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《离子引出过程的实验与数值模拟的比较》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第31卷第1期原子能科学技术Vol.31,No.11997年1月AtomicEnergyScienceandTechnologyJan.1997离子引出过程的实验与数值模拟的比较严 敏 王德武 应纯同 诸旭辉(清华大学工程物理系,北京,100084)朱 洪 张秀华 李建新 张云兴(核工业理化工程研究院,天津,300180)研究了原子蒸汽激光同位素分离器中离子的引出过程。将阴极离子流随时间的变化、离子引出时间受外电场和等离子密度的影响以及离子密度分布的变化等实验结果与数值模拟结果进行了比较,两者符合得较好,从实验上验证了22D离子引出理论模型有较好
2、的适用性。关键词离子引出 等离子体 原子蒸汽激光同位素分离原子蒸汽激光同位素分离(AVLIS)的离子引出是指将激光与原子作用产生的等离子体[1,2]引出收集的过程。在进行22D离子引出理论研究的同时,为了从实验上了解离子引出的规律,将进行相应的实验研究,并把实验结果与理论计算结果进行比较和分析,以验证理论模型的适用性。12-D理论模型激光垂直xy面入射,与原子蒸汽作用产生等离子体,采用两电极板收集(图1)。离子运动用流体理论处理。在离子运动的时间尺度上,认为电子处于平衡态,服从Boltzmann分布;由于离子引出时间很短,认为电子与离子温度在引出
3、过程中保持不变;假设极板完全吸收;不考虑带电粒子碰撞引起的电荷变化;工程上光传输方向的等离子体长度和极板在该方向的长度接近,并远大于横向尺寸,所以可按22D模型处理。111 数学模型描述离子引出过程的数学方程为:5Qi离子连续性方程:+¨·(Qivi)=0(1)5t25vic¨Qi离子动量方程:+(vi·¨vi)=-¨7-(2)5tQi2泊松方程:¨7=Qe-Qi(3) 收稿日期:1996202206 收到修改稿日期:1996204215©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHous
4、e.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第1期 严 敏等:离子引出过程的实验与数值模拟的比较297电子热平衡方程:Qe=A(t)e(4)7约束条件:Ne=∫8A(t)ed8(5)dNe(t)极板电子通量:=∫sje·ndS(6)dt2其中:Qi为离子密度;Qe为电子密度;vi为离子运动速度;t为时间;7为电位;c=TiöTe是离子温度与电子温度之比;Ne(t)为极板间电子总数;A(t)=Qmax(t)exp(-7p)是与时间有关的量,Qmax(t)是等离子体密度最大值,7p是等离子体电位;n为边界法线方向;
5、je=Qevtö4是电子流密度,vt=8kTeöPme是电子平均热速度;8为收集区;S为边界区域;mi为离子质量,me为电子质量,k为玻耳兹曼常数。Qi、Qe、vi、7、Ne(t)、A为6个未知数。对方程(1—6)进行了无量纲化,即以离子振荡频率的倒数为时间单位,德拜长度为长度单位,最大离子初始密度为密度单位;玻姆速度kTeömi为速度单位,kTeöe为电势单位。图1 离子引出系统Fig.1Ionextractionsystem1——阴极板(接地);2——阳极板;3——不锈钢网;4——准直板112 方程的特点与求解离子引出是一个有关带电粒子运动的
6、强烈非线性动力学问题。22D流体力学方程组(1,2)的离散采用迎风格式,时间用显式向前差分格式离散,空间用矩形有限元方法离散,元的不连续用通量分裂处理,非线性泊松方程(3)用牛顿2拉弗森方法求解。A用极值法求解。具体的22D方程离散过程、计算流程图及求解过程参见文献[3]。113 初始条件和边界条件当脉冲激光作用后,加入外电场。激光产生的初始等离子体有一向上飞行的初速度v0,与原子蒸汽束速度相同。阳极接恒定的正高压,阴极接地。其它边界条件有:Qivi·n≥0,je=Qevtö4。由于两极板间距小于极板高度较多,极板间的边界电位为两极板电位的线性差
7、值。在给出以下具体条件:初始等离子体密度、收集区尺寸、初始等离子体区尺寸、离子初速度、极板电压以及电子和离子温度后,就可利用数值计算来了解外加电场作用下的离子引出过程,包括极板间等离子体密度、电位、离子速度和离子流等物理量的空间分布的变化规律。©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net30原子能科学技术 第31卷2 实验211 实验原理实验中将靶料用欧姆法加热蒸发形成原子蒸汽束,激光将原子电离,形成等离
8、子体,再由外加电场引出收集。实验主要对离子流和离子引出时间进行研究。离子引出时间是指用电场将离子引出的时间,数值模拟时系指99%的离子被
