同位素在科研、工業(yè)以及國防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,同位素分離的技術(shù)水平是衡量國家實(shí)力的重要指標(biāo)。通過將工作物質(zhì)電離形成帶電粒子,并利用電磁場對帶電粒子的強(qiáng)大作用力實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)質(zhì)量分離的方法,相比傳統(tǒng)同位素分離方法具有更大的發(fā)展?jié)摿�。其中采用電子閉合漂移等離子體推進(jìn)器作為等離子體射流源,結(jié)合電磁法和等離子體離心法優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出來的新型等離子體射流質(zhì)量分離器是目前最具發(fā)展前景的同位素分離設(shè)備之一。研制等離子體射流質(zhì)量分離器的重點(diǎn)和難點(diǎn)是研究等離子體射流在電磁場中的運(yùn)動特性,并利用電磁場控制等離子體射流實(shí)現(xiàn)加速、偏轉(zhuǎn)、聚焦等復(fù)雜運(yùn)動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。文章首先設(shè)計(jì)了可以在高放電電壓模式下穩(wěn)定工作的新型等離子體射流源,并觀察到等離子體源存在大量離子“異常加速”現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)研究中了解到氣壓、放電電流、放電電壓以及工作物質(zhì)種類都會影響到離子的能量分布,且離子“異常加速”現(xiàn)象在陽極磁感應(yīng)強(qiáng)度處于一定范圍內(nèi)時較為明顯�；趯﹄x子能量分布曲線的研究,提出“虛陽極”理論解釋離子的“異常加速”現(xiàn)象,即正離子的積累導(dǎo)致陽極附近的電離區(qū)電勢高于陽極。以“虛陽極”理論為基礎(chǔ)構(gòu)建磁流體數(shù)學(xué)模型,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的一致性。其次,基于磁流體力學(xué)分析了電子橫越磁場的輸運(yùn)機(jī)制和影響因素,通過研究電子與絕緣壁面的碰撞的運(yùn)動過程,證明近絕緣壁輸運(yùn)和其他兩種輸運(yùn)方式共同決定了電子橫越磁場的運(yùn)動特性。通過擬合方法構(gòu)建絕緣壁面的二次電子發(fā)射模型,在此基礎(chǔ)上采用PIC粒子網(wǎng)格方法對鞘層進(jìn)行數(shù)值模擬,研究磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作物質(zhì)種類、電子溫度以及壁面材料二次電子發(fā)射系數(shù)對鞘層結(jié)構(gòu)的影響并統(tǒng)計(jì)電子與絕緣壁面的碰撞通量。再次,基于單粒子軌道理論研究了離子在徑向磁場中的運(yùn)動特性。結(jié)合電子橫越磁場輸運(yùn)機(jī)制構(gòu)建PIC粒子網(wǎng)格模型,對等離子體射流在徑向磁場中的運(yùn)動特性進(jìn)行數(shù)值研究,給出角向加速器通道內(nèi)等離子體密度分布、電勢分布和離子角向速度。數(shù)值模擬結(jié)果顯示角向加速器存在破壞等離子體電中性的缺陷,對質(zhì)量分離將產(chǎn)生不利影響。分析缺陷產(chǎn)生的原因,提出角向加速器改進(jìn)方案。推導(dǎo)了不同補(bǔ)償程度下離子能量和半徑的關(guān)系式,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性以及角向加速器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的有效性。最后,基于單粒子軌道理論從運(yùn)動軌跡和運(yùn)動能量兩方面定性研究了離子在聚焦器中的運(yùn)動機(jī)理,并總結(jié)射流運(yùn)動規(guī)律。采用PIC粒子網(wǎng)格方法模擬了等離子體射流在聚焦器中的運(yùn)動軌跡,探討發(fā)散角、質(zhì)量差和離子能量分布范圍對射流光斑和質(zhì)量分離距離的影響。PIC模擬結(jié)果與單粒子軌道理論總結(jié)得到的規(guī)律一致。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O53;O441
【部分圖文】：

