低能离子束在等离子体靶中的能损研究

来源 :中国科学院研究生院(近代物理研究所) | 被引量 : 2次 | 上传用户:onewxf
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在核聚变与等离子体物理领域,离子束在等离子体中的能量沉积与输运过程是“重离子束驱动高能量密度物质”、“热核聚变反应堆能量输运”、“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”等前沿研究中最关键的物理问题之一。目前在低能区离子束与等离子体相互作用的实验研究相对较少,不同理论与模拟数据之间可能有30%甚至量级上的差距,这些理论及模拟模型亟需高精度实验进行检验和完善。本文介绍了在中国科学院近代物理研究所320 k V综合实验研究平台上开展的低能离子束与等离子体相互作用实验,分析了100 ke V质子束与400 ke V氦离子束穿过等离子体后的能量损失以及相对等量气体的阻止本领增强效应。实验中所用的等离子体靶通过气体放电方式产生,使用罗氏线圈测量瞬时放电电流,激光干涉方法诊断等离子体状态。实验中放电电压为3-5 k V,初始气压为1-8 mbar,产生的等离子体靶自由电子密度可达1016 cm-3,电子温度约为1-2 e V,分别在不同延迟时间下测量了质子和He2+离子的能量损失。研究发现离子束的能损和等离子体靶中自由电子密度密切相关,他们都与放电电流有相同的时间变化趋势:随时间先增大后减小,并且在相同时间点达到最大值。在质子能损实验中,根据实验测量结果和诊断结果,计算了等离子体靶相对气体靶的能量损失增强因子,以及自由电子相对气体靶中束缚电子的阻止本领增强倍数,并将我们的结果与前人研究结果进行了比较,讨论了阻止本领增强倍数与入射离子能量的关系:即入射能量越低,阻止本领增强效应越明显。此外,我们还计算了自由电子库仑对数,发现在误差范围内与理论计算值能很好的符合。在He2+离子能损实验中,我们研究了不同放电电压,不同初始气压对能量损失的影响,发现两者对能量损失的影响非常显著,能量损失随放电电压和初始气压增大而增大。同时,还根据峰值处的能量损失粗略估算了氦离子在我们实验条件下产生的部分电离等离子体靶中的有效电荷,其值小于2但明显大于用经验公式计算的气体靶中的有效电荷。
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