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《高能强流负离子束系统束光学特性的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第20卷第2期核聚变与等离子体物理Vol.20,No.22000年6月NuclearFusionandPlasmaPhysicsJune2000文章编号:0254-6086(2000)02-0093-07高能强流负离子束系统束光学特性的数值模拟王惠三,简广德,周才品(核工业西南物理研究院,成都610041) 摘 要:基于负离子2中性束注入器中强流负离子束引出与加速系统的特点所建立的数值模拟模型和计算程序,通过数值模拟研究了强流负离子束系统电磁场位形、几何参数、等离子体参数、束流密度和负离子剥离损失对负离子束光学特性的影响。对8电极800ke
2、V强流负离子束系统-2-的初步优化结果表明:对引出流密度为21mA·cm的H离子束,当负离子初始温度为012eVo时,由系统出射的85%束散角可达到0123。关键词:强流负离子束系统;数值模拟++中图分类号:TL629.1;O523126 文献标识码:A1 引言用大功率高能中性束注入器对大型受控核聚变装置进行等离子体加热、无感电流驱动、电流分布控制和点火是目前研究的主要方面。由于负离子在高能量下仍具有很高的中性转换效[1]率,发展负离子2中性束注入器已成为必然趋势。对强流负离子束系统进行数值模拟研究的主要目的就是为以后进行该系统的辅
3、助设计做准备。由于强流负离子束系统与正离子束系统相比具有不同的特点,因此该系统的数值模拟与正离子束系统的数值模拟相比,其物理模型涉及了更多的物理过程:磁场中的等离子体电子扩散,负离子和伴随负离子引出的电子在系统电磁场共同作用下的运动以及负离子在输运过程中与其他粒子碰撞的剥离损失等。负离子束系统的数值模拟与正离子束系统的数值模拟相比,计算程序更为复杂,增添了更多的内容。2 数值模拟的物理模型与基本方程强流负离子束系统的主要特点可归纳为:a.电子伴随负离子一起被引出、加速;b.为提高[2]系统效率,除改进、优化负离子源以提高负离子产生和生存率并减
4、少伴随引出的电子流外,还要在系统内加磁场,将已引出的电子在低能下偏转接收,通常在低电位(≤10kV)的引出电收稿日期:1999-09-29;修订日期:2000-01-19基金项目:国家自然科学基金资助项目(19685006-02)作者简介:王惠三(1940-),男,山东蓬莱人,研究员,1965年毕业于清华大学工程物理系,主要从事离子源、离子束2中性束物理与技术的研究及相关电物理装置的研制和应用工作。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.94核聚变与等离子体
5、物理 第20卷极内埋置的永久磁铁将电子偏转到作为电子接收极的引出电极上;c.利用与引出电极电位相近的抑制电极吸收来自引出电极的二次电子和束中残存的电子;d.负离子在引出、加速过程中存在与其它粒子碰撞的剥离损失过程;e.由于负离子产生率低,负离子束系统中的负离子束流密度大大低于常规的正离子束系统中的正离子束流密度(两者相差约一个量级);f.在经改进[3]后的馈铯式“体积”型负离子源中,负离子的温度很低(≤012eV),故负离子束能获得较好的束光学特性。强流负离子束系统的关键问题在于增大束中负离子ö电子的比例,减少负
6、离子损失,以提高系统的效率。对于强流负离子束系统,除了计算系统的电位分布外,还要计算其磁场分布,进而计算电子和负离子束在电磁场共同作用下的轨迹以及它们的空间电荷效应对束光学特性的影响等。因此,在泊松方程中必须附加电子电荷项并同时求解负离子和电子在电、磁场中的运动方程,需联立求解的基本方程是:¨×H=J(1)¨õB=0(2)2¨5=-(Qi+Qe)öE(3)d(mivi)ödt=qi(vi×B-¨5)(4)d(meve)ödt=qe(ve×B-¨5)(5)¨õ(Qivi)=0(6)¨õ(Qeve)=0(7)式中,H为磁场强度矢量;5为电势;Qi
7、和Qe分别为负离子和电子电荷密度;mi和me分别为负离子和电子质量;qi和qe分别为负离子和电子电荷量;vi和ve分别为负离子和电子的速度矢量;B为磁感应强度矢量;E为介电常数。为模拟负离子在输运过程中的剥离损失,还必须对负离子束通过某些区段后的电荷密度Qi进行修正:Qi=Qi(1-F)(8)式中F是负离子经过相应区段的损失率。在正离子、负离子和电子组成中性的离子源等离子体中,由等离子体2鞘层模型和电子横越磁场通过鞘层的玻姆扩散模型来确定发射初始条件。计算时可将发射面分成若干单元,每单元按离子无规热速度服从有定向漂移速度的麦克斯韦分布,引出具
8、有不同初始速度方向的数[4]条小束来模拟对负离子温度所表征的初始无规热速度的影响。利用三角网格、有限元法解泊松方程,可以较方便地对复杂电极形状和边界进行处理。磁场分
