15～20 mA多峰负氢离子源全三维数值模拟

对自主开发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗(PIC/MCC)算法进行了阐述,包括算法流程设计、碰撞处理机制等。采用该算法对中国原子能科学研究院研制的15~20mA负氢离子源进行数值模拟研究,结果显示:该多峰会切离子源能得到空间分布均匀的离子束,采用优化后的虚拟过滤场,不仅能有效过滤高能电子,还将导致离子源下游区域低能电子增多,有效提高负氢离子体积产生效率。     

J-PARC����Դ�������Դ��ά��ֵģ��

研究了矩形永磁体的理论计算方法,深入剖析了PIC-MCC处理算法,在粒子模拟软件平台下研制了全三维PIC-MCC模拟算法,并采用该算法数值研究了J-PARC多峰离子源放电特性,分析了J-PARC离子源电子能量沉积过程和体积产生机制,讨论了该离子源在光学特性和设计思路上的优势。结果显示:该离子源能产生空间均匀的负氢离子离子束,且体积负氢离子产生效率较高。     

负氢离子源中电子能量沉积三维数值模拟研究

本文理论计算了多峰离子源永磁体, 采用二体碰撞模型(binary collision)处理电子之间的库仑碰撞, 采用空碰撞(null-collision)方法处理电子与氢元素相关粒子, 开发了全三维PIC-MCC模拟算法, 并利用该算法模拟了多峰离子源中电子沉积过程, 分析了多峰磁场对电子的空间和能量分布影响, 结果显示: 电子的非均匀分布起源于高能电子在引出区的B× ▽B漂移.     

多峰场负氢离子源磁体布局对等离子体特性影响的数值模拟研究

负氢离子源的研究对于响应国家散裂中子源建设和国际热核聚变实验堆计划的开展都具有十分重要的意义. 由于离子源本身的物理特性导致数值模拟成为不可或缺的研究手段, 基于此, 首先对自主研发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞算法进行阐述, 然后对负氢离子体积过程进行描述, 并在此基础上对中国原子能研究中心的多峰质子源进行了系统仿真, 在引出磁体极性相同和相反两种情形下, 分别对多峰质子源放电特性进行了讨论和分析. 结果显示: 在相反极性下, 两引出磁体附近的磁漂移方向相同且数值较大, 即磁漂移剧烈, 导致电子总数较大且高能电子在特定区域活跃, 进而负氢离子体积产率较高, 即负氢离子在空间呈现Y漂移; 反之, 在相同极性下, 电子约束效果相对较差且负氢离子体积产率较低, 但其空间分布均匀.     

负氢离子源中多峰磁场形态数值模拟

 基于磁荷模型,在有限差分法基础上,推导了3维永磁体数值算法,结合全3维PIC/MCC粒子模拟算法,数值分析比较了外置型和“伞状”型两种特殊形态多峰磁场对电子能量沉积的影响。模拟结果表明:二者都能对粒子起到约束作用且能过滤引出负氢离子,同时二者电子能量分布规律基本一致,都呈现了双电子能态,符合等离子体放电基本机理;外置型过滤磁场对粒子的约束能力更强,能明显产生更多的粒子,总粒子数大约是“伞状”型过滤磁场情况下的4倍;“伞状”型过滤磁场能有效地抑制由磁场不均匀所引起的电子漂移,使产生的负氢离子空间分布更均匀。模拟结果与国外实验结果基本一致。     

Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere多峰负氢离子源全三维数值诊断

本文研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞算法, 并采用该算法对国外研究较热的 Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere (JAEA 10A) 离子源进行了全方位的数值诊断, 探索了电子能量沉积过程中电子的横向漂移和能量分布规律, 分析了离子源放电的主要物理参数对电子沉积的影响作用. 模拟及分析结果显示: 电子横向漂移 (-Y方向) 来源于过滤区的磁漂移, 增加过滤磁场, 导致磁漂移增大, 横向漂移加剧, 且电子的利用率增大; 提高放电室气压, 电子的碰撞更频繁, 进而加剧横向非均匀性, 也同时提高电子的利用率. 关键词： Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere 多峰负氢离子源 全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞     

表面产生负氢离子引出MCC算法设计

本文深入研究负氢离子输运及引出物理机理,理论分析了交换电荷反应及库仑碰撞过程,并设计了相应数值计算模块.在此基础上,采用有限差分法计算负氢离子所受洛伦兹力,运用蒙特卡罗碰撞方法处理负氢离子与其他粒子间的碰撞,成功研制了表面产生负氢离子输运及引出的全三维MCC算法,结合国外热门离子源JAEA 10A离子源进行模拟验证,结果显示:随着过滤磁场增大,引出离子数越大,离子源空间生存离子总数越小;当过滤磁场较小时,气压越大引出离子数越多,当过滤磁场较大时,气压越小引出离子数越多.     

