基于负氢离子源的全三维PIC/MCC数值模拟算法研究

摘要

目前，基于全球 ITER计划，大量关于中性束注入等离子热核研究正在各国进行中。由于负氢离子的中性化效率高，在热核实验发挥着至关重要作用，因此负氢离子源的研究具有较大意义。为了提升国内负氢离子源模拟方面的技术水平以及赶超国外研究水平，本论文旨在开发全三维粒子模拟与蒙特卡罗相结合（particle-in-cell plus Monte Carlo Collision,简写为PIC/MCC）模拟算法以及探索负氢离子源放电特性，主要包括以下几个方面的内容：
　　1．蒙特卡罗方法在阳极栅网（Foil）中的运用及矩形永磁体的数值计算。理论分析了电子与Foil碰撞过程，在CHIPIC平台下，运用蒙特卡罗算法，结合经验散射公式，研制了全三维 Foil计算模块，结合虚阴极振荡器进行验证。采用有限差分方法推导了直角坐标系矩形永磁体差分格式，并与理论计算结果进行了对比。
　　2．负氢离子源放电过程中电子能量沉积全三维PIC/MCC算法研制。分析了负氢离子源中等离子体物理机制，研究并优化粒子模拟方法和蒙特卡罗碰撞算法的基本处理技术，设计高效的粒子存储方法。考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞，研制了全三维电子能量沉积PIC/MCC算法，并与国外实验对比验证。
　　3．JAERI10A离子源三维模拟优化与体积产生机制探索。探索了JAERI10A多峰离子源中电子空间非均匀的起因，并提出了两种空间均匀性优化方案；分析了气压、引出磁场、放电电极位置以及放电初始能量等主要因素对负氢离子的体积产生效率的影响，得到了离子源参数优化方案。
　　4．多峰质子源与J-PARC离子源放电机制模拟研究。揭示了多峰质子源中电子空间及能量分布情形，分析了 J-PARC多峰离子源放电特性，以及讨论了校正磁体位置对其体积产生效率的影响，为国内离子源的开发提供理论指导。
　　5．中性粒子传输及负氢离子表面产生全三维PIC/MCC算法研制。理论分析了中性粒子传输机理，其中包括：电离、交换电荷碰撞，以及氢原子与边界的相互作用；完善并发展了负氢离子源中负氢离子表面产生物理机制，研制了全三维中性粒子传输及负氢离子表面产生模拟程序，并结合国外成果进行模拟验证。
　　6．JAERI10A离子源负氢离子表面产生研究及引出算法研制。将上述电子能量沉积和中性传输模块有机地结合起来，并对负氢离子源从放电始端到负氢离子表面产生的整个过程进行数值模拟，揭示了负氢离子空间非均匀性的起因，并分析了壁材料、氢正离子温度、产率函数等主要因素对负氢离子表面产率的影响。此外，设计了负氢离子引出过程数值模拟算法，并研究了放电室气压对JAERI10A离子源中负氢离子引出的影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

简缩字表

第一章 绪论

1.1 负氢离子源放电概述

1.2 负氢离子源放电的研究意义

1.3负氢离子源的研究概况

1.4 本论文的主要工作与创新

1.5 学位论文的组织

第二章 全三维PIC/MCC算法基本理论研究

2.1 引言

2.2 PIC方法

2.3 MCC方法

2.4 PIC/MCC算法设计

2.5 本章小结

第三章 矩形永磁体计算及Foil算法研制

3.1 引言

3.2 三维矩形永磁体计算

3.3 Foil数值模拟实现

3.4 本章小结

第四章电子能量沉积PIC/MCC算法实现及JAERI 10A离子源模拟研究

4.1 引言

4.2 电子能量沉积全三维PIC/MCC算法实现

4.3JAERI 10A离子源数值模拟研究

4.4 本章小结

第五章 多峰质子源及J-PARC负氢离子源数值模拟研究

5.1 引言

5.2 多峰质子源数值模拟研究

5.3 J-PARC离子源数值模拟研究

5.4 本章小结

第六章 中性粒子传输及H-引出算法的实现与应用

6.1 引言

6.2 中性粒子传输算法实现

6.3 H-表面产生全三维PIC/MCC模拟研究

6.4 H-引出数值模拟研究

6.5 本章小结

第七章 总结

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果