碳和氘离子对偏滤器靶板粗糙表面侵蚀和沉积行为模拟

发布时间：2020-07-03 14:55

【摘要】：托卡马克聚变装置中,高温高密度等离子体与器壁相互作用是影响器壁寿命的关键因素,也是衡量聚变装置性能的重要指标。偏滤器粗糙表面上发生的侵蚀和沉积行为,在实验中被广泛观测到。三维蒙特卡洛代码SURO成功模拟了TEXTOR聚变装置限制器粗糙表面的碳沉积行为,并与实验结果符合较好。当下,边界等离子体与粗糙表面相互作用的研究是边界等离子体领域的重要方向,相关研究的开展是十分有必要的。而三维模拟方法能更加精确地计算出侵蚀量和沉积量,使得侵蚀和沉积行为的数值模拟正越来越接近真实的物理过程。本文运用三维蒙特卡洛程序SURO和一维粒子模拟程序SDPIC,研究EAST聚变装置等离子体环境下,碳和氘离子对偏滤器靶板粗糙表面的侵蚀和沉积行为。分别针对碳离子单独轰击、碳和氘离子共同轰击两种状态下,对碳靶板和钨靶板两种基底材料的侵蚀和沉积行为进行数值模拟。研究过程中,通过粒子模拟程序SDPIC,模拟偏滤器区域等离子体输运行为,计算得到粒子轰击到偏滤器靶板的粒子流分布、能流分布和角度分布。将SDPIC程序得到的结果,作为输入参数传递给SURO程序,进一步研究粗糙表面与等离子体相互作用的相关问题。模型中,考虑了粒子与基底的相互作用层中不同材料的混合效应,与解析方法相比,更接近客观物理事实。首先,模拟针对碳离子单独轰击靶板的情况,对侵蚀量和沉积量的时空分布进行模拟。对两种不同粗糙度的碳和钨靶板,模拟得到基底侵蚀量局域密度的三维分布图。对于不同碳离子流相对浓度1%、3%、6%、7%和8%,计算出碳和钨靶板侵蚀量,以及背景碳离子的沉积量,并绘制出侵蚀量和沉积量对碳离子相对浓度的扫描分布图。在碳离子单独轰击靶板的情况下,基底侵蚀量与基底表面粗糙度有关。侵蚀和沉积分布具有规律性,表面形貌的凸起位置更容易发生侵蚀,凹陷位置更容易发生沉积。对于同种材料的基底,相同粒子流轰击时,表面粗糙度越大,侵蚀量越小。这是因为,粗糙表面带来更强的表面内部反射效应,使得被侵蚀出来的粒子更难逃离表面。比较不同材料,当其他条件相同时,碳的侵蚀量要比钨大。这是由于钨的溅射阈值比碳要高。同时,不同相对浓度的碳离子轰击时,基底侵蚀量基本保持不变。这是由于碳沉积层对基底材料的保护作用。进一步,研究针对在碳和氘离子共同轰击靶板的情况,对碳和钨靶板的侵蚀量和沉积量进行模拟。同时,与只用碳离子单独轰击的模拟结果进行对比,分析侵蚀与沉积行为特征。第一,对侵蚀量和沉积量随时间的演化进行模拟。针对背景碳离子的沉积量、碳靶板的侵蚀量、钨靶板的侵蚀量,绘制出时间分布图,并与上部分碳离子单独轰击的情况进行对比。模拟中,分别选取了1%和8%的碳离子相对浓度。可以看出,碳离子相对浓度较低(1%)时,钨基底侵蚀量相对较小。表面形貌保留相对完整,对沉积的背景碳离子起到保护作用,从而使碳离子沉积量不断增加。碳离子相对浓度为8%时,较强的轰击,使得碳和钨靶板表面形貌均发生改变,碳离子沉积量不断增加。第二,选取1%和8%的碳离子相对浓度,模拟出1000s时刻的侵蚀和沉积行为,计算碳和钨靶板的沉积量,并绘制出此刻沉积量分布图样。分析碳和钨靶板在不同相对浓度下的沉积图样,发现1%碳离子轰击下,钨靶板的表面形貌对沉积的粒子起保护作用。这与时间演化图得到的结论相符合。第三,针对碳和氘离子共同轰击情况,计算出相对浓度1%、3%、6%、7%、8%和10%时的侵蚀量和沉积量,绘制出侵蚀量和沉积量对背景碳离子相对浓度的扫描分布图。分析得出,在背景碳离子相对浓度从小到大变化过程中,靶板表面形貌的演变会对侵蚀和沉积产生影响,同时,靶板会从侵蚀主导态,转变到沉积主导态。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL631.24

【参考文献】