文摘

质子的能量损失与90和100 keV能量穿透目标测量,通过氢等离子体,等离子体的电子密度大约是10¹⁶厘米⁻³和电子温度大约是1 - 2电动汽车。发现等离子体中的能量损失的质子显然比在寒冷的气体和实验结果的基础上计算可以证明的是模型的变化有效的质子氢等离子体中的电荷。有效电荷仍1 100 keV质子,而价值90 keV质子减少约0.92。此外,两个经验公式是用来提取有效的电荷。

1。介绍

带电粒子的能量损失问题已经投入大量的调查,这两个理论和实验(1- - - - - -7),离子光束与冷物质之间的相互作用已经得到一个合理的理解,和理论预测是在良好的协议与实验数据(8]。等离子体,然而,作为一个基本的宇宙中物质的状态,只是知之甚少,缺乏可靠的实验数据测试。等离子体物理学的基本问题是相互作用和等离子体的离子光束的能量损失9- - - - - -12]。在这个主题,动态离子等离子体的能量损失是非常重要的发展惯性约束聚变(ICF) (13,14],ion-driven快点火[15,16),和高能量密度物理(HEDP)调查17]。与此同时,它有许多实际应用在医学、材料科学、加速器技术,等等。

离子能量损失的一个中立的气体是由束缚电子的碰撞,同时推导出等离子体中的能量损失与自由电子碰撞……在寒冷的气体目标,范德瓦耳斯碰撞是主导,而在等离子体静电相互作用成为重要的(18]。大量实验数据停止的离子在寒冷的物质积累,离子之间的非弹性碰撞和绑定电子起主导作用19]。然而,只有少数实验数据可用于离子等离子体的停止,离子和自由电子碰撞的盛行和增强的库仑能观察到的损失。

原则上,发现两个主要方面增加离子等离子体的停止:一库仑对数的增加是由于高频离子和自由电子之间的能量转移,另一个是有效的电荷的增加等离子炮弹。弹丸运动的等离子体的电荷状态的动态平衡是由电离和重组。电荷状态预计将高于冷气体,原因可以推导出直接捕捉的横截面的自由电子与束缚电子(20.- - - - - -22]。在等离子体中,离子的能量损失变大的增加充电状态。目前,能量损失的有效电荷理论已经成为一个强大的工具来关联实验数据(6,20.]。

一般来说,沉重的离子的能量损失可以推断只是从质子的能量损失在同样的材料,同样的速度,他们可以通过离子的有效电荷相关(23]。此外,质子的能量损失也是非常重要的对于核聚变和ion-driven快速点火。为了研究重离子的有效电荷状态束等离子交互,质子可以比较测量的能量损失(24,25]。与此同时,质子的能量损失可以作为一个实用的诊断方法测量自由电子在等离子体的密度26]。在应用程序中,P -¹¹B点火的反应提供了一种新的解决方案,共振的能量大约是几百keV的大小(27,28]。因此,质子的能量损失几百keV能量的等离子体融合发展是一个重要的话题。提出使用双原子分子离子和离子群束氢可能也会帮助驱动惯性约束聚变(29日]。此外,集体效应的质子密度等离子体被调查,这是至关重要的设计ion-driven快速点火和惯性约束聚变(30.]。低能政权,100 keV质子氢等离子体中的能量损失测量提出了在我们以前的工作(31日),能量损失增感效应是由于库仑对数就越高。然而,在等离子体被认为有效的质子电荷1,即。的电荷状态进化没有提到。在[32),有效收费100 keV质子氢等离子体的计算和讨论。此外,布拉格峰附近的经验公式已经被用来提取有效电荷(33]。然而,对低能离子等离子体的能量损失机制尚未完全清楚,由于缺乏实验,理论预测也包含大量不确定性(34,35]。

在这项工作中,我们提出一个新的实验数据90 keV能量损失和100 keV质子通过氢等离子体穿透,低能政权和有效电荷状态讨论通过经验公式计算。

2。实验装置

在320千伏高压实验进行了现代物理学研究所的实验平台,中国科学院(IMP, CAS),兰州(36,37]。质子束流提取的电子回旋共振(ECR)离子源和选择由两个90°弯曲磁铁。质子加速到90和100 keV,分别,然后引入一个特殊实验终端离子和等离子体相互作用的调查。实验系统已经在以前的工作中充分描述(31日]。总之,质子光束的光斑尺寸φ1毫米渗透通过氢等离子体的目标。通过等离子体后,0.5米半径弯曲磁偏转45°和耦合时间分辨位敏探测器是用来测量质子的位置。质子的能量仍可获得的立场转变是一个函数的质子的速度和磁场强度。如果质子失去一定的能量(dE在等离子体),即将离任的光束在探测器的位置变化,dx相应的。延迟时间的范围(点火后放电)探测器大约是200 ns-20女士,和的宽度检测时间从10 ns无穷。空间分辨率是70左右μm。一个好的空间分辨率检测器和弯曲的非常稳定的磁场吸引了。质子束的大小只有1毫米对应1 keV能量差。在实验中,梁的距离约为0.5毫米。所以解决能量损失约0.5 keV探测器系统。

