宽能域离子束在等离子体中的聚焦效应及激发双流不稳定性的粒子模拟及实验验证

Understanding the transport of intense ion beams in background plasmas is important for a variety of applications, such as high-energy-density physics driven by heavy ion beams, helium heating in fusion plasmas and fast ignition of inertial confinment fusion with ion beams. Numerical simulations combined with experimental verifications will be carried in this project to investigate the beam focusing effects and two-stream instability excitations of ion beams in background plasmas. The charge and current neutralization of ion beams and wake-field excitation in background plasmas would be analyzed, and special emphasis would be paid on the influences of ion species, energy, plasma density and gas ionization on the growth rate of the instability and the focusing effects. With the funding of this project, we would develope the related theory and particle simulation code, obtain the experimental data and provide some theory supports for the inertial confinment fusion research and high-energy-density physics.

强流离子束在等离子体中的输运过程一直是人们关注的热点问题，其研究在“重离子束驱动高能量密度物质”、“聚变自持燃烧中的氦离子加热”以及“惯性约束聚变中离子束快点火”等前沿领域有着重要的应用。本项目将采用理论模拟方法并结合实验验证（依托兰州重离子加速器大科学工程装置及其320kV高压离子束平台），通过分析离子束在等离子体中的电荷、电流中和效果以及尾波场激发情况，深入研究宽能域离子束在等离子体中的聚焦效应以及激发双流不稳定性过程，重点考虑离子束的种类、能量、等离子体密度以及离子束电离残留中性气体对不稳定性增长率以及束流聚焦效果的影响。发展相关理论模型并完善粒子模拟程序，获得相关实验数据。期望本项目的研究成果能够为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提供相关的理论支持。

强流离子束与等离子体相互作用的研究与实验室天体物理、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。本项目依托兰州重离子加速器HIRFL大科学工程装置及其320kV高压平台，发展并优化了二维和三维粒子模拟程序IBMP，观察到了低能连续质子束在等离子体中的脉冲化及二次自调制效应，解释了其物理机制；研制了长度达到2米的气体放电等离子体设备，并在实验上成功观察到了能量为270keV质子束的能谱反常展宽，能谱宽度与三维粒子模拟及线性理论结果相吻合，证实了质子束在等离子体中激发双流不稳定性过程及其饱和机制；详细研究了能量为百MeV离子束在等离子体中产生高能电子过程及其动力学效应，发现了高能电子激发的二次双流不稳定性并解释了其物理机制；通过粒子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；开展了离子束与高密度激光产生等离子体靶相互作用的实验研究，发现了质子束的反常阻滞现象。项目执行期间发表相关学术论文16篇，获批软件著作权1项，在国内外领域内相关会议作邀请及口头报告7余次，培养硕士及博士研究生5名，推动了高校与国家大科学工程装置的全面实质合作，成果为基于强流重离子加速器HIAF的高能量密度研究提供重要理论支撑。