《負氫離子產生、輸運及引出的數值模擬算法研究》是依託電子科技大學,由劉大剛擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：負氫離子產生、輸運及引出的數值模擬算法研究
- 依託單位：電子科技大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉大剛
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
負氫離子由於其中性化效率高，而備受熱核聚變工作者關注，因此對負氫離子源放電機制的數值模擬意義深遠。擬開展兩方面的工作：一、在理論分析負氫離子源相關物理機制的基礎下，採用靜電型粒子模擬與蒙特卡羅相結合的方法，綜合考慮噪聲抑制算法（High-q或時偏算法）和有效的碰撞模型，編制全三維數值模擬程式並結合實驗結果數據進行程式可靠性驗證。二、研究和揭示各類負氫離子源中粒子間的碰撞機制、輸運特性和負離子引出的最佳化手段。包括：1.負氫離子在離子源的產生過程；2.負氫離子束在大體積源中傳輸和各種反應機理；3.不同中性氣壓、外加局部磁場或者磁體、外加引出電壓偏置、各類粒子的二次發射、離子源的體積和表面積效應等對負氫離子引出效率的影響。以達到加深對負離子源放電過程的理解，掌握負氫離子的輸運特性，分析影響負氫離子引出的主要因素的目的，從而為負氫離子源的實際套用奠定理論基礎。
結題摘要
本課題旨在開發全三維粒子模擬與蒙特卡羅相結合（particle-in-cell plus Monte Carlo Collision,簡寫為PIC/MCC）模擬算法與代碼，以及探索負氫離子源放電特性，主要包括以下幾個方面的內容：1．矩形永磁體的磁場數值計算。採用有限差分方法推導了直角坐標系矩形永磁體差分格式，並與理論計算結果進行了對比。2．負氫離子源放電過程中電子能量沉積全三維PIC/MCC算法研製。分析了負氫離子源中電漿物理機制，研究並最佳化粒子模擬方法和蒙特卡羅碰撞算法的基本處理技術，設計高效的粒子存儲方法。考慮電漿勢以及帶電粒子間庫侖碰撞，研製了全三維電子能量沉積PIC/MCC算法，並與國外實驗對比驗證。3．JAERI 10A負氫離子源三維模擬最佳化與體積產生機制探索。探索了JAERI 10A多峰離子源中電子空間非均勻的起因，並提出了兩種空間均勻性最佳化方案；分析了氣壓、引出磁場、放電電極位置以及放電初始能量等主要因素對負氫離子的體積產生效率的影響，得到了離子源參數最佳化方案。4．多峰質子源與J-PARC離子源放電機制模擬研究。揭示了多峰質子源中電子空間及能量分布情形，分析了J-PARC多峰離子源放電特性，以及討論了校正磁體位置對其體積產生效率的影響。5．中性粒子傳輸及負氫離子表面產生全三維PIC/MCC算法研製。理論分析了中性粒子傳輸機理，其中包括：電離、交換電荷碰撞，以及氫原子與邊界的相互作用；完善並發展了負氫離子源中負氫離子表面產生物理機制，研製了全三維中性粒子傳輸及負氫離子表面產生模擬程式，並結合國外成果進行模擬驗證。 6．JAERI 10A離子源負氫離子表面產生研究及雙腔離子源中負氫離子引出算法研製。將上述電子能量沉積和中性傳輸模組有機地結合起來，並對負氫離子源從放電始端到負氫離子表面產生的整個過程進行數值模擬，揭示了負氫離子空間非均勻性的起因，並分析了壁材料、氫正離子溫度、產率函式等主要因素對負氫離子表面產率的影響。 此外，設計了負氫離子引出過程數值模擬算法，並研究了放電室氣壓對JAERI 10A離子源中負氫離子引出的影響。
