在Bohm模式下氘氚燃烧的等离子体温度分布

在一定的等离子体密度分布下,从电子和离子能量输运方程出发,研究了氘氚燃烧下的等离子体温度分布.研究中采用了JET适用的Bohm模式下的热传导系数,考虑了α粒子的反常扩散效应,动态反馈加热.研究结果表明,Bohm模式下的热传导率从等离子体中心到边缘逐渐增加;为了维持氘氚燃烧,必须有动态反馈加热,否则,燃烧将熄灭;α粒子的反常扩散,使得加热效率因子η_α在中心区域小于1,在外层大于1;α粒子的反常扩散越强烈,中心离子温度越高,是由于中心区域的热传导小,电子温度低,反馈加热功率增加的结果;B 关键词：     

基于EAST束发射光谱的中性束衰减特征研究

中性束注入(NBI)是托卡马克装置重要的辅助加热与电流驱动手段,中性原子的离化是决定中性束的加热(能量和粒子沉积剖面)和电流驱动效率的关键环节。通常情况下,利用背景等离子体参数与中性束参数模拟计算快的中性粒子与等离子体的离化,即中性束沉积过程,进而分析托卡马克中性束加热和电流驱动效果。束发射光谱是高能中性粒子注入等离子体后,与等离子体的电子、离子发生碰撞激发,中性粒子退激发过程中产生的一系列特征谱线,其束发射光谱强度受等离子体密度、温度、束能量、束密度等因素影响,可以利用束发射光谱强度变化研究中性束的衰减特性。在EAST托卡马克上通过实验测量中性束粒子与等离子体碰撞激发的光谱强度,分析得到了中性束在不同等离子体密度以及不同中性束能量下的衰减特性,并采用主动束光谱仿真与数值分析软件(SOS)进行了相应的模拟计算,研究表明实验测量与模拟计算结果两者具有较好的一致性,这验证了通过实验测量束发射光谱获取中性束衰减特征的可行性。     

球形及柱形磁化等离子体靶中α粒子能量沉积率分析

基于单粒子理论模型及积分算法,编写了单粒子轨道数值模拟程序———ALFA,分析了柱形和球形两种边界位形磁化等离子体靶中非热α粒子通过库仑碰撞对D-T等离子体加热的能量沉积率。在均匀背景磁场及相同的D-T等离子体密度、温度条件下,柱形边界中非热α粒子能量沉积率比球形边界更高。在相同等离子体温度及密度条件下,α粒子的能量沉积率随磁场的增大而增大,但计算结果表明,磁场的有效作用区域存在明显的上下限值,当等离子体内磁场小于下限阈值时,磁场增加对α粒子能量沉积率的提高贡献不大,而且当等离子体内磁场超过上限阈值后,磁场再增加对提高α粒子能量沉积率的作用也不明显。对不同几何尺寸的磁化等离子体靶,磁场有效作用区域的上下限值不同,靶尺寸越大,相应的上下限阈值越小。提高等离子体密度,可增加α粒子能量沉积率,也能降低磁场有效作用区域的上下限阈值。     

托卡马克中局域磁扰动引起的高能量离子损失研究

基于单粒子导心运动代码ORBIT，采用测试粒子模拟方法，研究了托卡马克等离子体内部不同径向位置处局域磁场扰动对高能量离子的损失的影响。研究表明，在局域磁扰动主要分布在某磁面附近、其环向具有类似纹波场形式下，可造成一些靠近等离子体中心区域的高能量离子损失，但对靠近等离子边界的离子损失影响相对不大。这些损失的高能量离子均为捕获离子，离子的投掷角越大就越容易损失。此外，造成高能量离子最大损失率的局域场径向位置与这些损失离子的初始径向位置通常存在一定的偏移，而且这个偏移与这些离子的能量密切相关。当局域场出现在某些位置时，能量较低的离子会有一定的损失，能量较高的离子反而不会损失。     

