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。     

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.     

不同磁路电子回旋共振离子源引出实验

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点. 本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场, 有效减小了体积, 该离子源利用微波在磁场中加热电子, 电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体. 磁场在微波加热电子的过程中起关键作用, 同时影响离子源内等离子体的约束和输运. 通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响. 实验发现: 在使用氩气的条件下, 特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流, 最高推进剂利用率达60%, 最小放电损耗为120 W·A^-1; 所有离子源均存在多个工作状态, 工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变. 离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关. 通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异, 归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律, 分析了其中的机理. 实验结果表明: 保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时, 增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离, 离子源能引出更大的离子电流; 减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量, 提高气体利用率, 但会导致放电损耗增大. 研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识, 为其设计和性能优化提供参考.     

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.     

潘宁源放电的全三维电磁粒子模拟/蒙特卡罗碰撞数值算法研究

深入研究潘宁放电的物理机制, 研制了全三维高品质算法粒子模拟软件(PIC), 设计并添加了相应物理情景的蒙特卡罗碰撞模块(MCC), 并对电子、氢分子离子(H₂⁺)、氢正离子(H⁺)、氢三正离子(H₃⁺)同时进行了跟踪, 成功研制了全三维电磁PIC/MCC数值算法. 结合国内研究较热的潘宁放电模型, 对该算法进行模拟验证. 模拟结果显示: 采用有效的滤波算法能抑制电磁数值噪声, 电子能量呈麦克斯韦分布, 由于电子的径向漂移和加速导致离子源顶端H₂⁺产量较大. 关键词： 潘宁离子源 高品质算法 粒子模拟/蒙特卡罗     

Negative Corona Discharge Ion Source Under Ambient Conditions with Mini Line-cylinder Electrodes

提出了一种新型的可在大气环境下工作的离子源．该离子源通过电晕放电产生离子,为线-筒结构,由内电极和外筒电极组成,电极半径分别是0.16和4 mm．采用了一系列夹持方法,保证了内外电极具有较高的同轴度．设计了一套进样系统,可以控制进入离子源的样品浓度．给出了放电启动电压的计算公式．实验表明,在大气环境条件下可以很好地电离甲酸、乙酸等负电性的化学物质．为了减小离子源的体积,引入了微机电系统技术．改进了原线-筒型结构以防止随之而来的沿面放电．该离子源接口简单,可广泛应用于质谱仪、MMS、IMS和FAIMS上．     

估算线筒式介质阻挡放电场强和电子平均动能的方法

利用静电场模型对线筒式介质阻挡放电电场强度进行了计算,并对电子平均动能进行了估算。通过对单双介质阻挡放电(DBD)的对比,发现在相同的放电条件下,双介质DBD产生的电场强度和电子平均动能比单介质DBD的要大。这就很好地解释了在相同的放电参数下,甲苯的降解效率在双介质DBD中要比单介质DBD中大。     

粒子群算法改进及在高温超导磁体优化设计中的应用

本文阐述了基本粒子群优化方法及其改进,选用测试函数对该算法及其改进算法的寻优性能作了对比;并利用Comsol软件对单螺线管超导储能磁体进行了电磁计算,阐述了磁场垂直分量最大值的位置及高温超导磁体的磁场垂直分量对临界电流的影响;最后将各种优化方法应用于高温超导磁体的设计中。经联合仿真优化,高温超导磁体减小了体积,提高了材料利用率,节约了材料用量,并减小了制冷时所消耗的电源功率。     

HL-2M装置5 MW中性束加热束线离子源放电室研制

为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线,开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源,放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算,得到了会切磁场分布,验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题,对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体,阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构,并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s,最大弧放电电流达到1 000 A。     

磁场可调永磁离子源

研制了一台磁场可调微波离子源,在离子源放电室处需要的磁场由一组永久磁铁产生,永久磁铁外部安装了铁磁回路,铁磁回路的结构可以很容易的手动调整,通过调整铁磁回路的结构,可以在放电室产生要求的磁场.在调试过程中,也可以调整铁磁回路以改变离子源内部磁场结构,有利于获得最佳放电条件.该源在测试中,从3mm直径的引出孔引出了17mA的离子束.     

