论文部分内容阅读
自全球ITER计划启动以来,各国在等离子体受控热核聚变研究中,基于高能负氢离子源中性束注入方面做了大量的工作。其中,多峰场负氢离子源由于能高效地产生负氢离子,在中性束注入系统中有着极大的应用前景,该类型离子源运用最广的模型装置主要有JAERI10A、J-PARC、JT-60U、Camembert Ⅲ等。本论文在CHIPIC软件平台上,基于三维PIC/MCC算法,对JAERI10A和J-PARC两种多峰负氢离子源进行了数值模拟分析研究。主要包括以下几个方面的内容：1.在直角坐标系下,推导了矩形永磁体的三维差分数值算法,将其编写成程序添加到CHIPIC软件的永磁计算模块中,实现了对负氢离子源中多峰磁场的正确求解。2.将电磁粒子模拟方法(PIC)和蒙特卡罗碰撞方法(MCC)相结合,在CHIPIC软件平台上实现了用于负氢离子源数值模拟的三维PIC/MCC算法。3.运用三维PIC/MCC算法,首先对JAERI10A负氢离子源进行了数值模拟研究,揭示了负氢离子源中电子非均匀分布与引出区多峰磁场的形态分布有关。然后从多峰磁场形态的设置和离子源结构的选择这两方面对多峰离子源进行均匀性优化设计。一方面多峰磁场形态的设置主要讨论了External和Tent两种特殊形态,通过对两种形态下电子能量沉积的数值模拟,发现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,模拟结果还显示出前者对粒子的约束能力更强,能明显产生更多的粒子,而后者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；另一方面,适当调节离子源结构也可以得到均匀分布的离子束。4.运用三维PIC/MCC算法,研究了两种类型J-PARC负氢离子源放电机制,分析了其体积产生效率与校正磁体位置之间的联系。结果表明第1型J-PARC离子源空间分布均匀,其体积产生效率较高无需引入表面产生机制,可以降低离子源设计难度和成本,第2型J-PARC离子源中校正磁体位置对其体积产生影响较大。