【摘要】：射頻負(fù)離子源是大型磁約束核聚變裝置中性束注入系統(tǒng)的核心部件,如何生成和引出高密度的負(fù)離子是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。負(fù)離子的形成涉及非常復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,要優(yōu)化負(fù)離子形成必須獲知相應(yīng)的等離子體參數(shù)。發(fā)射光譜診斷是一種非侵入式的診斷方法,是大型離子源必備的診斷工具。利用發(fā)射光譜進(jìn)行參數(shù)診斷需要碰撞輻射模型或日冕模型來(lái)建立發(fā)射光譜同等離子體參數(shù)之間的關(guān)系。本文針對(duì)華中科技大學(xué)(HUST)射頻負(fù)離子源等離子體發(fā)射光譜診斷建立了氫原子碰撞輻射模型和氫分子日冕模型,并開發(fā)了一套集模型計(jì)算和光譜診斷功能的軟件。本文首先建立了包含激發(fā)態(tài)氫原子多種激發(fā)機(jī)制的碰撞輻射模型,根據(jù)HUST離子源等離子體的典型參數(shù),分析了離子源不同位置處各個(gè)激發(fā)機(jī)制所占的比重。在激勵(lì)器,氫原子直接激發(fā)、氫分子解離和氫分子離子解離復(fù)合是主要的激發(fā)機(jī)制,其中氫原子直接激發(fā)占70%以上;在等離子體柵極附近,氫原子直接激發(fā)和氫分子離子解離復(fù)合是主要的激發(fā)機(jī)制,對(duì)于H(3),負(fù)氫離子中性化過(guò)程不可忽略。探究了電子能量分布函數(shù)對(duì)碰撞輻射模型計(jì)算結(jié)果的影響,麥克斯韋分布在低電子溫度下有更高的激發(fā)態(tài)粒子密度,Druyvesteyn分布在較高的電子溫度下激發(fā)態(tài)粒子密度較高,且當(dāng)電子溫度較低時(shí)分布函數(shù)的影響更明顯。如果電子溫度或電子密度增加的同時(shí)伴隨著電子能量分布函數(shù)從麥克斯韋向Druyvesteyn分布轉(zhuǎn)換,激發(fā)態(tài)粒子密度可能保持不變甚至有所降低。建立了包含氫分子振轉(zhuǎn)能級(jí)的日冕模型,利用該模型探究了氫分子不同基態(tài)振/轉(zhuǎn)能級(jí)粒子對(duì)激發(fā)態(tài)氫分子振/轉(zhuǎn)能級(jí)粒子的貢獻(xiàn)。指出在不同電子溫度和振動(dòng)溫度下,基態(tài)振動(dòng)能級(jí)貢獻(xiàn)率的演變可劃分為最低振動(dòng)能級(jí)主導(dǎo)區(qū)域,振動(dòng)溫度和弗蘭克康登因子共同影響區(qū)域以及弗蘭克康登因子影響區(qū)域三個(gè)區(qū)域。給出了基于上述模型利用發(fā)射光譜診斷等離子體參數(shù)的方法,并開發(fā)了一款集氫原子碰撞輻射模型計(jì)算、氫分子日冕模型計(jì)算以及發(fā)射光譜診斷功能為一體的軟件HUSTCRM,最后介紹了HUST離子源發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)。本文工作有助于深入理解負(fù)氫離子源的工作機(jī)制,同時(shí)也為下一步負(fù)氫離子源等離子體的發(fā)射光譜診斷打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL631
【圖文】：

中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論1 緒論景入(Neutral Beam Injection, NBI)加熱是磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)。離子源是中性束注入裝置的源頭，它產(chǎn)生的高能離子束裝置中，是中性束注入裝置的關(guān)鍵部件。射頻負(fù)離子源是約束核聚變裝置參數(shù)要求且長(zhǎng)期免維護(hù)運(yùn)行的離子源類[1](International Thermo-nuclear Experiment Reactor, ITER規(guī)劃建設(shè)的中國(guó)核聚變工程實(shí)驗(yàn)堆[3](Chinese Fusion EngR)中性束系統(tǒng)擬采用的離子源類型[4]。

圖 1-2 HUST 射頻負(fù)離子源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)類問(wèn)題涉及一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，而相關(guān)的等離子體程的重要因素。因此，對(duì)離子源等離子體參數(shù)進(jìn)行診斷可有題，診斷結(jié)果可用來(lái)指導(dǎo)、優(yōu)化工程實(shí)踐，也可用于啟發(fā)、譜(OpticalEmissionSpectroscopy,OES)診斷是一種原位、非來(lái)診斷電子溫度[6, 14, 35, 36]、電子密度[6, 14, 35-38]、氣體溫度[6, 11, 42]、氫原子密度[6, 14, 43]、負(fù)氫離子密度[44]以及 Cs 密度[45]針診斷比較起來(lái)，發(fā)射光譜診斷幾乎不受射頻干擾，在射青睞，對(duì)負(fù)離子源的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。發(fā)射光譜診置必備的診斷工具[46-48]。低溫低壓等離子體中，要解讀光譜數(shù)據(jù)獲取等離子體參數(shù)為譜線強(qiáng)度直接反映激發(fā)態(tài)的粒子密度，并不直接與電子體參數(shù)相關(guān)。碰撞輻射模型或日冕模型則為粒子的每一個(gè)，在該方程中考慮了等離子體中各種反應(yīng)過(guò)程，給定等離子

光譜診斷和等離子體粒子模型光譜診斷是通過(guò)分析等離子體的發(fā)射譜線來(lái)診斷等離子體參數(shù)的 躍遷到低能級(jí) k 的譜線絕對(duì)線強(qiáng)度[49]( )pk pkI n p A p)是處于 p 能級(jí)的粒子密度，Apk是愛(ài)因斯坦自發(fā)輻射躍遷概率。經(jīng)過(guò)絕對(duì)標(biāo)定[49]之后，則 Ipk可由光譜圖獲得。換言之，從光譜圖粒子密度。模型是描述等離子體中各能級(jí)粒子分布狀態(tài)的模型，它建立了等度、電子溫度等)同激發(fā)態(tài)粒子密度之間的關(guān)系。圖 2-2 展示了等子體粒子模型和發(fā)射光譜之間的關(guān)系，從正向(紅色實(shí)線)來(lái)看，根用等離子體粒子模型可以預(yù)測(cè)發(fā)射光譜的譜線強(qiáng)度，從逆向(藍(lán)色結(jié)合等離子體粒子模型可以反推出等離子體參數(shù)。由此可見(jiàn)，等離射光譜診斷的理論基礎(chǔ)。

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