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.     

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.     

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。     

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15~20 mA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。     

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     

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。     

15—20mA负氢离子源的设计与加工

离子源是强流质子回旋加速器的核心设备之一, 它的性能指标对最终束流大小和质量都有重大影响. 文章介绍了一种运用于强流质子回旋加速器上的多峰场负氢离子源的设计与加工情况, 该离子源主要是通过深入研究高密度等离子体产生技术、长寿命大直流灯丝电子发射技术、磁约束技术、虚拟过虑技术、残留气体与电子剥离的控制技术, 以及离子引出技术等, 在中国原子能科学研究院原有10mA离子源基础上建立负氢离子源, 实验研究低能、强流束的实验匹配与调试技术, 将平均引出束流提高到15—20mA.     

利用强磁场剥离负氢离子获得中性束

本文用改进的微扰理论计算了在均匀磁场中高速运动的H~-离子的自离化寿命,讨论了H~-离子波函数的选择和连续态波函数的归一化,并用五参数Rotenberg-Stein波函数进行了具体的数值计算,与G.M.Stinson等人所得的实验结果进行了比较。     

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     

The effect of an external electric field on the survival of surface-produced negative ions

Resonant charge exchange between slow atomic particles and a partially coated metal surface, in the presence of a homogeneous electric field, is considered. The survival probabilities are calculated for H^- ions, emerging from Cs-coated W and K-coated Ni(110) in fields of strengths 10^-4, 10^-5 and 0 au.     

Three-dimensional PIC/MCC simulation of electron deposition in JAEA 10 A ion sources

A systematic research on the electron deposition process in the JAEA 10 A ion source is carried out by using a particle-in-cell/Monte Carlo collision simulation, which is based on a full three-dimensional self-developed code. Two parts are studied. One is the space and energy distribution of fast and slow electrons, the other is the vibration excitation collisions between electrons and hydrogen moleculars. The results show that the inhomogeneity of electrons comes from the Y direction drift of the fast electrons(Te 25 eV) due to the action of the magnetic fields. This drift also increases the number of vibration excitation collisions in the-Y direction, and results in the increase of Hain the-Y direction,eventually leading to the-Y drift of H-. It explains the spatial non-uniformity in the JAEA 10 A ion source.     

Ground states of the hydrogen molecule and its molecular ion in the presence of a magnetic field using the variational Monte Carlo method

ABSTRACT

By using the variational Monte Carlo (VMC) method, we calculated the 1sσ_g-state energies, the dissociation energies, and the binding energies of the hydrogen molecule and its molecular ion in the presence of an aligned magnetic field regime between 0 and 10?a.u. The present calculations are based on using two types of compact and accurate trial wave functions, which are put forward for consideration in calculating energies in the absence of a magnetic field. The obtained results are compared with the most recent accurate values. We conclude that the applications of the VMC method can be successfully extended to cover the case of molecules under the effect of a magnetic field.     

气体电离的全三维电磁粒子模拟/蒙特卡罗数值研究

深入研究电子束对中性气体电离的物理机理,在粒子模拟(PIC)软件CHIPIC的基础上,设计了蒙特卡罗(MCC)电离碰撞模块,并对电子与离子同时进行了跟踪,成功研制了全三维电磁PIC/MCC代码.通过该软件对填充氦气相对论返波管的模拟,对全三维电磁PIC/MCC代码进行验证.模拟结果显示:填充气体可以中和空间电荷限制效应,有效提高电流大小;填充适量的气体可提高功率峰值,扩展脉冲宽度;过量的气体则会缩短脉冲宽度、降低峰值功率.     

空心阴极类火花放电初始电离过程的PIC/MCC模拟

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法,应用静电模型,编写了准三维的模拟程序.该程序能够较好地描述空心阴极类火花放电初始电离过程的演化步骤.通过研究电离过程的细节,可以认为该阶段电离过程是空心阴极效应和局部强电场共同作用的结果.从起始电离到空心阴极初始阶段,局部强电场在电离过程中起到了支配作用;随后空心阴极效应占据主导地位. 关键词： 粒子模拟 蒙特卡罗 空心阴极 类火花放电     

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采用粒子模拟与蒙特卡罗模型相结合(PIC/MCC)的方法,建立了氮分子气体辉光放电自洽的混合模型,其中带电粒子在电场中的运动及其产生的自洽场由PIC方法的静电模型描述,粒子间的碰撞过程由MC方法描述。模拟了放电过程及带电粒子(e、N2+、N+)在整个放电空间的行为及与之对应的自洽电场和电势的分布,通过计算带电粒子在负辉区的几率分布函数,讨论了带电粒子(e、N2+、N+)在负辉区的行为和分布特征。计算的分子离子密度与实验结果一致。