基于負氫離子源的全三維PIC-MCC數(shù)值模擬算法研究.pdf

1、目前，基于全球 ITER計劃，大量關(guān)于中性束注入等離子熱核研究正在各國進行中。由于負氫離子的中性化效率高，在熱核實驗發(fā)揮著至關(guān)重要作用，因此負氫離子源的研究具有較大意義。為了提升國內(nèi)負氫離子源模擬方面的技術(shù)水平以及趕超國外研究水平，本論文旨在開發(fā)全三維粒子模擬與蒙特卡羅相結(jié)合（particle-in-cell plus Monte Carlo Collision,簡寫為PIC/MCC）模擬算法以及探索負氫離子源放電特性，主要包括以下幾個

2、方面的內(nèi)容：
　　1．蒙特卡羅方法在陽極柵網(wǎng)（Foil）中的運用及矩形永磁體的數(shù)值計算。理論分析了電子與Foil碰撞過程，在CHIPIC平臺下，運用蒙特卡羅算法，結(jié)合經(jīng)驗散射公式，研制了全三維 Foil計算模塊，結(jié)合虛陰極振蕩器進行驗證。采用有限差分方法推導(dǎo)了直角坐標(biāo)系矩形永磁體差分格式，并與理論計算結(jié)果進行了對比。
　　2．負氫離子源放電過程中電子能量沉積全三維PIC/MCC算法研制。分析了負氫離子源中等離子體物理機制，研

3、究并優(yōu)化粒子模擬方法和蒙特卡羅碰撞算法的基本處理技術(shù)，設(shè)計高效的粒子存儲方法。考慮等離子體勢以及帶電粒子間庫侖碰撞，研制了全三維電子能量沉積PIC/MCC算法，并與國外實驗對比驗證。
　　3．JAERI10A離子源三維模擬優(yōu)化與體積產(chǎn)生機制探索。探索了JAERI10A多峰離子源中電子空間非均勻的起因，并提出了兩種空間均勻性優(yōu)化方案；分析了氣壓、引出磁場、放電電極位置以及放電初始能量等主要因素對負氫離子的體積產(chǎn)生效率的影響，得到了離

4、子源參數(shù)優(yōu)化方案。
　　4．多峰質(zhì)子源與J-PARC離子源放電機制模擬研究。揭示了多峰質(zhì)子源中電子空間及能量分布情形，分析了 J-PARC多峰離子源放電特性，以及討論了校正磁體位置對其體積產(chǎn)生效率的影響，為國內(nèi)離子源的開發(fā)提供理論指導(dǎo)。
　　5．中性粒子傳輸及負氫離子表面產(chǎn)生全三維PIC/MCC算法研制。理論分析了中性粒子傳輸機理，其中包括：電離、交換電荷碰撞，以及氫原子與邊界的相互作用；完善并發(fā)展了負氫離子源中負氫離子表面

5、產(chǎn)生物理機制，研制了全三維中性粒子傳輸及負氫離子表面產(chǎn)生模擬程序，并結(jié)合國外成果進行模擬驗證。
　　6．JAERI10A離子源負氫離子表面產(chǎn)生研究及引出算法研制。將上述電子能量沉積和中性傳輸模塊有機地結(jié)合起來，并對負氫離子源從放電始端到負氫離子表面產(chǎn)生的整個過程進行數(shù)值模擬，揭示了負氫離子空間非均勻性的起因，并分析了壁材料、氫正離子溫度、產(chǎn)率函數(shù)等主要因素對負氫離子表面產(chǎn)率的影響。此外，設(shè)計了負氫離子引出過程數(shù)值模擬算法，并研究了