根据线性放电等离子体目标Z-pinch几何应用于研究带电粒子的能量损失在电离问题。等离子体将存在于约8μ年代和温度大约是1 - 2电动汽车。Rogowski线圈是用来测量时间放电电流(见图3在[31日),开始为触发脉冲信号检测器来源于前沿电压大于0.89 V。较高的放电电压产生较大的电流强度和更高的电离度,和自由电子密度变大。最大的自由电子密度约为3μ(相对于点火)为不同的放电电压。等离子体线性电子密度决定了激光干涉测量技术(38]。目标中的气体列的长度只有220毫米左右。光束线真空系统的保护气体负荷的目标通过微分抽水。初始压力的氢气范围1∼9 mbar, 10的自由电子密度¹⁶⁻¹⁷厘米⁻³可以在创建这样一个放电。

3所示。结果与讨论

一个典型的100 keV能量损失谱测量质子渗透通过氢等离子体在不同放电时间(初始气体压力是0.81 mbar,电压是3 kV)如图1。数据1(一)和1 (b)显示测量位置的离子检测器在0μ年代和3μ年代的时间,分别。系统能量损失可以通过测量位置在不同放电时间转变。这里,能量损失增加4.07 keV比较寒冷的气体可以在图中找到1。

等离子体状态已经被“库兹涅佐夫”诊断,在我们的实验中,等离子体状态可以由初始气体压力和放电电压根据结果提出了38]。最初的能量损失ΔE100年和90年keV质子被测量是5.02和7.73 keV放电。确定了气体压力是0.81 mbar和1.25 mbar根据Δ来衡量E(见[Zhang et al ., 2020)。详情)。3 kV,放电电压的线性自由电子密度n_f和等离子体的平均电离度3.35∗10¹⁷厘米⁻²和3.75∗10¹⁷厘米⁻²0.76和0.44,分别在高峰阶段的放电(约3μ。线性自由和束缚电子密度可以通过裁判38]。图2显示了自由和束缚电子密度(初始气体压力是0.81 mbar,电压是3 kV),在那里n_b和n_f分别表示的线性约束,自由电子密度。n_f逐渐上升,直到出现放电峰值阶段。然后,它与放电时间逐渐减少。与此同时,n_b相反的发展趋势。

能量损失的变化在整个等离子体寿命记录放电后作为时间的函数,如图所示3理论预测也显示的比较。在我们的实验中,总能量损失约为10%的不确定性主要来自离子束现货的扩大和探测器本身。数据3(一个)和3 (b)代表100 keV和90 keV质子的能量损失在等离子体(放电电压是3 kV),分别。初始气体压力估计0.81 mbar 100 keV质子事件和1.25 mbar 90 keV质子事件。应该注意的是,类似的放电电流的变化趋势,自由电子密度,能量损失的质子作为时间的函数可以观察到在31日]。放电电流和能量损失主要是依赖于自由电子密度的等离子体,第一1微秒,放电电流和能量损失不是很稳定(见文献[31日]),这可能是由于快速变化的电磁场的开始。它导致能量损失的减少放电(0 - 1的开始μ。的现象,然而,尚未明确的,类似的案例也参中发现。(39,40]。当放电电流达到最大值约为3μ年代卸货后,颞梯度电磁场和等离子体参数的最小值。因此,能量损失达到最大大约在3μ年代的等离子体达到最稳定的状态。我们选择相对稳定的等离子体状态的实验数据从2到4μ进行下面的讨论。

部分电离等离子体目标,入射离子失去能量通过级联碰撞与自由电子和/或绑定电子。考虑等离子体的均匀性目标和(几乎为零)阻止本领的斜率函数在这个能源体制,逐步集成没有必要和总能量损失可以表示如下: 在哪里l= 15.6厘米是等离子体长度和目标(dE /dx]_免费的和(dE /dx]_绑定代表了自由电子阻止本领和束缚电子,分别。

据是模型,制动能力方面的自由电子,电子可以表示如下: 在哪里 等离子体频率,Z_eff弹丸有效电荷状态,表示弹丸速度,米_e和e电子质量和电荷,n_是和n_菲自由电子的密度和束缚电子,分别的电离度被认为是。我=ħϖ是原子的平均激发能的目标,这是15 eV氢原子[41]。

在目前的工作,当Z_eff选为1,实验数据为100 keV质子事件可以复制是理论的预测,这是符合我们之前的结果(31日]。然而,对于90 keV质子事件,理论计算显然高估了实验数据的2倍,这可能是由于质子的电荷状态演化在等离子体42]。

