【摘要】：中性束注入(Neutral Beam Injector, NBI)是國際受控?zé)岷司圩兌?International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)主要的輔助加熱方式之一,而高性能負(fù)離子源(Negative Ion source, NI)是中性束系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個部分。根據(jù)ITER的設(shè)計要求,負(fù)離子源中需要引出48A的H-(或40A的D-),如此大的負(fù)離子電流,對于目前的離子源技術(shù)來說是一個很大的挑戰(zhàn)。德國等離子物理研究所(IPP)在其小型實驗平臺"BATMAN"裝置上采用了過濾磁場技術(shù),達到了引出的負(fù)氫離子電流為300A/m2,D2為工作氣體時引出的負(fù)離子電流為200A/m2,引出的電子與負(fù)離子比例小于1,功率脈沖時間為6s的優(yōu)良性能,證明了過濾磁場技術(shù)在負(fù)氫離子源上應(yīng)用的可行性。過濾磁場的作用是將激勵段產(chǎn)生的10eV以上的高溫電子冷卻到1eV以下,以減少引出柵極附近的負(fù)離子的損失。有關(guān)過濾磁場的作用機制至今仍不完全清楚,過濾磁場的設(shè)計強烈依賴于試驗。如果能夠清楚地理解等離子體在過濾磁場中的輸運過程,就可以對過濾磁場的設(shè)計提出明確的理論依據(jù),并與激勵段的優(yōu)化相結(jié)合,從而對整個負(fù)離子源的結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化,提高負(fù)離子源的整體性能。目前,所有關(guān)于過濾磁場的研究都是實驗性的,IPP為了尋找過濾磁場的最優(yōu)設(shè)計仍然在"BATMAN"裝置上進行實驗。華中科技大學(xué)(Huazhong University of Science and Technology, HUST)于2011年9月在科技部的支持下,承擔(dān)了"ITER高頻負(fù)離子源激勵器的關(guān)鍵技術(shù)與工程研究”的項目,目標(biāo)是研制一臺類似于BATMAN的單激勵器、短脈沖工作模式實驗裝置。在HUST目前的工作基礎(chǔ)上,進行了過濾磁場的初步設(shè)計,并采用PIC/MC (Particle-in-cell/Monte Carlo)數(shù)值模擬技術(shù),對等離子體穿越過濾磁場的物理過程進行了研究,為過濾磁場的優(yōu)化和設(shè)計提供指導(dǎo)與參考。 本文的內(nèi)容主要分為四個部分,第一部分是關(guān)于PIC/MC模型的算法研究,包括第二章；第二部分是HUST圓柱型過濾磁場的設(shè)計,包括了第三章；第三部分,是對過濾磁場的數(shù)值模擬研究,包括第四章;第四部分是對HUST大功率負(fù)氫離子源的診斷結(jié)果進行了說明,包括了第五章。 在第二章中,介紹了PIC/MC的一般數(shù)值方法,簡述了算法的一般步驟,包括了超粒子模型,電荷的累積,粒子推進以及空間電場求解的一般方法。在MC部分,重點介紹了粒子的抽樣，粒子間碰撞類型，碰撞后的速度處理等。在該部分，對部分算法進行了優(yōu)化,以提高計算的效率。引入了基于線性多步法的粒子推進算法,能夠在與傳統(tǒng)跳步法相同計算量的情況下使運動方程的求解精度與4階龍格庫塔法接近。在二維的空間電場求解中,采用了共軛梯度法,該算法比傳統(tǒng)的高斯迭代和超松弛迭代等算法在計算速度上有了大幅的提高。 在第三章中,對BATMAN裝置的過濾磁場進行了有限元的分析,在這基礎(chǔ)上,根據(jù)HUST的圓柱型擴展腔設(shè)計了一種不同于BATMAN跑道型的過濾磁場場型。在對HUST和IPP的過濾磁場進行比較后,提出了形狀因子這一能夠表征兩種過濾磁場的特征參數(shù)。 在第四章中,通過一維和二維的數(shù)值模擬,研究了過濾磁場對等離子體輸運過程的一般作用規(guī)律。過濾磁場將擴展腔區(qū)域分成了等離子體參數(shù)有明顯區(qū)別的兩個部分,等離子體密度和電子溫度較高的激勵區(qū)以及等離子體密度和電子溫度相對較低的引出區(qū)。采用單粒子模型研究了電子在過濾磁場中的運動規(guī)律,對電子穿越過濾磁場的機理進行了研究,并采用了一維的數(shù)值模擬,提出了電子穿越過濾磁場的主要作用機理是碰撞。在此基礎(chǔ)上,研究了不同的過濾磁場場型下的空間等離子體參數(shù)。在形狀因子不變時,引出區(qū)的等離子體密度和電子溫度都隨著磁場最大值的增大而減小,而在磁場最大值不變時,引出區(qū)的等離子體密度和電子溫度隨著形狀因子的減小而增大。最后總結(jié)了磁場在引出路徑上的一次積分值對引出區(qū)的等離子體參數(shù)的影響,隨著磁場一次積分值的增大,引出區(qū)的等離子體密度和電子溫度都會減小。因此在引出區(qū)無法同時滿足低的電子溫度和高的等離子體密度這兩個能夠都有利于增大負(fù)氫離子電流的條件,所以過濾磁場的設(shè)計存在一個最佳的權(quán)衡的值。 在第五章中,對HUST大功率負(fù)氫離子源的診斷系統(tǒng)進行了詳細(xì)的介紹,并給出了等離子體參數(shù)隨射頻功率的變化規(guī)律,以及沿著引出路徑上的分布規(guī)律。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TL629.1