[24-26]。圖1-1 等離子體離心機(jī)示意圖Fig.1-1 The structure of plasma centrifuge3. 離子回旋共振法離子回旋共振法由 Аскарьян 和其他學(xué)者于 1975 年提出，其基本原理是將需要分離的混合物蒸氣電離，并形成沿恒磁場方向的磁化等離子體流；對需要分離出來的同位素離子進(jìn)行回旋加速選擇性加熱，使該離子的拉莫爾半徑逐漸增大；最后將被加熱的離子沉積在收集器上。上世紀(jì) 80 年代西方國家建造了幾臺離子回旋共振質(zhì)量分離器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如美國橡樹嶺（Oak RidgeNational Laboratory）的 PPM 實(shí)驗(yàn)裝置和法國 Cakl 研究中心的 ERIC 實(shí)驗(yàn)裝置，但分離效果并不理想。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是分離系數(shù)高，產(chǎn)量大；缺點(diǎn)是回旋共振加熱過程非常復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)難度較大，尚停留在基礎(chǔ)理論研究階段[27-31]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，離子/等離子體質(zhì)量分離器仍然沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)

第 1 章 緒 論電磁場中，電子形成閉合霍爾漂移，，并沉積于聚焦點(diǎn)處的收集器。流質(zhì)量分離器領(lǐng)域，最先進(jìn)行研究的IREA）的 А И Морозов 教授科研團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)的描述，考慮了兩種等離子光學(xué)方案，給出了按照分離離子的模型裝爾庫斯克科技大學(xué)物理與技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)研究前需要解決的一些關(guān)鍵問題子體質(zhì)量分離器分離核乏料（由超鈾6]。②給出了聚焦器空間中軸向磁場以時軌跡影響程度的理論研究結(jié)果，分③通過理論研究和數(shù)值模擬確定了多質(zhì)量分離器初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[38]。

第 2 章 等離子體射流源加速性能的研究極在通道內(nèi)形成軸向電場，電場和磁場相互正交。通道，在正交電磁場作用下沿著角向（同時垂直于爾漂移（Hall drifting）。電子的霍爾漂移在圓環(huán)結(jié)流，電子與工作氣體原子碰撞的概率很高，因此新等離子體源。此外，在磁場的束縛作用下，電子無免了短路電流的出現(xiàn)和電子直接與陽極碰撞所造成合物）在緩沖區(qū)均勻化后進(jìn)入通道并與霍爾漂移的生成離子和電子，離子在軸向電場的作用下加速射另一部分電子中和，并形成準(zhǔn)中性的等離子體射流
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 趙海龍;劉洪臣;王春生;張樂;江濱浩;;正交電磁場中粒子束的質(zhì)量聚焦及粒子軌跡[J];強(qiáng)激光與粒子束;2015年05期

2 趙海龍;王春生;劉洪臣;張樂;江濱浩;;非均勻磁場中等離子體射流質(zhì)量色散強(qiáng)度[J];強(qiáng)激光與粒子束;2014年11期

3 趙海龍;賈柏森;劉洪臣;王春生;江濱浩;;徑向電場中帶電粒子束的質(zhì)量分離[J];原子能科學(xué)技術(shù);2014年S1期

4 段萍;曹安寧;沈鴻娟;周新維;覃海娟;劉金遠(yuǎn);卿紹偉;;電子溫度對霍爾推進(jìn)器等離子體鞘層特性的影響[J];物理學(xué)報;2013年20期

5 王心亮;葉丹;顧璠;;等離子體射流在磁場作用下的特性模擬[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2008年05期

6 劉純亮,張曉金,李永東,梁穎亮;軸對稱系統(tǒng)等離子體數(shù)值模擬電荷、電流分配CIC方法[J];計(jì)算物理;2001年02期

7 曹晉濱,汪學(xué)毅,周國成,陳濤;低軌道磁化等離子體中運(yùn)動航天器等離子體鞘層特性[J];地球物理學(xué)報;2000年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 周俊;電磁粒子模擬方法及其應(yīng)用研究[D];電子科技大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 劉鈺芳;各向異性等離子體中量子和半相對論效應(yīng)對Weibel不穩(wěn)定性的影響[D];南昌大學(xué);2014年

2 李雪松;基于LabVIEW的霍爾推力器羽流診斷系統(tǒng)[D];上海交通大學(xué);2014年

3 疏舒;壁面二次電子發(fā)射對SPT鞘層及近壁傳導(dǎo)的影響研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

本文編號：2856070