负氢离子源的整体模型模拟研究

摘要

负氢离子源被应用在:磁约束聚变，中性束注入和材料表面加工改性等过程中。ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)即国际热核聚变实验堆计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。对于磁约束聚变反应，反应的点火温度通常需要达到很高温度。而由于经典的欧姆加热的局限性:等离子体电阻随电子温度增加而下降，欧姆加热效率下降，不能达到点火要求(D-T反应离子温度:10-20keV)。从而中性束注入作为一种高效的辅助加热方式，被有效的应用在聚变装置中。为了能满足产生高速、高能中性束的要求，马克普朗克研究所设计了一种负氢离子源，等离子体产生的高能负氢离子通过中性化后注入托克马克装置，达到加热的目的。
　　本篇论文采用整体模型，对负氢离子的源区进行模拟，通过对氢分子，氢原子，氢正离子(H3+，H2+，H+)，氢负离子(H-)和电子的粒子数平衡方程和电子能量平衡方程进行求解，研究不同粒子的密度和电子温度随着吸收功率和气压的变化。
　　通过研究发现，在固定气压的情况下，H2+和H+的密度随着功率的增加而增加，H3+的密度随着功率的增加先显著增加然后开始逐渐减小，在较低功率时，H2+的密度占着主导地位，在高功率的情况下，H+密度占主导地位。H-的密度随着功率的增加而减小。在固定功率的情况下，随着放电气压的增加，H+的密度先增加后减小，H2+的密度逐渐降低，H3+的密度逐渐升高。在较低放电气压下H+的密度占主导地位，在高气压下，H3+的密度占主导地位。底端开放模型与封闭模型的比较:固定气压的情况下，H3+的密度在开放情况下衰减的更加剧烈，固定功率时，H+和H3+密度的变化趋势在两种情况下基本相同，然后对于H2+的密度在开放情况下变化的要比封闭时的变化缓慢。温度为500 K时的H+密度要高于假定温度为300K时的密度，假定温度的变化对H2+和H3+密度的影响并不是很大。固定为500K的电子密度要高于300K时的电子密度。电子温度并不随着假定温度的变化而变化。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 低温等离子体简介

1．2 负氢离子源的简介

1．3 负氢离子源的发展

1．4 负氢离子源的研究概览

1．4．1 负氢离子源的模拟方法

1．4．2 负氢离子源模拟研究进展

1．5 论文的结构与内容

2 整体模型模拟方法

2．1 概述

2．2 粒子数平衡方程

2．3 能量平衡方程

2．4 气体温度，表面反应及泵气过程

2．4．1 气体温度

2．4．2 表面反应

2．4．3 泵气过程

2．5 粒子从底部扩散出去的处理

2．6 本章小结

3 负氢离子源源区放电特性研究

3．1 引言

3．2 吸收功率对源区放电特性的影响

3．3 放电气压对源区放电特性的影响

3．4 粒子透过模型的放电特性

3．5 不同假定温度对计算结果的影响

3．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