托卡马克装置中纳米灰尘与面向等离子体材料相互作用的模拟与分析

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChina博士学位论扼十马克襄置中纳米灰尘与面向等寫子体论文题目材科相互作用的模拟与分析手国作者姓名等禽子体物理学科专业罗岛研免员导师姓名二—五年五月完成时间密级博士学位论文托卡马克装置中纳米灰尘与面向等离子体材料相互作用的模拟与分析作者姓名：牛国鉴学科专业：等离子体物理指导教师：罗广南研究员完成时间：二〇一五年四月二十三日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor'sdegreeSimulation

2、andanalysisoftheinteractionsbetweennano-dustandplasma-facingmaterialsinTokamakAuthor'sName:Guo-jianNiuSpeciality:plasmaphysicsSupervisor:Prof.Guang-nanLuoFinishedtime:April23rd,2015中国科学技术大学学位论文原创性声明郑重声明：本人呈交的学位论文《论文题目》，是在导师的指导下，进行研究工作取得的成果。论文中所有数据、图片资料均真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外

3、，本学位论文的研宄成果不包含他人享有的著作权的内容。对本论文所涉及的研宄工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位，本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。作者签名签字日期：鳩欠二中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学院大学拥有学位论文的部分使用权，：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文

4、档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。开口保密一作者签名：年签字日期：摘要摘要灰尘问题是困扰核聚变实现商业应用的主要难点之一。灰尘不但是杂质的来源之一，使等离子体控制变得困难，更会与面向等离子体材料发生相互作用，造成材料表面的改性甚至造成损伤，形成溅射原子。本文较为系统的研宄了灰尘与面向等离子体材料相互作用过程。本文首先分析了在等离子体鞘层中灰尘所受电场力，并与其他受力，如摩擦力、重力等力进行比较，得出灰尘颗粒在等离子体鞘层中的运动方程，为灰尘与材料相互作用提供灰尘的初始入射速度。其次本文应用分子动力学方法对灰尘与面

5、向等离子体材料的相互作用过程进行了模拟，模拟结果表明，灰尘的入射速度、数目、以及尺寸都与作用结果相关。最后本文根据碰撞理论对灰尘与面向等离子体材料相互作用进行了理论分析，提出了能够预测灰尘与材料相互作用结果的分析预测模型。在对处于等离子体鞘层中的灰尘颗粒进行分析的工作中，本文使用双球坐标系以及双极坐标系，分别对灰尘未接触面向等离子体材料表面以及接触材料表面两种情况进行了解析计算，得出了有灰尘存在下等离子体鞘层的电场分布，并求得了灰尘表面电荷密度分布以及灰尘电势与灰尘电荷的关系。基于这些结果，本文得出了灰尘在等离子体鞘层中的所受电场力，并与灰尘可能

6、受到的其他力进行了比较，求出了灰尘在鞘层中的受力方程，进而得出灰尘入射到材料表面时的速度，为灰尘与面向等离子体材料相互作用的模拟提供了基础。本文讨论了诸多可能影响灰尘与面向等离子体材料的因素，如灰尘入射速度能量、灰尘尺寸、数目、角度以及材质。由于将使用铍和钨作为第一壁和偏滤器材料，本文讨论了铍、钨灰尘与铍、钨面向等离子体材料的相互作用。结果表明，根据入射能量的不同，灰尘对模型等离子体材料的影响有三种，入射能量较低的灰尘颗粒会粘附在材料表面且不发生变形，多个灰尘入射的情况下会形成疏松的薄膜，入射速度较高的灰尘颗粒可能形成致密的薄膜但基本不会对材料表

7、面造成损伤。当超高速的灰尘颗粒入射到材料表面时，会对材料造成损伤，损伤程度与入射灰尘颗粒的速度与尺寸有关。同时，不同材质的灰尘和材料表面的作用结果是不同的，较轻的灰尘颗粒，如铍灰尘，难以对材料造成损伤，而较重的钨灰尘则易于对材料造成损伤。由于灰尘与面向等离子体材料相互作用的研宄方法与原子团簇与固体材料相互作用的方法是相同的，因此本文在讨论了托卡马克灰尘问题的基础上，在一定程度上扩展了本论文研究的范围，在此基础上进一摘要步讨论了团簇在固体表面造成的溅射和弹坑的情况。基于守恒律和碰撞理论，本文进一步提出了灰尘与面向等离子体材料相互作用的分析预测模型。

8、通过与分子动力学模拟结果以及其他文献中的模拟实验结果的比较，该模型能够较为准确的预测灰尘的变形阈值、材料的损伤阈值以及形成弹坑的尺寸。本