在[42),经典轨迹计算被用来预测电荷转移和碰撞电离截面H的碰撞⁺的速度范围2 - 7×10 - h⁸厘米/秒,相当于离子的速度在我们的实验。这里的电荷交换截面对应于一个捕捉到任何束缚态的离子,即总俘获截面而不是只捕捉到基态。抛射体电荷状态是由总electron-loss横截面(电荷交换碰撞电离)之和。我们可以清楚地看到,碰撞电离截面100 keV以上100 keV H⁺- h碰撞为主。这意味着,在这种情况下,可以忽略电荷转移横截面,截面的减少与入射能量的增加,而对于低于100 keV H⁺- h碰撞,总electron-loss横截面是由电荷转移横截面和碰撞电离截面。因此,电荷状态演化效应需要考虑低于100 keV H⁺- h碰撞。基于上面的讨论中,当Z_eff= 1,理论预测90 keV质子事件高估了实验数据,这可以解释为电荷状态演化的影响。有关实验现象与质子的有效电荷的变化在等离子体到目前为止还没有被报道。在我们的实验中,对低能政权,当入射能量是100 keV,质子的有效电荷等于1。90 keV质子事件时,电荷状态进化需要考虑,Z_eff应该小于1 (42]。

在目前的工作,有效的90 keV质子氢等离子体可以通过一些经验公式计算。Kreussler et al。43)表明,抛射体离子的电荷平衡状态可以用来估计能量损失。平衡电荷状态依赖于弹体的相对速度电子的目标 ,的所有可能的方向向量被认为是,给出的是哪一个

在等离子体中,电子的速度是由其相应的自由电子的费米速度和热速度: 在哪里T等离子体温度,E_F费米能级,k_B是Boltzman常数。然后计算了有效的充电状态 在哪里Z抛射体原子序数。

此外,格斯'kov et al。23)提出了一个类似的模式,有效电荷被定义为以下关系:

在这里,典型的参数是由

Kreussler模型中,Z_eff等于0.861。在格斯'kov模型的价值Z_eff是0.832。图4显示了两个实证模型的理论计算,他们都低估了实验数据。主要原因是参数只考虑入射离子在两个经验公式,而目标属性将被忽略。在我们的实验中,等离子体部分电离,电离程度应考虑(32]。

中性物质相比,等离子体不同的组件(原子、离子和电子)和组件密度取决于等离子体温度和密度。为了描述入射离子之间的相互作用和等离子,过程的速率常数,即N<υσ> (⁻¹)[44]。麦克斯韦分布常数平均数量的粒子速度 ;在这里,N是粒子密度的等离子体。因此,在目前的工作中,等离子体的电离程度的计算需要考虑弹丸的有效电荷。此外,经验公式,它是必要的平均值的相对速度和波动量也需要考虑(23]。

这项工作的价值Z_eff发现约0.92,理论预测与实验数据,给出了很好的描述如图4。在[45,46),达到更好的协议与实验数据,各种典型参数的表达式(5)已被使用。在这里,表达式(5)可以修改如下:

因此,我们的实验结果可以复制的理论预测。

类似的计算100 keV质子也适用。格斯'kov和Kreussler模型基础上,的值Z_eff分别是0.846和0.864。他们都低估了实验数据,如图5。计算出的有效电荷等于0.93修改后的实证模型。在给出的值是一致的结果32),电子都假定为捕获到弹丸基态。图5代表修改经验模型的理论预测与实验数据的协议范围内的错误。它暗示有效收费100 keV质子在等离子体也需要考虑,如[32]。不符合的情况下(中性物质42]。与此同时,在我们以前的工作,有效的收费100 keV质子是选为1是任意的。然而,详细的和进一步的实验测量是必要的,以及如何添加目标属性的经验公式仍然需要进一步的理论研究。

4所示。总结

质子的能量损失90 keV和100 keV的初始能量穿透通过氢等离子体测量。增强等离子体相比,冷气体的能量损失,这是符合我们以前的工作。在我们的调查中,然而,当Z_eff= 1,100 keV质子可以被描述的实验数据是模型的理论预测,虽然失败90 keV的情况下,在理论计算高估了实验数据。我们应用电荷状态演化,讨论实验结果,在低能政权,电荷状态仍然是大于100 1 keV质子,而电荷状态进化需要考虑与入射能量的降低。为了重现实验结果,这两个经验公式是用来提取有效的电荷。在目前的工作,理论计算的有效电荷提取两个经验公式都低估了实验数据,主要认为不能称为等离子体的电离度经验公式。根据我们的实验结果,提出了一种经验公式的修改,实验数据可以复制。此外,该系统测量质子能量损失和电荷状态分布在未来将进行。

数据可用性

可以根据客户要求提供数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的工作是主要的中国国家基础研究发展计划(2017 yfa0402300)和中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委,批准号。11775278,11775042,11875096,和U1532263)。作者真诚地承认HIFRL-ECR集团的技术支持。