The Influences of the Magnetic Field Strength on the Magnetic Confinement of Primary Electrons in an Ion Source

This paper deals with the simulation of trajectories of energetic electrons under the influence of a multi-cusp magnetic field produced by a permanent magnet assembly in a ring cusp geometry which is designed for supporting a plasma based ion source. The primary electrons are assumed as being emitted from a cathode located coaxially with the cylindrical discharge chamber. The volume of the region occupied by the electron trajectories and the magnetic trapping time were evaluated and plots are presented showing the effects of the surface magnetic field strength of the magnets on the volume and the mean confinement time of primary electrons in the ion source.     

Planar Steering of a Single Ferrofluid Drop by Optimal Minimum Power Dynamic Feedback Control of Four Electromagnets at a Distance

Any single permanent magnet or electromagnet will always attract a magnetic fluid. For this reason it is difficult to precisely position and manipulate ferrofluid at a distance from magnets. We develop and experimentally demonstrate optimal (minimum electrical power) 2-dimensional manipulation of a single droplet of ferrofluid by feedback control of 4 external electromagnets. The control algorithm we have developed takes into account, and is explicitly designed for, the nonlinear (fast decay in space, quadratic in magnet strength) nature of how the magnets actuate the ferrofluid, and it also corrects for electromagnet charging time delays. With this control, we show that dynamic actuation of electromagnets held outside a domain can be used to position a droplet of ferrofluid to any desired location and steer it along any desired path within that domain—an example of precision control of a ferrofluid by magnets acting at a distance.     

MICE超导耦合磁体分段内保护仿真研究

超导磁体失超过程中会产生过大内电压和局部温升,这有可能对磁体造成破坏。对超导磁体进行分段内保护是降低失超过程中内电压和局部温升的有效办法,但是分段后各段线圈之间相互耦合,使得失超过程分析复杂化。将已有的单段失超传播模型推广到分段保护磁体的失超分析,研发了失超过程仿真算法。应用该算法对M ICE超导耦合磁体在不同分段保护系统下的失超过程进行仿真研究,得到了电流、电压、温度等有关物理量变化曲线。仿真结果表明,通过选择合适的分段数和分段保护电阻,可以控制M ICE超导耦合磁体失超过程中内电压和局部温升在允许范围内。     

磁场可调永磁离子源

研制了一台磁场可调微波离子源, 在离子源放电室处需要的磁场由一组永久磁铁产生, 永久磁铁外部安装了铁磁回路, 铁磁回路的结构可以很容易的手动调整, 通过调整铁磁回路的结构, 可以在放电室产生要求的磁场. 在调试过程中, 也可以调整铁磁回路以改变离子源内部磁场结构, 有利于获得最佳放电条件. 该源在测试中, 从3mm直径的引出孔引出了17mA的离子束.     

CSNS/RCS引出系统快脉冲冲击磁铁的磁场仿真和结构设计

中国散裂中子源快循环同步加速器引出系统快脉冲冲击磁铁,由分组安装于三个真空箱内的8台磁铁组成。对冲击磁铁进行磁场仿真和结构设计,并使用仿真软件进行优化。仿真结果表明:磁铁中心场60%宽度内的磁场均匀性达到0.7%,满足物理设计要求。同时,对两台磁铁间距大小与互感的关系进行模拟计算和分析。磁铁结构设计中,针对原样机中出现的铁芯不能可靠固定问题,进行修改和完善,并且设计出了一种简单实用的多螺栓滑动支撑结构,可使多台磁铁平稳推入真空箱内,同时完成多台磁铁的准直和固定。     

多峰离子源的三维数值模拟优化与设计

本文理论计算了多峰离子源永磁体, 采用二体碰撞模型处理电子之间的库仑碰撞, 运用空碰撞方法处理电子与氢元素相关粒子碰撞, 开发了全三维粒子模拟-蒙特卡罗模拟算法, 并采用此软件对热门多峰离子源JET-60U的两种优化设计模型进行数值模拟研究, 探索了两种离子源空间分布特性和体积负氢离子产率相关问题, 提出了负氢离子源设计的基本思想: 适当调整离子源多峰磁场分布情况可以输出均匀离子束; 适当调整引出磁场大小和离子源结构, 可以达到离子束空间均匀性和高产率兼顾的效果.