反场构型等离子体靶压缩过程中强磁场对α粒子能量的约束效应

基于一维弹塑性磁流体力学程序（SSS-MHD）,研究了反场构型（FRC）等离子体靶在磁驱动固体套筒压缩过程中强磁场对α粒子能量约束效应,分析了α粒子的非局域和局域自加热对FRC等离子靶压缩峰值温度的影响,以及α粒子能量在整个压缩过程中端部损失效应。等离子体部分采用多温单流体的模型,能量的计算中引入了DT离子、电子及α粒子多成分温度的能量方程,同时考虑了等离子体压缩过程热平衡下的核反应和非局域自加热问题。研究结果表明,磁化靶聚变等离子体在压缩过程中具有较好的稳定性,能够保持刚性转子的靶结构,压缩过程形成的强磁场能够将α粒子的能量约束在O点附近的区域,有利于等离子体靶的点火及燃烧;α粒子对等离子体的自加热效应主要集中在等离子体电流中心区,而非等离子体中心轴处;α粒子对DT等离子体局域和非局域自加热过程存在差异,局域自加热过程的功率大于非局域自加热过程的功率,FRC等离子靶压缩峰值状态温度相差0.5倍。在反场构型的刮离层区,α粒子的能量端部损失在FRC等离子体靶的压缩和膨胀过程中逐渐增大。     

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采用蒙特卡罗模型对氮空心阴极放电等离子体鞘层离子(N2 、N )的输运过程进行了模拟研究,计算了阴极鞘层中氮离子(N2 、N )的能量及角分布的空间变化和粒子密度及平均能量随放电参数的变化规律。研究结果表明:空心阴极放电产生的氮离子,在鞘层输运过程中,N2 是密度几乎不变的低能粒子;N 是密度逐渐减少的高能粒子。随着电压增加,N 密度减小,平均能量增加;N2 密度和平均能量变化不明显。能量及入射角的相对分布规律与平板电极氮直流辉光放电基本类似,但圆筒空心阴极放电更有利于氮离子的产生。     

球形及柱形磁化等离子体靶中α粒子能量沉积率分析

基于单粒子理论模型及积分算法,编写了单粒子轨道数值模拟程序ALFA,分析了柱形和球形两种边界位形磁化等离子体靶中非热粒子通过库仑碰撞对D-T等离子体加热的能量沉积率。在均匀背景磁场及相同的D-T等离子体密度、温度条件下,柱形边界中非热粒子能量沉积率比球形边界更高。在相同等离子体温度及密度条件下,粒子的能量沉积率随磁场的增大而增大,但计算结果表明,磁场的有效作用区域存在明显的上下限值,当等离子体内磁场小于下限阈值时,磁场增加对粒子能量沉积率的提高贡献不大,而且当等离子体内磁场超过上限阈值后,磁场再增加对提高粒子能量沉积率的作用也不明显。对不同几何尺寸的磁化等离子体靶,磁场有效作用区域的上下限值不同,靶尺寸越大,相应的上下限阈值越小。提高等离子体密度,可增加粒子能量沉积率,也能降低磁场有效作用区域的上下限阈值。26035002     

α粒子的慢化过程对D-T等离子体聚变燃烧的影响

在双温聚变燃烧点模型框架下，对比D-T等离子体聚变燃烧过程中α粒子能量逐步沉积与瞬时沉积两种描述的等离子体温度、离子数密度随时间的变化，在不同的密度条件下作了计算，考察了α粒子的慢化过程对D-T聚变点火的影响.发现考虑α粒子的慢化过程后，D-T等离子体峰值温度的出现将会推迟若干皮秒甚至几十皮秒，在较低的初始温度密度条件下，时间推迟得更多些.等离子体的峰值温度比α粒子能量瞬时沉积描述也会下降13keV左右. 关键词： α粒子 聚变燃烧 能量沉积 慢化过程     

ICP等离子体鞘层附近区域发光光谱特性分析

为了独立控制鞘层附近区域离子密度和离子能最分布,采用光发射谱(OES)测量技术,对不同射频功率、放电气压和基底偏压下感应耦合等离子体鞘层附近区域辉光特性进行了研究.原子谱线和离子谱线特性分析表明,在鞘层附近区域感应耦合等离子体具有较高的离子密度和较低的电子温度.改变放电气压和射频功率,对得到的光谱特性分析表明,鞘层附近区域离子密度随射频功率的增大而线性增大,在低压下随气压的升高而增大.低激发电位原子谱线强度增加迅速,高激发电位原子谱线强度增加缓慢,而离子谱线强度增加很不明显.改变基底直流偏压,对得到的发射光谱强度变化分析表明,谱线强度随基底正偏压的增加而增大.随着基底负偏压的加入,谱线强度先减小而后增大;直流偏压为-30 V时,光谱强度最弱.快速离子和电子是引起Ar激发和电离过程的主要能量来源.     

