近玻尔速度能区高电荷态离子与激光等离子体相互作用实验研究装置

近玻尔速度能区高电荷态离子在稠密等离子体中的能量损失是强流重离子束驱动的高能量密度物理等前沿研究中的核心物理问题之一.基于中国科学院近代物理研究所的320 kV实验平台,新建立了一套近玻尔速度能区离子束与激光等离子体相互作用的实验研究装置,用于开展高精度的离子能量损失和电荷态研究.本文将详细介绍该装置的特点,包括脉冲离子束(≥200 ns)的产生与调控、高密度(10¹⁷—10²¹ cm^–3)激光等离子体靶的制备、等离子体参数诊断与离子的高精度测量(<1%)等.基于该装置已开展了百keV的质子束和4 MeV的Xe¹⁵⁺离子束与激光Al等离子体靶相互作用的实验,并取得了相应的结果.本实验装置能够为中国在近玻尔速度能区高电荷离子与稠密激光等离子体相互作用研究提供高精度的实验数据,以促进理论工作的发展.     

北京大学应用物理与技术研究中心诚聘全职教员及博士后

<正>北京大学应用物理与技术研究中心(以下简称"中心")诚聘各界英才,职位包括助理教授、副教授、教授,以及博士后。中心关注高能量密度科学(物理)及相关科学计算,近期侧重以下一些研究领域:非理想等离子体物质特性,特别是高能量密度条件下的温稠密物质特性具有新奇性质的新型材料研究探索和计算设计强激光作用下原子物理与强场作用下高能带电粒子加速物理     

北京大学应用物理与技术研究中心诚聘全职教员及博士后

<正>北京大学应用物理与技术研究中心(以下简称"中心")诚聘各界英才,职位包括助理教授、副教授、教授,以及博士后。中心关注高能量密度科学(物理)及相关科学计算,近期侧重以下一些研究领域:非理想等离子体物质特性,特别是高能量密度条件下的温稠密物质特性具有新奇性质的新型材料研究探索和计算设计强激光作用下原子物理与强场作用下高能带电粒子加速物理     

北京大学应用物理与技术研究中心诚聘全职教员及博士后

<正>北京大学应用物理与技术研究中心(以下简称"中心")诚聘各界英才,职位包括助理教授、副教授、教授,以及博士后。中心关注高能量密度科学(物理)及相关科学计算,近期侧重以下一些研究领域:非理想等离子体物质特性,特别是高能量密度条件下的温稠密物质特性具有新奇性质的新型材料研究探索和计算设计强激光作用下原子物理与强场作用下高能带电粒子加速物理流体力学不稳定性和可压缩湍流上述领域相关的计算科学     

第四讲 超强激光脉冲与等离子体相互作用中高能离子的产生

近几年来，由于高功率激光技术的不断发展，利用超强激光脉冲与等离子体相互作用产生高能离子束的研究得到了极大推动．实验和理论模拟均发现，在超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中，可以产生高亮度、小尺寸、方向性好的高能质子束和高能重离子束．这种基于超强激光的高能离子源在先进离子束成像技术、惯性约束聚变混合“快点火”、新型台面离子加速器以及医疗等方面都有很诱人的应用前景．文章主要介绍了超强激光与固体靶相互作用中高能离子束（尤其是质子束）的加速机制、高能离子束特性、常用测量方法及其潜在应用，并对最新的研究进展进行了简单介绍．     

高能核物理实验国际合作研究近期代表性成果

高能核物理实验的主要物理目标是在极端高温度和能量密度条件下研究核物质新形态?夸克-胶子等离子体的产生及演化特性。深入揭示当前物质世界的深层次结构,以及强核力相互作用在高温、高密多粒子体系中的行为、特性。探寻在此极端条件下的新物理现象。本工作概述我国所参与的主要高能核物理实验国际合作研究项目及其物理目标。介绍我国在国际合作研究中所做出的近期代表性成果,以及我国在该领域研究中的新物理探究方面所取得的典型成就。并对高能核物理下一步的研究发展方向做出展望。     

激光离子加速研究与应用展望

激光离子加速是近年来激光等离子体领域兴起的研究热点之一。激光产生的高能离子束具有高亮度、小尺寸、脉宽窄和方向性好等特点,具有很多潜在的应用。概述了几种常见的激光离子加速物理机制,对一系列激光离子加速实验进展进行了归纳总结,最后介绍了几种激光驱动离子束的潜在应用。     

惯性约束聚变黑腔内等离子体界面处的动理学效应及其影响

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应是惯性约束聚变物理设计的基本需求,也是高能量密度物理中的具有挑战且未完全解决的问题。重点回顾近几年来本团队围绕等离子体动理学效应及其影响开展的一些研究工作:（1）聚变黑腔中金等离子体与靶丸冕区等离子体边缘处的电场结构及其加速的高能离子对内爆对称性的影响;（2）激光光路上高Z-低Z等离子体界面处的电场产生机制及其导致的反常离子扩散对激光等离子体不稳定性的影响;（3）等离子体中电磁场结构的质子照相反演。     

