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.     

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.     

J-PARC多峰离子源体积产生效率三维数值模拟研究

深入阐述了拥有自主知识产权的粒子模拟-蒙特卡罗算法, 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离子源的放电机理, 并在单、双校正磁体下讨论了该离子源体积产生效率. 结果显示: 在单校正磁体下, 校正磁体中心与离子源顶端相距50 mm时, 体积产生效率最大; 在双校正磁体且固定顶端磁体下, 两磁体相距越大体积产生效率越低.     

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.     

大面积NBI 射频离子源电气参数设计分析

为探究射频离子源驱动器线圈电气参数对射频放电的影响,主要进行了射频离子源等离子体激发的物理分析,并计算了射频电源的频率选择与线圈放电电流、线圈匝间电压以及放电气压之间的关系,设计了射频离子源驱动器的主要参数。研制的射频离子源驱动器装置,成功获得氢等离子体射频放电。实验结果和理论计算结果符合很好。     

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为探究射频离子源驱动器线圈电气参数对射频放电的影响,主要进行了射频离子源等离子体激发的物理分析,并计算了射频电源的频率选择与线圈放电电流、线圈匝间电压以及放电气压之间的关系,设计了射频离子源驱动器的主要参数。研制的射频离子源驱动器装置,成功获得氢等离子体射频放电。实验结果和理论计算结果符合很好。     

磁控溅射辉光放电特性的模拟研究

采用二维、自洽的PIC/MCC (particle-in-cell with Monte Carlo collision) 方法,模拟了磁控溅射辉光放电过程, 重点讨论了工作参数对放电模式和放电电流的影响. 模拟结果表明, 当工作气压由小到大或空间磁场从强到弱变化时, 放电模式会从阴极空间电荷主导的放电模式过渡到阳极空间电荷主导 的放电模式.在过渡状态,对应的工作气压与磁通密度分别为0.67 Pa和0.05 T; 随着工作气压的增大,放电电流先增大后趋向平衡,当工作气压超过2.5 Pa时,电流开始随工作气压的增大而减小; 而阴极电压增大时,放电电流近似线性增加.     

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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。     

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采用纳秒脉冲电源,在静止空气条件下,开展了不同气压、放电距离和电压条件下的大体积纳秒脉冲放电实验研究.研究表明,当长度固定为200mm时,气压为250Pa时,随着电压的增大,放电区域从圆锥电极附近扩展到整个通道.当电压为12kV时,放电布满整个通道;随气压升高,初始放电电压增大.实验中发现在电压升高到一定程度时纳秒脉冲电离出现不稳定性,表现在气压相对较低时等离子体出现径向波动,气压相对较高时非平衡等离子体放电向电弧放电转变.分析认为,为了实现大体积均匀放电等离子体的产生,阻止放电不稳定性发生,应该采用上升沿时间更短,脉宽更小,电压更高的纳秒脉冲电源.     

DC corona discharge ozone production enhanced by magnetic field

We have studied the effect of a stationary magnetic field on the production of ozone from air at atmospheric pressure by a negative corona discharge in a cylindrical electrode configuration. We used a stainless steel hollow needle placed at the axis of the cylindrical discharge chamber as a cathode. The outer wall of the cylinder was used as an anode. The vector of magnetic induction was perpendicular to the vector of current density. We found that: (a) the magnetic field extends the current voltage range of the discharge; (b) for the discharge in the Trichel pulses regime and in the pulseless glow regime, the magnetic field has no substantial effect on the discharge voltage or on the concentration of ozone that is produced; (c) for the discharge in the filamentary streamer regime for a particular current, the magnetic field increases the discharge voltage and consequently an approximately 30% higher ozone concentration can be obtained; (d) the magnetic field does not substantially increase the maximum ozone production yield. A major advantage of using a magnetic field is that the increase in ozone concentration produced by the discharge can be obtained without additional energy requirements.     

会切磁场多极离子源中磁场对等离子体特性的影响

本文提出了会切磁场多极离子源中,磁场对等离子体参数以及可引出离子束流和放电室阳极收集的离子电流影响的实验研究结果,并对该结果进行了分析讨论。     

Production of high-current large-area H- beams by abucket-type ion source equipped with a magnetic filter

A negative-ion-based neutral beam injection (NBI) system is planned for plasma heating of the Large Helical Device (LHD). We have developed a negative ion source, which is 1/3 the scale of the source for the NBI. A magnetic filter held was generated by external permanent magnets to lower the electron temperature in a large-area bucket plasma source (35 cm×62 cm) for efficient H^- production. We investigated the magnetic field configuration and found a low electron temperature high density plasma (<1 eV, 10¹²/cm³) could be achieved with an optimized configuration, The filter strength (B_max=70 G, line-integral flux=780 G cm at the center axis of the source) was proved to be enough to lower the electron temperature below 1 eV at high arc discharge power (100 kW) and low pressure (0.4 Pa). We injected cesium vapor into the plasma source to enhance H^- production efficiency and obtained a 16.2-A H^- beam current (31 mA/cm², 47 kV) using a large-area, four-grid electrostatic extraction system (25 cm×50 cm). This satisfied the development target (>15 A: 1/3 current of LHD ion source). Based on the results, we are designing a negative ion source for the LHD     

Two-dimensional model of the Penning discharge in a cylindrical chamber with the axial magnetic field

The drift–diffusion model of a Penning discharge in molecular hydrogen under pressures of about 1 Torr with regard to the external electric circuit has been proposed. A two-dimensional axially symmetric discharge geometry with a cylindrical anode and flat cathodes perpendicular to the symmetry axis has been investigated. An external magnetic field of about 0.1 T is applied in the axial direction. Using the developed drift–diffusion model, the electrodynamic structure of a Penning discharge in the pressure range of 0.5–5 Torr at a current source voltage of 200–500 V is numerically simulated. The evolution of the discharge electrodynamic structure upon pressure variations in zero magnetic field (the classical glow discharge mode) and in the axial magnetic field (Penning discharge) has been studied using numerical experiments. The theoretical predictions of the existence of an averaged electron and ion motion in a Penning discharge both in the axial and radial directions and in the azimuthal direction have been confirmed by the calculations.     

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

低气压条件下氢气潘宁放电的模拟分析

为更好地理解低气压、弱电离条件下潘宁离子源放电过程中离子和电子的动力学行为, 通过建立二维轴对称模型, 采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法, 考虑了电子与氢气之间的弹性碰撞、激发、电离以及氢原子、离子之间的弹性碰撞和电荷交换等过程, 对微型氢气潘宁离子源放电和引出过程进行了数值研究. 考察了磁场位形、壁面二次电子发射系数、引出电压和充气压力对放电过程的影响, 得到了实验中难以诊断得到的放电腔内电子与离子数密度分布, 阳极电流、引出极离子电流、单原子氢离子比例和双原子氢离子比例等宏观参数与实验结果相一致. 通过仿真使得对氢气潘宁放电机制的研究从定性过渡到定量, 这对于潘宁离子源的设计和改进具有重要意义. 关键词： 潘宁放电 氢气 粒子模拟 蒙特卡罗     

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.