激光烧蚀硅表面的发射光谱分析

研究了不同能量的纳秒激光脉冲聚焦到单晶硅片上时,激光等离子体的自由电子密度和温度以及损伤形貌随激光脉冲能量增加的变化规律。研究结果表明：激光脉冲击穿硅介质产生的激光等离子体的体积以及自由电子密度和温度大小,决定了硅表面损伤的形貌特点和大小。自由电子密度和温度的变化特点是：随着激光脉冲能量的增加,激光等离子体的体积不断增大,自由电子温度缓慢增加而密度基本不变。又由于激光等离子体的自由电子密度和温度呈现从中心到边缘由大到小的变化趋势,所以损伤形貌总的特点是内部区域的熔化非常充分,形成明显的周期性排列的规则条纹,且条纹的排列趋势呈现环状;中部区域熔化不充分,形成条纹不很规则;边缘区域处分界明显,有时出现等离子体产生喷溅变色痕迹。     

HL-1M装置边缘参数测量

在HL－1M装置上利用马赫／郎缪尔探针分别在欧姆放电,低杂波注入,中性束注入,离子回旋加热和电子回旋加热等情况下测量下刮离层和等离子体边缘的极向流速度和电场,得到了它们的径向分布,研究了LHW,NBI,ICRH和ECRH对改善等离子体约束性能,边缘粒子的径向传输的影响。     

快点火中质子的能量沉积和神光Ⅱ升级装置上的质子束的产生

基于神光Ⅱ升级装置激光条件,利用流体程序、粒子模拟程序和Fokker-Placnck程序,模拟研究质子快点火中所需质子束的品质以及产生所需质子束的激光条件.首先根据快点火靶的条件,利用Fokker-Planck方程模拟快点火所需的质子束的能量范围,模拟表明当背景等离子密度为300 g/cm³时,能量为7—12 MeV的质子束适合点火;当背景等离子体密度为400 g/cm³时,能量为8—18 MeV的质子束适合点火.再根据神光Ⅱ升级装置实验条件研究质子束所需的激光参数,通过利用粒子模拟程序,结合流体程序给出的预等离子体,分别模拟研究了加预等离子体和不加预等离子体两种情况下的质子加速,在有预等离子体时得到的质子束最大能量约为22 MeV,没有预等离子体时得到的质子束最大能量为17.5 MeV,具体分析了两种情况下质子加速的物理机制,其结果跟等离子体自由膨胀模型结果符合得很好.     

带电粒子与磁化等离子体相互作用的极化效应及能量损失

 利用线性Vlasov-Poisson方程,研究了带电粒子在磁化二份量等离子体中运动时产生的动力学极化效应及能量损失,重点分析了外磁场及等离子体中离子的极化效应对入射粒子能量损失响。数值结果表明：入射粒子的能量损失有两个峰,分别位于高速区和低速区,对应于等离子体中的电子极化效应和离子极化效应。在强磁场情况下,低速粒子的能量损失主要来自离子的极化效应;而在弱磁场情况下,高速粒子的能量损失则主要来自于电子的极化效应。     

VUV信号强度与等离子体宏观参数相关性分析

东方超环(EAST)上高速真空紫外(VUV)成像系统是一套选择性测量中心波长为13.5 nm的等离子体线辐射的光学成像系统。此系统具有高时空分辨能力,主要用于边界(包括台基区)等离子体行为研究。该系统已经投入EAST等离子体物理实验并获得了大量的实验数据。基于这些数据,分析了VUV诊断系统的信号强度与等离子体宏观参数之间的相关性,着重研究了EAST上中性束注入(NBI)加热功率、杂质(碳和锂)水平、电子密度等因素对VUV信号强度的影响。结果与预期基本一致：随着NBI功率的增加,VUV信号强度随之增强;VUV信号强度与电子密度、杂质水平呈现线性关系。此外,本文还评估了由于NBI注入引起的电荷交换复合产生的C⁵⁺离子对VUV信号的贡献,结果表明这部分贡献可以忽略不计。     

CF4气体ICP等离子体中的双温电子特性

使用朗谬尔探针方法研究了低压CF4气体感应耦合等离子体（ICP）的放电特性.结果表明 ，CF4等离子体的电子呈现双温分布：一类是密度低、能量高的快电子，另一类是密度高 、能量低的慢电子.快电子温度The、慢电子温度Tce以及它们的平均 电子温度Te随射频输入功率的增加而下降；而它们的密度nhe，nce和ne随功率的增加而上升.从电子与气体粒子碰撞能量平衡的角度解释了双温电子特性与射频输入功率之间的关系. 关键词： 感应耦合等离子体 CF4气体 朗谬尔探针 电子温度     

