大功率射频负氢离子源中的等离子体诊断与输运过程研究

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1、分类号学校代码密级博士学位论文大功率射频负氢离子源中的等离子体诊断与输运过程研究学位申请人：李小飞学科专业：电气工程指导教师：樊明武教授答辩日期：年月日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchontheTransportProcessanddiagnosisofthePlasmainHighPowerRF-driv

2、enNegativeIonSourcePh.D.Candidate:LIXiao-feiMajor:ElectricalEngineeringSupervisor:Prof.FanMingwuHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人

3、和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期：年月曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，艮口：学校有权保留并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。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在一年解密后适用本授权书。本论文属于損于不保密请在以上方框内打“士学位论文作者签名：指导教

4、师签名：曰期：沏年月曰日期：年月华中科技大学博士学位论文摘要中性束注入是国际受控热核聚变堆主要的辅助加热方式之一，而高性能负离子源是中性束系统中最关键的一个部分。根据的设计要求，负离子源中需要引出的或的，如此大的负离子电流，对于目前的离子源技术来说是一个很大的挑战。德国等离子物理研究所在其小型实验平台“”装置上采用了过滤磁场技术，达到了引出的负氢离子电流为，为工作气体时引出的负离子电流为，引出的电子与负离子比例小于，功率脉冲时间为的优良性能，证明了过滤磁场技术在负氢离子源上应用的可行性。过滤磁场

5、的作用是将激励段产生的以上的高温电子冷却到以下，以减少引出栅极附近的负离子的损失。有关过滤磁场的作用机制至今仍不完全清楚，过滤磁场的设计强烈依赖于试验。如果能够清楚地理解等离子体在过滤磁场中的输运过程，就可以对过滤磁场的设计提出明确的理论依据，并与激励段的优化相结合，从而对整个负离子源的结构提出优化，提高负离子源的整体性能。目前，所有关于过滤磁场的研究都是实验性的，为了寻找过滤磁场的最优设计仍然在“”装置上进行实验。华中科技大学，于年月在科技部的支持下，承担了高频负离子源激励器的关键技术与工程研

6、究”的项目，目标是研制一台类似于的单激励器、短脉冲工作模式实验装置。在目前的工作基础上，进行了过滤磁场的初步设计，并采用数值模拟技术，对等离子体穿越过滤磁场的物理过程进行了研究，为过滤磁场的优化和设计提供指导与参考。本文的内容主要分为四个部分，第一部分是关于模型的算法研究，包括第二章；第二部分是圆柱型过滤磁场的设计，包括了第三章；第三部分，是对过滤磁场的数值模拟研究，包括第四章；第四部分是对大功率负氢离子源的诊断结果进行了说明，包括了第五章。在第二章中，介绍了的一般数值方法，简述了算法的一般步骤

7、，包括了超粒子模型，电荷的累积，粒子推进以及空间电场求解的一般方法。在部分，重华中科技大学博士学位论文法进行了优化，以提高计算的效率。引入了基于线性多步法的粒子推进算法，能够在与传统跳步法相同计算量的情况下使运动方程的求解精度与阶龙格库塔法接近。在二维的空间电场求解中，采用了共轭梯度法，该算法比传统的高斯迭代和超松弛迭代等算法在计算速度上有了大幅的提高。在第三章中，对装置的过滤磁场进行了有限元的分析，在这基础上，根据的圆柱型扩展腔设计了一种不同于跑道型的过滤磁场场型。在对和的过滤磁场进行比较后，

8、提出了形状因子这一能够表征两种过滤磁场的特征参数。在第四章中，通过一维和二维的数值模拟，研究了过滤磁场对等离子体输运过程的一般作用规律。过滤磁场将扩展腔区域分成了等离子体参数有明显区别的两个部分，等离子体密度和电子温度较高的激励区以及等离子体密度和电子温度相对较低的引出区。采用单粒子模型研究了电子在过滤磁场中的运动规律，对电子穿越过滤磁场的机理进行了研究，并采用了一维的数值模拟，提出了电子穿越过滤磁场的主要作用机理是碰撞。在此基础上，研究了不同的过滤磁场场型下的空间等离子体参数。在形状因子不变时