高功率激光装置上光致电离等离子体光谱实验的理论研究进展

光致电离等离子体是宇宙中等离子体的一种重要的存在形式,这种等离子体是一些高能天体发射很强的辐射场照射周围的稀薄等离子体产生的。随着高能量密度物理的发展,2009年Fujioka等人使用高功率激光装置（GEKKO-XII激光装置）制造出光致电离硅等离子体,并观测到类似于天文观测中的X射线光谱。本综述重点总结了Fujioka实验以来,各理论工作对实验中X射线光谱的模拟结果,并对光致电离等离子体光谱实验方面的研究进行展望。本文期望为相关研究人员深入理解光致电离等离子体光谱发射的物理机制提供参考。     

强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断

强流脉冲离子束在靶上的能量密度分布是其研究和应用的一个重要参数。为了解决现有束流能量密度诊断方法的不足,利用红外成像仪测量靶背面的温度分布,从而建立了强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断方法。对能量密度1J/cm2量级、脉冲宽度为102 ns量级的束流,该方法测量误差好于5%,空间分辨率可达到1~2mm,具有操作简便、成本低的优点,是强脉冲能量沉积分布的一种高效迅速的诊断方法。     

用于温密物质研究的强流电子束加载技术

能量20 MeV、流强2.5 kA的电子束脉冲可以在数十ns的时间内将靶材料加载至温密物质状态，进而可以开展材料状态方程、电导率以及不透明度等的实验研究工作。介绍了在神龙一号加速器上开展温密物质实验研究的束靶作用方式以及相应的测试技术。对电子束在直径0.3 mm、长1 mm的金属靶丝内的能量沉积和流体动力学响应进行了数值模拟。结果表明:靶丝的温度随着靶材料原子序数的增加而上升，而靶丝内温度分布的均匀性随着原子序数的增加而降低；在电子束加载后40 ns时刻Ta丝内的最高温度可以达到约1.6 eV。     

强粒子束产生温稠密物质热力学状态估计

基于能量平衡原理,结合SRIM统计方法,以铝靶为例,对重离子束和强电子束产生高温高密度物质所需的束流参数进行估计,分析各自产生温稠密物质的优缺点。结果显示,从电子辐射能损和束流利用观点来看,1~10MeV电子束产生温稠密物质具有较好的均匀性和较高的利用率;而重离子束加载可以获得较宽区域的温稠密物质。     

阴阳极等离子体运动对强箍缩离子束二极管束流特性的影响

 主要研究了阴阳极等离子体运动对“闪光二号”加速器强箍缩离子束二极管束流特性的影响。给出了考虑阴阳极产生的等离子体运动对二极管间隙影响的Child-langmuir流、弱聚焦流、强聚焦流和饱和顺位流4个阶段的离子流和二极管总束流修正公式，利用这些修正公式计算的二极管总束流和离子束流强度与实测结果符合很好，在此基础上分析了提高离子束流强度和效率的方法，通过调整加速器参数，实验得到了峰值能量约500 keV，峰值电流约160 kA的高功率离子束。     

高功率离子束辐照膜基双层靶温度场的数值研究

采用TRIM程序模拟高功率离子束与铝基钛膜双层靶的相互作用.计算了束流在靶材内的能量沉积及分布情况,并以此沉积能量为热源项,采用有限差分方法求解非线性热传导方程,得到了温度场的分布规律,分析了不同离子流密度对界面物质状态的影响.结果表明,离子束电流密度在100—200 A/cm²之间取值时,脉冲结束后界面处两种物质均达到熔融状态.     

北京慢正电子强束流运行性能测试

慢正电子强束流采用高能脉冲电子束流轰击金属钽靶, 以产生正负电子对的方式提供正电子, 作为慢正电子束流方法学研究和薄膜材料缺陷研究的束流基础. 本文是在该装置实现运行后, 对慢正电子束流的强度、能散、形貌等运行性能的测试工作的介绍, 以及慢正电子湮没多普勒测量系统的调试和标准样品的测量结果.     

强流脉冲离子束辐照双层靶能量沉积的数值模拟

利用拟合实验测得的TEMP Ⅱ型加速器磁绝缘二极管电压波形及其焦点附近束流密度曲线,建立了Gauss分布模型.采用Monte Carlo方法研究了强流脉冲离子束与铝材镀有不同厚度金膜的双层靶(金膜与铝材合称为双层靶)之间的相互作用,模拟了能量沉积的演化过程和随不同金膜厚度的变化情况.对脉冲离子束强化薄膜粘结性进行了探讨. 关键词： 强流脉冲离子束 双层靶 能量沉积 Monte Carlo方法     

