托卡马克中快波电流驱动下全波方程的数值求解

用全波方法研究环形对称托卡马克等离子体中离子回旋频率范围内(ICRF)的快波电流驱动(FWCD)问题,考虑有限拉莫尔半径(FLR)效应和平行色散,建立全波计算的物理模型—全波方程,通过对全波方程的数值求解得到快波在等离子体中激发的电场强度分布.结果表明:快波可以传播到高温高密度等离子体的中心;快波在磁轴附近发生了模式转换;快波可以驱动中心的等离子体电流以改善等离子体的平衡位型;平行电场比垂直电场小三个数量级,通过垂直方向的回旋共振和平行方向的穿越期磁泵效应达到驱动电流的目的.     

螺旋波等离子体中螺旋波与Trivelpiece-Gould波模式耦合及线性能量沉积特性参量分析

采用有限温度等离子体介电张量模型,在考虑粒子热效应情形下,通过求解传导边界条件下等离子体柱中本征模的色散关系,分析了螺旋波等离子体中典型参量条件下螺旋波与Trivelpiece-Gould (TG)波的耦合特性及线性能量沉积特性.在ω/(2π)=13.56 MHz和T_(eV,i)=0.1 T_(eV,e)参量条件下计算结果表明:对于螺旋波,存在截止静磁场B_(0,H,cutoff)与截止等离子体密度n_(0,H,cutoff),在B_0 B_(0,H,cutoff)或n_0n_(0,H,cutoff)条件下,螺旋波变为消逝波;在ω/ω_(ce)∈(0.01,0.10)范围内,对于m=0角向模,TG波Landau阻尼致使的能量沉积占主导地位,而对于m=1角向模,螺旋波Landau阻尼或TG波Landau阻尼致使的能量沉积哪个占据主导地位则取决于B_0的大小;在ω_(pe)/ω_(ce)∈(3,100)范围内,TG波Landau阻尼致使的能量沉积占主导地位;在整体能量沉积过程中,对于m=0模和m=1模,Landau阻尼致使的能量沉积均占据主导地位.     

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用有限拉莫尔半径(FLR)修正的相对论色散关系进行了数值模拟，研究了电子回旋波在高温、高密等离子体的功率沉积，并将计算结果与应用弱相对论Fokker-Planck方程得到的结果进行了比较。结果表明，在高温、高密等离子体中，波功率的吸收非常集中；平行折射率、极向发射位置和发射波频率的变化都会影响波功率沉积的大小和分布；平行折射率变大后，FLR效应会使波的阻尼减少。     

电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响

采用一般的径向密度非均匀分布假设,借助温等离子体介电张量模型,利用磁化等离子体中电磁波的一般色散关系,在高密度峰值、低磁场、低气压典型参量条件下,重点分析了电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响.研究结果表明:在典型螺旋波等离子体电子温度范围(3, 8) e V内,电子有限拉莫尔半径效应应当予以考虑,而离子有限拉莫尔半径效应可以忽略.低磁场条件下|n|> 1次回旋谐波对介电张量元素的贡献可以忽略.碰撞阻尼在功率沉积中占据主导地位,功率沉积在偏离等离子体柱中心轴的某一径向位置出现峰值,随着轴向电子温度T_{e, z}的增大,功率沉积强度逐渐增强.相比等离子体温度各向同性情形,等离子体温度各向异性显著改变了螺旋波m=1角向模的功率沉积特性,电子温度各向异性因子χ=T_e,⊥/T_{e, z}的增大或减小均导致功率沉积强度发生剧烈改变.     

电子温度各向异性对螺旋波等离子体中电磁模式的传播及功率沉积特性的影响

采用考虑粒子温度各向异性热等离子体介电张量模型,借助磁化、均匀密度分布等离子体中电磁波的一般色散关系,在低磁场、低气压螺旋波等离子体典型参量条件下,理论分析了电子温度各向异性对电磁模式传播特性和角向对称模功率沉积的影响.研究结果表明:对于给定的纵向静磁场B₀(或波频率ω),存在一个临界波频率ω_cr(或纵向静磁场B_0,cr),当ω>ω_cr(或B₀0,cr)时,电子回旋谐波遭受的阻尼开始显著增大;相比粒子温度各向同性情形,粒子温度各向异性彻底改变了波的传播特性,即相位常数和衰减常数均出现峰值现象;在考虑电子有限拉莫尔半径效应和电子温度各向异性情形下,Trivelpiece-Gould (TG)波碰撞阻尼在整个电磁波功率沉积中占据主导地位,电子纵向温度T_e,//存在某一临界值,在此临界值处TG波功率沉积出现峰值P_abs,TG,且随着T_e,⊥/T_e,//的减小,...     

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.     

低磁场下驻波对螺旋波等离子体均匀性的影响

螺旋波放电具有很高的耦合效率,作为一种高密度等离子体源在材料表面处理、薄膜沉积、离子推进器等领域具有广阔的应用前景.不同的波模式下能量耦合的方式直接关系到源区的等离子体分布,进而影响扩散腔中材料的处理和沉积薄膜的均匀性.本文通过电特性(功率-电流)曲线、增强型电荷耦合相机和磁探针诊断等方式对螺旋波等离子体源中出现的角向不均匀性进行研究,认为天线下端出现的驻波螺旋波可能是造成这种现象的关键因素.     

