能损比等量中性物质中的能损有4-5倍的增强，其非线性效应比高能区离子更强；首次利用微孔箔的导向形成的纳米尺度的高电荷态离子束开展了表面纳米效应的研究，发现用这种结合导向的蚀刻方法可以得到峰高度约为16nm，半高宽为60nm的纳米峰结构，这是迄今为止用高电荷态离子蚀刻产生的最高、最粗的纳米峰结构；在高电荷态Xe离子与铁碰撞中的内壳层过程研究中，发现了炮弹离子内壳层激发强度由于弹靶内壳层能级匹配引起的共振增强现象。项目执行期间，已发表标注该基金号的SCI论文22篇，其中国外SCI论文18篇；申请1项关于离子成像新方法的发明专利。