Design of the IMP microbeam irradiation system for 100 MeV/u heavy ions

A state-of-the-art high energy heavy ion microbeam irradiation system is constructed at the Institute of Modern Physics of the Chinese Academy of Sciences. This microbeam system operates in both full current intensity mode and single ion mode. It delivers a predefined number of ions to pre-selected targets for research in biology and material science. The characteristic of this microbeam system is high energy and vertical irradiation. A quadrupole focusing system, in combination with a series of slits, has been designed to optimize the spatial resolution. A symmetrically achromatic system leads the beam downwards and serves simulta-neously as an energy analyzer. A high gradient quadrupole triplet finally focuses a C6+ ion beam to 1 μm in the vacuum chamber within the energy range from 10 MeV/u to 100 MeV/u. In this paper, the IMP microbeam system is described in detail. A systematic investigation of the ion beam optics of this microbeam system is presented together with the associated aberrations. Comparison is made between the IMP microbeam system and the other existing systems to further discuss the performance of this microbeam. Then the optimized initial beam parameters are given for high resolution and high hitting efficiency. At last, the experiment platform is briefly introduced.     

Pulse intense metal-ion diode with a vacuum arc plasma anode

An intense pulsed ion beam of metal was extracted from a magnetically insulated ion diode operated in a mode of plasma prefill generated from a vacuum arc discharge, anode plasma source. With this ion diode, an intense metal-ion beam of a high melting-point metal (Ta) was obtained. A variety of operational modes appeared, depending on the amount of plasma in the diode gap at the initiation of the high-voltage pulse. The energy, current, and duration time of the ion beam were 20~100 keV, ~1 kA, and 1 μs, respectively. Measurements of ions were performed with an ion energy analyzer or a biased ion collector located at the end of a long drift tube and a Thomson parabola ion spectrometer. The Ta ions in the first to fifth states of ionization were detected accompanied by C⁺, O⁺, F⁺, and H⁺ . A Ta ion beam current of about half the total ion flux was obtained in this experiment     

Pulsed intense electron beams generated in transient hollow cathodedischarges: fundamentals and applications

For the commercial application of pulsed power, material processing with intense pulsed particle beams is a very interesting subject. Recently, high-voltage (1-70 kV), low-pressure (1-100 Pa) transient hollow-cathode discharges turned out to be sources for pulsed intense electron beam generation suitable for this application. The remarkable parameters of these electron beams-beam currents of 50-1000 A (10-30% of the maximum discharge current) with a high energy component (mean energy of about 0.25-0.75 of maximum applied voltage) of 20-70% of the maximum beam current, power density up to 10 W/cm², beam diameters of 0.1-3 mm, beam charge efficiency of 3-5%-captured the attention not only of the scientific community in the last decade. The electron beam is emitted during the early phases of the discharge, and only weak dependence of the high energetic peak of the beam current was found on the external capacity, which determine the development of the later high-current phases. However, the beam parameters depend on the breakdown voltage, gas pressure, and discharge geometry (including self-capacity). In this paper, the characteristics of the pulsed intense electron beams generated in two configurations-multigap pseudosparks and preionization-controlled open-ended hollow-cathode transient discharges (PCOHC)-are described. Such electron beams already were used successfully in a variety of pulsed power applications in material processing, deposition of superconducting (YBaCuO) and diamond-like thin films, microlithography, electron sources for accelerators, and intense point-like X-ray sources, and some preliminary experiments revealed new potential applications such as pumping of short-wavelength laser active media. These pulsed electron beams could be used further in any kind of pulsed power applications that require high-power density, small or high electron energy, and small-beam diameters     

Application of intense ion beams to planetary physics research at the Facility for Antiprotons and Ion Research facility

This paper presents detailed 2D hydrodynamic simulations of implosion of a multi‐layered cylindrical target that is driven by an intense uranium beam. The target is comprised of a thick, high‐Z, high‐ρ cylindrical shell that encloses a sample material (Fe in the present case). Two options have been used for the focal spot geometry: an annular form and a circular form. The purpose of this work is to show that an intense heavy‐ion beam can induce the extreme physical conditions in the sample material similar to those that exist in the planetary cores. In this study, we use parameters of the beam that will be generated at the Facility for Antiprotons and Ion Research (FAIR), Darmstadt, in a few years' time. Production of these high‐energy‐density (HED) samples will allow us to study planetary physics in the laboratory. It is to be noted that planetary physics research is an important part of the FAIR HED physics program. A dedicated experiment named LAboratory PLAnetary Sciences (LAPLAS) has been proposed for this purpose. These simulations show that in such experiments an Fe sample can be imploded to the Earth's core conditions and to those in more massive rocky planets called Super‐Earths. Similarly, implosion of hydrogen and water samples will generate the core conditions of solar and extrasolar hydrogen‐rich gas giants and water‐rich icy planets, respectively. The LAPLAS experiments will thus provide very valuable information on the equation of state and transport properties of matter under extreme physical conditions, which will help scientists understand the structure and evolution of the planets in our solar system as well as of the extrasolar planets.