体积产生负氢离子能量沉积及引出效率数值模拟研究

深入研究了负氢离子输运及能量沉积机理,采用全三维蒙特卡罗碰撞方法处理负氢离子与其他粒子间的碰撞,运用CHIPIC软件平台下的PIC(particle-incell)技术处理粒子的储存和磁场约束作用,在此基础上,对JAEA 10 A离子源中体积产生负氢离子输运和散射情景进行了模拟,并分析和讨论了不同气压和过滤磁场对体积产生负氢离子传输和引出特性的影响.结果显示:气压越大,体积产生负氢离子碰撞损耗越大,体积产生负氢离子达到器壁的数量和被引出的数量都越小;低气压放电环境中,过滤磁场对体积负氢离子的引出影响更强烈,且过滤磁场越大,引出效果越差.     

基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究

在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.     

JAERI 10 A 离子源体积产生效率数值优化

阐述了拥有自主知识产权的粒子模拟-蒙特卡罗算法, 采用该算法数值研究了JAERI 10 A多峰离子源放电特性, 并分析主要放电参数(气压、放电电极位置、过滤磁场大小、放电电压等)对体积产生率的影响. 模拟结果显示: 为了得到高体积负氢离子产量, 过滤磁场不宜太大, 放电电压不宜太小, 而应该适当选取过滤磁场和放电电压, 主要通过同时调节气压和放电位置来实现离子源优化.     

Generation of cold electrons in the downstream region of a microwave plasma source with near boundary resonances for production of negative ions

A microwave driven multicusp plasma based volume negative ion source equipped with a magnetic filter is developed. Instead of employing any electrodes or current carrying filaments, microwaves of frequency 2.45 GHz is used to generate plasma by resonance heating mechanisms namely the electron cyclotron resonance (ECR) and upper hybrid resonances (UHR), occurring near the boundary plasma layers. The principal process of negative ion production in hydrogen is dissociative attachment of low energy (0.5–1.0 eV) electrons to vibrationally excited neutral molecules generated from high energy (15–20 eV) electron impact. The source therefore necessitates two distinct spatial regions (a) production and (b) attachment chambers; which would contain electrons with optimum cross section for the aforementioned processes. A biased grid after the magnetic filter further helps to lower down the electron temperature to ≤1 eV which is favorable for the dissociative attachment process.     

2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.     

氢原子传输及负氢离子产生全三维数值模拟研究

理论分析了负氢离子源中中性粒子传输特性及引出电极表面产生负氢离子(H^-)的物理过程, 研究了引出孔传输率对氢原子传输的影响,深入剖析了氢原子与不同属性导体壁碰撞以及碰撞后反射的物理情景.基于CHIPIC软件平台,成功研制了全三维 Particle-in-cell with Monte Carlo Collision 氢原子传输及负氢离子产生物理过程的模拟算法,并采用JAEA 10A负氢离子源进行模拟验证.模拟达到稳态后,氢原子平均能量约为0.57 eV, 且H原子呈现+Y漂移,当非均匀氢原子束轰击引出壁时,导致产生的负氢离子空间分布不均匀. 这些模拟结果都与文献符合,验证了算法的可靠性.     

非理想氢原子束真空环境长程传输模拟研究

模拟研究了非理想氢原子束在真空环境下的长程传输效应。根据中性化程度的不同,将非理想束分为欠中性束和过中性束。通过建立束流传输的准电磁模型,研究了束流密度、中性化因子、空间磁场和弹性散射等因素对非理想氢原子束的影响。结果表明:对于欠中性束,负氢离子的存在对氢原子的传输几乎没有影响,因此欠中性束的发射装置可以考虑去除偏置磁场,以减小设备体积和质量;对于过中性束,束流损失率与束流密度和中性化因子有关,即束流密度越大,束流损失越大;中性化因子越高,束流损失就越高;而无论是欠中性束还是过中性束,空间磁场和粒子间的弹性散射对其传输都没有影响。     

圆柱形阳极层霍尔等离子体加速器的质点网格方法模拟

对圆柱形阳极层霍尔加速器内的放电等离子体运用二维质点网格方法（particle in cell）进行数值模拟,用蒙特卡罗碰撞方法处理带电粒子与中性粒子之间的碰撞. 得到了放电通道内离子与电子的分布以及离子流的运动,并且对出口外侧的能量分布进行了统计. 结果发现圆柱形阳极层等离子体加速器的磁场对电子有明显的约束作用,电子集中于阳极附近很小的区域内. 由于电磁场的特殊分布,离子流呈现出双峰式的分布. 离子能量范围从放电电压的20%到接近放电电压,平均能量在放电电压的40%—50%之间. 关键词： 质点网格方法 蒙特卡罗碰撞 数值模拟 阳极层霍尔等离子体加速器