大功率射频负氢离子源中的等离子体诊断与输运过程研究

发布时间：2020-05-31 09:53

【摘要】：中性束注入(Neutral Beam Injector, NBI)是国际受控热核聚变堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)主要的辅助加热方式之一,而高性能负离子源(Negative Ion source, NI)是中性束系统中最关键的一个部分。根据ITER的设计要求,负离子源中需要引出48A的H-(或40A的D-),如此大的负离子电流,对于目前的离子源技术来说是一个很大的挑战。德国等离子物理研究所(IPP)在其小型实验平台"BATMAN"装置上采用了过滤磁场技术,达到了引出的负氢离子电流为300A/m2,D2为工作气体时引出的负离子电流为200A/m2,引出的电子与负离子比例小于1,功率脉冲时间为6s的优良性能,证明了过滤磁场技术在负氢离子源上应用的可行性。过滤磁场的作用是将激励段产生的10eV以上的高温电子冷却到1eV以下,以减少引出栅极附近的负离子的损失。有关过滤磁场的作用机制至今仍不完全清楚,过滤磁场的设计强烈依赖于试验。如果能够清楚地理解等离子体在过滤磁场中的输运过程,就可以对过滤磁场的设计提出明确的理论依据,并与激励段的优化相结合,从而对整个负离子源的结构提出优化,提高负离子源的整体性能。目前,所有关于过滤磁场的研究都是实验性的,IPP为了寻找过滤磁场的最优设计仍然在"BATMAN"装置上进行实验。华中科技大学(Huazhong University of Science and Technology, HUST)于2011年9月在科技部的支持下,承担了"ITER高频负离子源激励器的关键技术与工程研究”的项目,目标是研制一台类似于BATMAN的单激励器、短脉冲工作模式实验装置。在HUST目前的工作基础上,进行了过滤磁场的初步设计,并采用PIC/MC (Particle-in-cell/Monte Carlo)数值模拟技术,对等离子体穿越过滤磁场的物理过程进行了研究,为过滤磁场的优化和设计提供指导与参考。本文的内容主要分为四个部分,第一部分是关于PIC/MC模型的算法研究,包括第二章；第二部分是HUST圆柱型过滤磁场的设计,包括了第三章；第三部分,是对过滤磁场的数值模拟研究,包括第四章;第四部分是对HUST大功率负氢离子源的诊断结果进行了说明,包括了第五章。在第二章中,介绍了PIC/MC的一般数值方法,简述了算法的一般步骤,包括了超粒子模型,电荷的累积,粒子推进以及空间电场求解的一般方法。在MC部分,重点介绍了粒子的抽样，粒子间碰撞类型，碰撞后的速度处理等。在该部分，对部分算法进行了优化,以提高计算的效率。引入了基于线性多步法的粒子推进算法,能够在与传统跳步法相同计算量的情况下使运动方程的求解精度与4阶龙格库塔法接近。在二维的空间电场求解中,采用了共轭梯度法,该算法比传统的高斯迭代和超松弛迭代等算法在计算速度上有了大幅的提高。在第三章中,对BATMAN装置的过滤磁场进行了有限元的分析,在这基础上,根据HUST的圆柱型扩展腔设计了一种不同于BATMAN跑道型的过滤磁场场型。在对HUST和IPP的过滤磁场进行比较后,提出了形状因子这一能够表征两种过滤磁场的特征参数。在第四章中,通过一维和二维的数值模拟,研究了过滤磁场对等离子体输运过程的一般作用规律。过滤磁场将扩展腔区域分成了等离子体参数有明显区别的两个部分,等离子体密度和电子温度较高的激励区以及等离子体密度和电子温度相对较低的引出区。采用单粒子模型研究了电子在过滤磁场中的运动规律,对电子穿越过滤磁场的机理进行了研究,并采用了一维的数值模拟,提出了电子穿越过滤磁场的主要作用机理是碰撞。在此基础上,研究了不同的过滤磁场场型下的空间等离子体参数。在形状因子不变时,引出区的等离子体密度和电子温度都随着磁场最大值的增大而减小,而在磁场最大值不变时,引出区的等离子体密度和电子温度随着形状因子的减小而增大。最后总结了磁场在引出路径上的一次积分值对引出区的等离子体参数的影响,随着磁场一次积分值的增大,引出区的等离子体密度和电子温度都会减小。因此在引出区无法同时满足低的电子温度和高的等离子体密度这两个能够都有利于增大负氢离子电流的条件,所以过滤磁场的设计存在一个最佳的权衡的值。在第五章中,对HUST大功率负氢离子源的诊断系统进行了详细的介绍,并给出了等离子体参数随射频功率的变化规律,以及沿着引出路径上的分布规律。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL629.1

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