离子迴旋共振加热对低杂波电流驱动的影响

离子迴旋共振频率(ICRF)波(ω=2Ω_D)和低杂(LH)波同时进入D-T聚变反应堆等离子体时,ICRF加热产生的高能D离子对LH波存在着较强的Landau阻尼吸收,影响了低杂波驱动电流(LHCD)的效率;提高LH波的频率,可降低加热离子对LH波的阻尼吸收。     

带电粒子束在靶等离子体中能量沉积模拟计算

一、引言 利用轻离子束为驱动源的惯性聚变,已成为很有前途的一个研究方向。美国Sandia研究所最近建成PBFA-Ⅱ装置,它给出离子束能量为2MJ,功率为10~(14)W,能量转换效率可达到20％。用这台设备,可以做聚变点火研究和能量得失相当实验。 我们应用Bethe-Bloch理论和LSS理论,计算带电粒子束与原子相互作用;应用库仑连续慢化理论,计算带电粒子束与等离子体相互作用.将能量沉积理论与一维辐射流体力学程序耦合起来,得到能量沉积随物质状态变化关系.在计算中应用了真实气体状态方程参数.     

快波与低杂波协同作用的数值研究

在二维Fokker- Planck 方程求解的程序中, 把含有相对论、准线性效应二维快Fokker- Planck 方程的求解子程序与波的射线轨迹程序相结合, 采用了5 点模板对动量空间进行离散化处理, 调用了NAG 库子程序D03UAF 对方程求解。根据FTU 装置的参数, 对LHW 天线不同位置处辐射的功率谱进行了电流驱动的模拟计算, 结果表明: LHW 天线上不同位置处发射的波, 无论有没有FW, 功率的沉积剖面和驱动电流剖面都依赖于天线的位置; 低杂波和快波( LHW+ FW) 双波协同作用下LHW 驱动等离子体电流的效果得到了明显地改善。     

螺旋波等离子体化学气相沉积纳米硅薄膜的光学发射谱研究

利用光学发射谱技术对螺旋波等离子体化学气相沉积纳米硅薄膜的等离子体内活性粒子的光发射特征进行了原位测量.研究了薄膜沉积过程中各实验参量对活性基团SiH^*， H^β以及H^α的发射谱强度的影响.实验结果表明，静态磁场的加入可显著提高反应气体 的解离效率 ；适当的氢稀释可以提高氢活性粒子的浓度，而过高的氢稀释比将使含硅活性基团浓度显著 减小；提高射频馈入功率整体上可以使各活性粒子的浓度增加，并有利于提高到达衬底表面 氢活性粒子的相对比例.结合螺旋波等离子体色散关系和等离子体特点对以上结果进行了分 析.该结果为螺旋波等离子体沉积纳米硅薄膜过程的理解及制备工艺参数的调整提供了基础 数据. 关键词： 光学发射谱 螺旋波等离子体化学气相沉积 纳米硅薄膜     

EAST高约束运行条件下离散阿尔芬本征模的数值模拟

运用磁流体力学数值模拟程序和磁流体力学-回旋动理学混合模拟程序对EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)装置上具有内部输运垒(ITB)高约束运行模式下的离散阿尔芬本征模(αTAE,α是等离子体压强梯度的参数)进行模拟研究。结果表明：在EAST上ITB以内的芯部区域存在丰富的αTAE,且在运行参数下多支αTAE被激发为不稳定模式。在EAST上预演的稳态运行方案中,αTAE分布在了更大的径向范围内,强的负磁剪切,减少了ITB局域内的αTAE。模拟对比了DIII-D装置和中国聚变工程试验堆(CFETR)上与EAST预演方案具有相似运行条件下的αTAE。结果发现与EAST上类似,在DIII-D与CFETR中,同样由于强的负磁剪切,在ITB内的强磁剪切区域并不存在αTAE。在CFETR核心区域出现了更高频率的αTAE,且在高能量粒子条件下激发出了更丰富的αTAE。     

CFETR PF 导体设计及稳定性分析

中国聚变工程试验堆(CFETR) 是一种新型的超导托卡马克装置, 极向场线圈(PF) 在控制等离子体位行中起着关键作用. CFETR PF 线圈导体由 Nb3Sn CICC 和 NbTi CICC 导体组成. 为了确保 PF 线圈的稳定运行, 本文采用1-D Gandalf 对不同机械扰动和电磁扰动下 PF 导体的稳定性裕度, 最小失超能量及温度裕度的进行了分析. 分析结果表明 CFETR PF 导体目前的设计能够充分满足安全裕度的要求     

低混杂波高N‖分量对EAST等离子体电流驱动的影响

EAST等离子体高约束模运行条件下，在等离子体边缘区域观测到明显的等离子体电流带.在EAST托卡马克装置非圆截面平衡位形下，使用射线追踪方法研究低混杂波高平行折射率N_‖分量对电流驱动的影响.结果表明：当-8≤N_‖≤-6时，平行折射率分量能够在小半径（0.7 < r/a < 1）区域驱动kA量级的等离子体电流.对于具有台基区、等离子体边缘温度更高的电子温度剖面，驱动电流的位置r/a>0.9.低混杂波朗道阻尼的理论分析与数值模拟结果一致.另外，高N_‖低混杂波在等离子体边缘的功率沉积和电流驱动与电子温度分布和发射谱分布相关.     

