等离子体射流在一种电磁质量分离器中的运动特性研究

发布时间：2020-10-25 22:46

　　 同位素在科研、工业以及国防等领域有广泛的应用,同位素分离的技术水平是衡量国家实力的重要指标。通过将工作物质电离形成带电粒子,并利用电磁场对带电粒子的强大作用力实现工作物质质量分离的方法,相比传统同位素分离方法具有更大的发展潜力。其中采用电子闭合漂移等离子体推进器作为等离子体射流源,结合电磁法和等离子体离心法优点设计出来的新型等离子体射流质量分离器是目前最具发展前景的同位素分离设备之一。研制等离子体射流质量分离器的重点和难点是研究等离子体射流在电磁场中的运动特性,并利用电磁场控制等离子体射流实现加速、偏转、聚焦等复杂运动状态的转变。文章首先设计了可以在高放电电压模式下稳定工作的新型等离子体射流源,并观察到等离子体源存在大量离子“异常加速”现象。在实验研究中了解到气压、放电电流、放电电压以及工作物质种类都会影响到离子的能量分布,且离子“异常加速”现象在阳极磁感应强度处于一定范围内时较为明显。基于对离子能量分布曲线的研究,提出“虚阳极”理论解释离子的“异常加速”现象,即正离子的积累导致阳极附近的电离区电势高于阳极。以“虚阳极”理论为基础构建磁流体数学模型,数值计算结果与实验数据有较好的一致性。其次,基于磁流体力学分析了电子横越磁场的输运机制和影响因素,通过研究电子与绝缘壁面的碰撞的运动过程,证明近绝缘壁输运和其他两种输运方式共同决定了电子横越磁场的运动特性。通过拟合方法构建绝缘壁面的二次电子发射模型,在此基础上采用PIC粒子网格方法对鞘层进行数值模拟,研究磁感应强度、工作物质种类、电子温度以及壁面材料二次电子发射系数对鞘层结构的影响并统计电子与绝缘壁面的碰撞通量。再次,基于单粒子轨道理论研究了离子在径向磁场中的运动特性。结合电子横越磁场输运机制构建PIC粒子网格模型,对等离子体射流在径向磁场中的运动特性进行数值研究,给出角向加速器通道内等离子体密度分布、电势分布和离子角向速度。数值模拟结果显示角向加速器存在破坏等离子体电中性的缺陷,对质量分离将产生不利影响。分析缺陷产生的原因,提出角向加速器改进方案。推导了不同补偿程度下离子能量和半径的关系式,结合实验数据证明了数值模拟结果的正确性以及角向加速器结构改进方案的有效性。最后,基于单粒子轨道理论从运动轨迹和运动能量两方面定性研究了离子在聚焦器中的运动机理,并总结射流运动规律。采用PIC粒子网格方法模拟了等离子体射流在聚焦器中的运动轨迹,探讨发散角、质量差和离子能量分布范围对射流光斑和质量分离距离的影响。PIC模拟结果与单粒子轨道理论总结得到的规律一致。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O53;O441
【部分图文】：

[24-26]。图1-1 等离子体离心机示意图Fig.1-1 The structure of plasma centrifuge3. 离子回旋共振法离子回旋共振法由 Аскарьян 和其他学者于 1975 年提出，其基本原理是将需要分离的混合物蒸气电离，并形成沿恒磁场方向的磁化等离子体流；对需要分离出来的同位素离子进行回旋加速选择性加热，使该离子的拉莫尔半径逐渐增大；最后将被加热的离子沉积在收集器上。上世纪 80 年代西方国家建造了几台离子回旋共振质量分离器的实验样机，如美国橡树岭（Oak RidgeNational Laboratory）的 PPM 实验装置和法国 Cakl 研究中心的 ERIC 实验装置，但分离效果并不理想。该方法的主要优点是分离系数高，产量大；缺点是回旋共振加热过程非常复杂，工程实现难度较大，尚停留在基础理论研究阶段[27-31]。经过数十年的发展，离子/等离子体质量分离器仍然没有实现工业规模生产

第 1 章 绪 论电磁场中，电子形成闭合霍尔漂移，，并沉积于聚焦点处的收集器。流质量分离器领域，最先进行研究的IREA）的 А И Морозов 教授科研团队系统的描述，考虑了两种等离子光学方案，给出了按照分离离子的模型装尔库斯克科技大学物理与技术研究所实验研究前需要解决的一些关键问题子体质量分离器分离核乏料（由超铀6]。②给出了聚焦器空间中轴向磁场以时轨迹影响程度的理论研究结果，分③通过理论研究和数值模拟确定了多质量分离器初步的结构设计方案[38]。

第 2 章 等离子体射流源加速性能的研究极在通道内形成轴向电场，电场和磁场相互正交。通道，在正交电磁场作用下沿着角向（同时垂直于尔漂移（Hall drifting）。电子的霍尔漂移在圆环结流，电子与工作气体原子碰撞的概率很高，因此新等离子体源。此外，在磁场的束缚作用下，电子无免了短路电流的出现和电子直接与阳极碰撞所造成合物）在缓冲区均匀化后进入通道并与霍尔漂移的生成离子和电子，离子在轴向电场的作用下加速射另一部分电子中和，并形成准中性的等离子体射流
【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 赵海龙;刘洪臣;王春生;张乐;江滨浩;;正交电磁场中粒子束的质量聚焦及粒子轨迹[J];强激光与粒子束;2015年05期

2 赵海龙;王春生;刘洪臣;张乐;江滨浩;;非均匀磁场中等离子体射流质量色散强度[J];强激光与粒子束;2014年11期

3 赵海龙;贾柏森;刘洪臣;王春生;江滨浩;;径向电场中带电粒子束的质量分离[J];原子能科学技术;2014年S1期

4 段萍;曹安宁;沈鸿娟;周新维;覃海娟;刘金远;卿绍伟;;电子温度对霍尔推进器等离子体鞘层特性的影响[J];物理学报;2013年20期

5 王心亮;叶丹;顾璠;;等离子体射流在磁场作用下的特性模拟[J];中国电机工程学报;2008年05期

6 刘纯亮,张晓金,李永东,梁颖亮;轴对称系统等离子体数值模拟电荷、电流分配CIC方法[J];计算物理;2001年02期

7 曹晋滨,汪学毅,周国成,陈涛;低轨道磁化等离子体中运动航天器等离子体鞘层特性[J];地球物理学报;2000年04期

相关博士学位论文 前1条

1 周俊;电磁粒子模拟方法及其应用研究[D];电子科技大学;2009年

相关硕士学位论文 前3条

1 刘钰芳;各向异性等离子体中量子和半相对论效应对Weibel不稳定性的影响[D];南昌大学;2014年

2 李雪松;基于LabVIEW的霍尔推力器羽流诊断系统[D];上海交通大学;2014年

3 疏舒;壁面二次电子发射对SPT鞘层及近壁传导的影响研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

本文编号：2856070