射频负离子源氢等离子体碰撞辐射模型和发射光谱诊断研究

发布时间：2020-08-17 13:40

【摘要】：射频负离子源是大型磁约束核聚变装置中性束注入系统的核心部件,如何生成和引出高密度的负离子是研究的难点和热点。负离子的形成涉及非常复杂的物理化学过程,要优化负离子形成必须获知相应的等离子体参数。发射光谱诊断是一种非侵入式的诊断方法,是大型离子源必备的诊断工具。利用发射光谱进行参数诊断需要碰撞辐射模型或日冕模型来建立发射光谱同等离子体参数之间的关系。本文针对华中科技大学(HUST)射频负离子源等离子体发射光谱诊断建立了氢原子碰撞辐射模型和氢分子日冕模型,并开发了一套集模型计算和光谱诊断功能的软件。本文首先建立了包含激发态氢原子多种激发机制的碰撞辐射模型,根据HUST离子源等离子体的典型参数,分析了离子源不同位置处各个激发机制所占的比重。在激励器,氢原子直接激发、氢分子解离和氢分子离子解离复合是主要的激发机制,其中氢原子直接激发占70%以上;在等离子体栅极附近,氢原子直接激发和氢分子离子解离复合是主要的激发机制,对于H(3),负氢离子中性化过程不可忽略。探究了电子能量分布函数对碰撞辐射模型计算结果的影响,麦克斯韦分布在低电子温度下有更高的激发态粒子密度,Druyvesteyn分布在较高的电子温度下激发态粒子密度较高,且当电子温度较低时分布函数的影响更明显。如果电子温度或电子密度增加的同时伴随着电子能量分布函数从麦克斯韦向Druyvesteyn分布转换,激发态粒子密度可能保持不变甚至有所降低。建立了包含氢分子振转能级的日冕模型,利用该模型探究了氢分子不同基态振/转能级粒子对激发态氢分子振/转能级粒子的贡献。指出在不同电子温度和振动温度下,基态振动能级贡献率的演变可划分为最低振动能级主导区域,振动温度和弗兰克康登因子共同影响区域以及弗兰克康登因子影响区域三个区域。给出了基于上述模型利用发射光谱诊断等离子体参数的方法,并开发了一款集氢原子碰撞辐射模型计算、氢分子日冕模型计算以及发射光谱诊断功能为一体的软件HUSTCRM,最后介绍了HUST离子源发射光谱诊断系统。本文工作有助于深入理解负氢离子源的工作机制,同时也为下一步负氢离子源等离子体的发射光谱诊断打下了坚实的基础。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631
【图文】：

中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论1 绪论景入(Neutral Beam Injection, NBI)加热是磁约束核聚变实验。离子源是中性束注入装置的源头，它产生的高能离子束装置中，是中性束注入装置的关键部件。射频负离子源是约束核聚变装置参数要求且长期免维护运行的离子源类[1](International Thermo-nuclear Experiment Reactor, ITER规划建设的中国核聚变工程实验堆[3](Chinese Fusion EngR)中性束系统拟采用的离子源类型[4]。

图 1-2 HUST 射频负离子源实验平台总体设计类问题涉及一系列复杂的物理化学过程，而相关的等离子体程的重要因素。因此，对离子源等离子体参数进行诊断可有题，诊断结果可用来指导、优化工程实践，也可用于启发、谱(OpticalEmissionSpectroscopy,OES)诊断是一种原位、非来诊断电子温度[6, 14, 35, 36]、电子密度[6, 14, 35-38]、气体温度[6, 11, 42]、氢原子密度[6, 14, 43]、负氢离子密度[44]以及 Cs 密度[45]针诊断比较起来，发射光谱诊断几乎不受射频干扰，在射青睐，对负离子源的发展起了巨大的推动作用。发射光谱诊置必备的诊断工具[46-48]。低温低压等离子体中，要解读光谱数据获取等离子体参数为谱线强度直接反映激发态的粒子密度，并不直接与电子体参数相关。碰撞辐射模型或日冕模型则为粒子的每一个，在该方程中考虑了等离子体中各种反应过程，给定等离子

光谱诊断和等离子体粒子模型光谱诊断是通过分析等离子体的发射谱线来诊断等离子体参数的 跃迁到低能级 k 的谱线绝对线强度[49]( )pk pkI n p A p)是处于 p 能级的粒子密度，Apk是爱因斯坦自发辐射跃迁概率。经过绝对标定[49]之后，则 Ipk可由光谱图获得。换言之，从光谱图粒子密度。模型是描述等离子体中各能级粒子分布状态的模型，它建立了等度、电子温度等)同激发态粒子密度之间的关系。图 2-2 展示了等子体粒子模型和发射光谱之间的关系，从正向(红色实线)来看，根用等离子体粒子模型可以预测发射光谱的谱线强度，从逆向(蓝色结合等离子体粒子模型可以反推出等离子体参数。由此可见，等离射光谱诊断的理论基础。

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本文编号：2795398