束—等离子体互作用产生的高功率微波辐射

相对论性电子束-等离子体装置是一种具有很大潜力的新型高功率微波源。本文对电子束密度与等离子体密度之比n_b/n_p≈0.01时,束-等离子体相互作用产生频率为ω_p的微波辐射过程进行了研究。利用线性和非线性(扎哈罗夫)色散关系,对存在的主要不稳定性进行了分析。着重推导了不稳定静电波转变为电磁波的参量衰变色散关系,由此得到了束-等离子体系统的辐射率。最后,对能量由电子束动能转移到等离子体波,再转变为电磁辐射和加热等离子体的过程建立了数理模型。     

时变等离子体高功率微波频率上转换的粒子模拟

基于电磁波与时变介质相互作用能够实现电磁波频率上转换的原理,通过粒子模拟(PIC)方法对电磁波与时变等离子体薄层相互作用进行模拟,实现了频率由2.45 GHz提升至130 GHz,功率转化效率约为0.39%。探究了等离子体参数(包括等离子体密度、有限的等离子体上升时间以及等离子体薄层厚度)对频率上转换的影响。模拟结果验证了等离子体密度决定上转换频率,与理论结果相符。模拟结果表明,等离子体薄层厚度越大,得到的上转换波的能量越大;等离子体的上升时间越小,上转换波的转换效率和频谱纯度越高。采用等离子体密度21020 cm-3,等离子体厚度1 cm,等离子体上升时间0.04 ns 可以得到可观的130 GHz上转换波输出。     

HL-1M等离子体中ECW传播和吸收的数值分析

计算了频率在电子回旋频率附近O波和X波在HL－1M等离子体中的传播轨迹和吸收系数。研究了等离子体温度、密度和共振层位置等参数及波的入射对波迹和功率沉积分布的影响。结果表明,O波和X波能有效地被等离子体吸收,其吸收具有定域性,波的单次吸收系数较高,功率的沉积强烈地依赖等离子体参数。     

HT-7托卡马克中低杂波和离子波恩斯坦波协同作用的数值研究

用隐含5点模式对二维Fokker-Planck方程进行离散化,调用NAG程序库中子函数D03UAF求解该方程,并将求解二维Fokker-Planck方程的code与波的射线轨迹code相结合,根据HT-7托卡马克装置参数,分别对有或没有IBW情况下的等离子体电流的全波驱动和在低杂波和离子伯恩斯坦波协同作用下低杂波的功率沉积分布、驱动电流分布等进行数值模拟研究.结果显示:有IBW情况下的全波驱动电流分布比没有IBW时全波驱动的电流分布区域要广一些,而且驱动的总电流也大一点;在双波协同作用下,全波驱动的等离子体电流空间分布随IBW的频率和n_//谱的变化而变化;在两波协同作用下低杂波驱动非感应电流的效率得到了很大的改善.     

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针对磁约束聚变等离子体边缘湍流中非线性能量传递过程的问题,开发了数据分析程序.该程序基于数字谱分析技术来求解波耦合方程,进而计算与三波相互作用相关联的线性和非线性耦合系数以及能量转移.介绍了算法设计和程序开发的主要思想,并对程序进行了仿真测试.然后应用该程序分析了反场箍缩装置实验的一次放电实验数据,观察到湍流之间的波耦合和能量级联现象,发现或证实了聚变等离子体湍流激发与增长的一种内在机制.     

等离子体填充金属光子晶体Cherenkov辐射源模拟研究

等离子体填充能够明显提高真空电子器件的效率和功率, 研究等离子体填充器件具有重要的科学价值. 本文基于对等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性的分析, 利用粒子模拟方法展示了等离子体填充慢波结构中的注波互作用过程. 重点研究了慢波结构中场分布特性、等离子体密度和外部工作条件对频率及输出功率的影响. 研究发现, 填充一定密度等离子体后, 慢波结构内纵向和横向电场强度明显增大, 注波互作用增强, 输出频率受等离子体影响不大. 金属光子晶体结构具有的频率选择特性使器件工作于TM₀₁模态. 阴极电压增加使输出功率增大, 频率略有增加. 引导磁场增加使输出功率先增大后减小, 而频率基本不受影响. 等离子体填充后器件的输出功率上升, 当增加压强至100 mTorr(1 mTorr=0.133 Pa) 时, 输出功率提高约20%, 但只有适当密度下才有较好的角向场分布. 通过理论与模拟相结合, 发现填充一定密度的等离子体能够提高器件输出功率和效率, 为发展新型高功率毫米波振荡辐射源奠定了理论和仿真基础.