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 鄒儉;賈先祿;殷治國;侯世剛;;負(fù)氫離子源控制系統(tǒng)[J];中國原子能科學(xué)研究院年報;2008年00期

2 ;強流負(fù)氫離子源及垂直注入系統(tǒng)的研制[J];中國原子能科學(xué)研究院年報;1998年00期

3 李振國;負(fù)氫離子的產(chǎn)生機制及注入技術(shù)的研究[J];中國原子能科學(xué)研究院年報;2001年00期

4 葛濤;吳隆成;李振國;;強流負(fù)氫離子源電源參數(shù)的精確測量[J];中國原子能科學(xué)研究院年報;2005年00期

5 李振國;強流負(fù)氫離子源及垂直注入系統(tǒng)的研制[J];中國原子能科學(xué)研究院年報;1999年00期

6 安世忠;賈先祿;張?zhí)炀?殷治國;宋國芳;李鵬展;解懷東;劉庚首;呂銀龍;吳隆成;鄒儉;潘高峰;林軍;葛濤;溫立鵬;姚紅娟;;強流負(fù)氫離子源及脈沖化注入線試驗裝置研制成功[J];中國原子能科學(xué)研究院年報;2010年00期

7 賈先祿;張?zhí)炀?鄭俠;秦久昌;;緊湊型多峰場負(fù)氫離子源的設(shè)計與實驗研究[J];中國原子能科學(xué)研究院年報;2010年00期

8 楊超;廖方燕;謝鴻全;;Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere多峰負(fù)氫離子源全三維數(shù)值診斷[J];物理學(xué)報;2013年21期

9 楊超;劉大剛;王輝輝;楊宇鵬;廖方燕;劉臘群;彭凱;夏蒙重;;體積產(chǎn)生負(fù)氫離子能量沉積及引出效率數(shù)值模擬研究[J];物理學(xué)報;2012年23期

10 賈先祿;張?zhí)炀?呂銀龍;姚紅娟;陳榮范;鐘俊晴;宋國芳;林軍;;15—20mA負(fù)氫離子源的設(shè)計與加工[J];中國物理C;2008年S1期

相關(guān)會議論文 前4條

1 藍朝暉;彭宇飛;楊振;董攀;龍繼東;;正氫和負(fù)氫離子引出發(fā)射面的粒子模擬研究[A];第十五屆全國等離子體科學(xué)技術(shù)會議會議摘要集[C];2011年

2 李金海;張華順;歐陽華甫;;中國散裂中子源強流負(fù)氫離子源及低能輸運線的設(shè)計[A];2006全國荷電粒子源、粒子束學(xué)術(shù)會議論文集[C];2006年

3 賈先祿;張?zhí)炀?呂銀龍;姚紅娟;陳榮范;鐘俊晴;宋國芳;林軍;;15—20mA負(fù)氫離子源的設(shè)計與加工[A];第三屆全國粒子加速器技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2007年

4 賈先祿;呂銀龍;陳榮范;宋國芳;張?zhí)炀?王振輝;林軍;李振國;葛濤;吳隆誠;安世忠;姚紅娟;魏素敏;邢建升;;15-20mA負(fù)氫離子源的設(shè)計與加工[A];第三屆全國加速器技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C];2007年

相關(guān)重要報紙文章 前7條

1 ;負(fù)氫離子——分子醫(yī)學(xué)界當(dāng)之無愧的明星[N];科技日報;2011年

2 ;首屆中日學(xué)者負(fù)氫離子學(xué)術(shù)會議在上海交通大學(xué)成功舉辦[N];科技日報;2011年

3 ACCUFIX RESEARCH 研究所 亞洲地區(qū)負(fù)責(zé)人 福元守;負(fù)氫離子有效控制細(xì)胞異常分裂生長[N];科技日報;2011年

4 西安交通大學(xué) 劉健康;負(fù)氫離子讓細(xì)胞線粒體更健康[N];科技日報;2011年

5 宮崎大學(xué)醫(yī)學(xué)部臨床神經(jīng)科學(xué)講座精神醫(yī)學(xué)領(lǐng)域特任副教授 植田勇人;負(fù)氫離子作用于基因表達,應(yīng)對大腦病變[N];科技日報;2011年

6 株式會社創(chuàng)造的生物工學(xué)研究所 及川胤昭;及川胤昭博士和盧爾德負(fù)氫離子水[N];科技日報;2011年

7 復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 龔梓初;大自然的能量——負(fù)氫離子[N];科技日報;2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 李小飛;大功率射頻負(fù)氫離子源中的等離子體診斷與輸運過程研究[D];華中科技大學(xué);2015年

2 林樹豪;負(fù)氫離子源研究[D];中國科學(xué)院研究生院（近代物理研究所）;2014年

3 楊超;基于負(fù)氫離子源的全三維PIC/MCC數(shù)值模擬算法研究[D];電子科技大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 郭薇;《負(fù)氫離子與健康革命》翻譯實踐報告[D];大連外國語大學(xué);2015年

2 王小敏;負(fù)氫離子源的三維PIC/MCC數(shù)值模擬研究[D];電子科技大學(xué);2012年

，

本文編號：2689672