高性能自持燃烧的氘氚等离子体

在等离子体密度分布一定的情况下，从电子、离子的能量输运方程出发，对常规剪切和中心负剪切位形下高性能自持燃烧的氘氚等离子体进行了研究.常规剪切下采用与能量约束改善因子H有关的Bohm热传导系数，中心负剪切下采用一个与磁剪切有关的Bohm-gyro-Bohm混合型的热传导系数，并考虑了α粒子反常扩散和动态反馈加热对氘氚自持燃烧的影响.研究结果表明，常规剪切下当H≥3时，才有较大的能量输出，当H接近4时无须动态反馈加热氘氚就能获得自持燃烧；在中心负剪切位形下，等离子体的运行性能更高，有更高的能量输出，一旦氘氚达 关键词： 高性能等离子体 氘氚自持燃烧 中心负剪切     

双频容性耦合CF4等离子体放电的二维混合模拟

研究了等离子体反应装置内的等离子体密度、粒子能量与角度分布等参量在装置径向与轴向上的分布特性。在研究过程中应用二维混合模型对CF4气体放电进行模拟。计算结果显示:在电极表面与侧壁附近的鞘层区特性有明显的区别。由于装置侧壁处受电源产生的射频电场的影响较小,侧壁处的鞘层主要由双极扩散机制形成,其产生的径向电场强度较弱,鞘层厚度也较薄。而在电极附近,由于受到射频电场的影响,鞘层的厚度显著增加,指向电极方向的轴向电场强度也远大于指向侧壁方向的径向电场强度。在电极区域内,离子通量分布均匀;在电极边缘与侧壁的间隙内,因电场强度减小,离子通量则发生迅速衰减。在射频电极覆盖的范围内离子能量分布大体上保持不变,电极与侧壁的交界处,由于受到侧壁处径向电场的影响,离子能量分布略有不同。在放电装置的中心区域,入射到电极上的离子角度分布基本保持一致,而在电极边界与装置侧壁的交界处,由于径向电场的影响,离子的垂直入射角增加,以大角度轰击电极的离子数量也显著增加。     

射频等离子体离子能量分布特性研究

利用质谱仪对不同进气速率下的氩气、氮气及氮-氘混合三种射频感应耦合等离子体的离子能量分布、离子浓度演化进行了研究。实验结果表明,等离子体的离子能量分布呈多峰结构;在功率一定时,纯氩气及氮气离子的峰值能量随进气速率增加向低能端移动,且离子通量密度逐渐降低;而氮-氘混合等离子体生成的氨系离子 ND₄⁺,峰值离子能量随氘气进气速率先降低后上升,通量密度先增大后降低。      

双频容性耦合CF4等离子体放电的二维混合模拟

研究了等离子体反应装置内的等离子体密度、粒子能量与角度分布等参量在装置径向与轴向上的分布特性。在研究过程中应用二维混合模型对CF4气体放电进行模拟。计算结果显示：在电极表面与侧壁附近的鞘层区特性有明显的区别。由于装置侧壁处受电源产生的射频电场的影响较小,侧壁处的鞘层主要由双极扩散机制形成,其产生的径向电场强度较弱,鞘层厚度也较薄。而在电极附近,由于受到射频电场的影响,鞘层的厚度显著增加,指向电极方向的轴向电场强度也远大于指向侧壁方向的径向电场强度。在电极区域内,离子通量分布均匀;在电极边缘与侧壁的间隙内,因电场强度减小,离子通量则发生迅速衰减。在射频电极覆盖的范围内离子能量分布大体上保持不变,电极与侧壁的交界处,由于受到侧壁处径向电场的影响,离子能量分布略有不同。在放电装置的中心区域,入射到电极上的离子角度分布基本保持一致,而在电极边界与装置侧壁的交界处,由于径向电场的影响,离子的垂直入射角增加,以大角度轰击电极的离子数量也显著增加。     

中性束注入加热下旋转和Zeff对EAST中子出射影响的研究

为了判断中性束注入加热效果和研究等离子体宏观旋转和有效电荷数(Z_eff)对中子出射的影响,结合实验数据,利用TRANSP模拟程序研究了EAST中性束注入加热时,等离子体旋转速度、有效电荷数Z_eff以及等离子体储能与中子出射率的关系。模拟结果表明,在能量为65keV、功率为2.89MW的中性束注入加热时,等离子体产生较大的旋转,旋转减少快离子热化时间,降低中子产额;有效电荷数Zeff增加时,快离子投掷角散射增强,束靶反应减少,中子产额缩减。中子出射率随等离子体储能的增加而增加。