基于整体模型的负氢等离子体源的数值模拟及实验验证

论文摘要

磁约束聚变装置中的中性束注入技术可以有效地加热等离子体和驱动等离子体电流。负氢离子在引出的束能量较高时仍然可以保持很高的中性化效率,因此对未来的磁约束聚变堆中性束加热技术将起到关键性的作用。负氢离子源中的关键问题之一是如何优化负氢离子的产额。为了理解负氢离子的体产生机制,从而进一步地改善负氢离子源的性能,需要一个经过验证的模型。与流体模拟和粒子模拟相比,整体模型忽略了等离子体参数的空间变化,所以更适合模拟包含复杂化学动力学过程的氢气放电。此外,整体模型可以快速地评估不同反应的重要性进而简化模型中的化学动力学过程。在放电气压较低的负氢离子源中,电子的动理学是非局域的,而负氢离子的产量依赖于电子的动理学。由于整体模型不包含电子动理学的信息,因此不同模型间的耦合以及与实验测量的结合将有助于研究负氢离子源的放电特性。第一章介绍了负氢离子源的应用背景、模拟研究进展以及实验研究进展,并对现有研究中面临的问题进行了分析,最后提出本文将要研究的内容。第二章利用整体模型耦合电磁场方程和线性动理学方程研究了射频频率、放电气压及线圈电流对感性电场分布和功率密度分布的影响,并揭示了反常趋肤效应。结果表明,低气压、低射频频率以及低电流幅值更利于等离子体从射频电场中吸收功率。这是因为在这些条件下,等离子体的密度更低,电场的穿透深度更大。此外,模型计算的电子密度和电子温度与实验测量值取得了合理的一致。第三章开发了适用于任意电子能量分布函数的整体模型,并在模型中耦合了氢原子加热方程,研究了低气压情况下,电子能量分布函数对等离子体参数的影响。结果表明,在较低气压时,由于双麦克斯韦分布包含更多的低能电子,进而可以增加负氢离子的产额。此外,在两种电子能量分布函数情况下评估了不同反应对不同氢分子振动态的产生和损失的贡献。最后,将模型计算的电子密度和电子温度与他人的模拟结果和实验结果进行对比,取得了很好的一致。第四章对整体模型程序进行了校准以及实验验证。通过与他人开发的模型针对所有粒子密度和电子温度进行对比,得到了很好的一致。实验的验证主要是与其他学者基于电子回旋共振等离子体源测量的负氢离子密度进行对比。模型计算和实验测量取得了定性一致的结果。负氢离子的密度随气压的增加而趋于饱和,这主要是因为冷电子的密度趋于饱和,进而抑制了用于生成负氢离子的解离吸附过程。第五章先对复杂的氢分子振动动力学过程进行分类,随后利用整体模型对这些过程进行详细地评估和简化,并假设氢分子振动态与器壁碰撞后退激发到任意较低态的几率是相等的,推导出可以快速计算氢分子振动分布的简化模型。结果表明,平均化的退激发几率几乎不影响氢分子的振动分布。简化模型与整体模型计算的氢分子振动分布符合的很好。最后,对本文的研究进行了总结以及对今后将开展的工作进行了展望。

论文目录

摘要

ABSTRACT

主要符号表

1 绪论

1.1 核聚变

1.2 中性束加热

1.3 负氢离子源的实验研究

1.4 负氢离子源的数值模拟研究

1.5 本文主要研究内容及安排

2 氢气放电中的趋肤效应

2.1 引言

2.2 混合模型

2.2.1 电磁场模块

2.2.2 电子的线性动理学模块

2.2.3 整体模型

2.3 氢气的化学反应

2.4 模拟结果与讨论

2.4.1 射频频率对感性电场和功率密度的影响

2.4.2 放电气压对感性电场和功率密度的影响

2.4.3 线圈电流对感性电场和功率密度的影响

2.4.4 气压和功率对等离子体参数的影响

2.5 模型的实验验证

2.5.1 实验装置及诊断系统

2.5.2 模拟结果与实验结果的对比

2.6 本章小结

3 电子动理学对低气压氢等离子体放电特性的影响

3.1 引言

3.2 改进的整体模型

3.3 实验测量的EEPF

3.4 EEPF对等离子体参数的影响

3.4.1 电子密度和电子温度

3.4.2 氢原子密度和氢原子温度

3.4.3 负氢离子密度和氢分子振动态密度

3.4.4 氢分子振动态的产生和损失机制

3.5 实验验证

3.6 本章小结

4 针对负氢等离子体源的整体模型程序的校准和实验验证

4.1 引言

4.2 改进的整体模型

4.3 整体模型程序的校准

4.3.1 每个电子-离子对产生的碰撞能量损失

4.3.2 负氢离子密度和电负性

4.3.3 电子温度和电子密度

4.3.4 氢分子的振动分布

4.3.5 两个模型计算的正离子密度和氢原子密度的对比

4.4 整体模型的实验验证

4.4.1 实验装置及诊断系统

4.4.2 气压对电子密度的影响

4.4.3 气压对氢分子的振动分布的影响

4.4.4 负氢离子密度的确定

4.4.5 气压对负氢离子的产生和损失机制的影响

4.5 本章小结

5 针对负氢等离子体源中氢分子振动动力学的简化模型

5.1 引言

5.2 振动动力学的化学反应

5.3 振动动力学的反应评估

5.4 振动态密度满足的矩阵方程

5.5 约化线性模型

5.5.1 封闭边界

5.5.2 开放边界

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

附录A 振动态产生和损失间的平衡

附录B 封闭边界时振动态密度的解

附录C 开放边界时振动态密度的解

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨唯

导师: 王友年,Igor D.Kaganovich

关键词: 感性耦合等离子体,负氢等离子体源,整体模型

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 大连理工大学

分类号: O53;TL631

总页数: 129

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