多峰负氢离子源全三维数值模拟研究

摘 要： 理论分析了负氢离子体积产生机制，采用自主开发的三维PIC⁃MCC模拟软件，对多峰磁场约束的负氢离子源进行数值模拟研究。模拟了引出磁场、放电初始能量、及放电位置对振动激发碰撞效率的影响，探索了多峰负氢离子源的优化手段。研究表明：如果进入引出区的快电子越多且-y方向漂移越剧烈，那么振动碰撞越频繁且相对碰撞率越高，即负氢离子体积产生效率越高。

关键词： 多峰负氢离子源； 快电子； 体积产生； 粒子模拟⁃蒙特卡罗

中图分类号： TN911⁃34； O532 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）14⁃0119⁃04

3D numerical simulation of multi⁃peak negative hydrogen ion sources

WANG Ping

（University of electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China）

Abstract： The mechanism of the negative hydrogen ion volume production is analysed theoretically. The negative hydrogen ion source restrained by multi⁃peak megnetic field was numerically simulated with self⁃developed 3D simulation software PIC⁃MCC， in which the influence of leading⁃out megnetic field， primary energy and position of discharge on the collision efficiency excited by vibration are simulated. The optimization means for the multi⁃peak negative hydrogen ion source are explored. The results show that the more the fast electrons move into the extraction region and the more severe the negative y⁃direction drift is， the more frequent the vibrational excitation collision happens and the higher the relative collision rate becomes， in other word， the higher the volume production efficiency of negative hydrogen ions appears.

Keywords： multi⁃peak negative hydrogen ion source； fast electron； volume production； particle⁃in⁃cell⁃Monte Carlo

近年来，随着全球ITER计划的进行，各国都积极投入大量人力、物力以抢占能源优势地位[1⁃5]。氢元素高性能中性束注入系统在磁约束核试验领域中发挥着至关重要的作用。对于大型核试验所需较大能量粒子束，以便达到等离子体中心区域产生足够的热量和电流驱动。然而随着粒子束能量的增加，正离子的中性化效率却不断减小，以致下降到人们无法接受的地步，但是，负氢或氘离子在1MeV电压下中性化效率可以到达60%，满足了中性注入热核实验的要求，因此，负氢离子的研究受到国内外相关研究学者的青睐。为了满足热核实验的要求，在大体积负氢离子源（如Camembert III、JAERI 10 A等大型装置）的研究过程中，科研人员必须解决以下四个关键性问题[6]：

（1）低压环境下，提高负氢离子的产生效率；

（2）产生空间分布均匀的负氢离子束；

（3）设计高效的负氢离子引出装置；

（4）高能加速器和良好的束流光学。

因此，探索负氢离子的产生机制和研发高产出率的负氢离子源迫在眉睫，但是，离子源内部物理过程十分复杂并且变化较快，放电参数相对较多。仅仅靠实验，不仅无法获取放电瞬态信息进行离子源优化，而且会耗费大量资源。所以基于以上事实，本文采用研究组自主研发的三维PIC⁃MCC模拟软件，对多峰离子源进行了数值模拟仿真，在此基础上，分析了引出磁场、放电初始条件、放电电极位置对负氢离子产生效率的影响，为国内多峰离子源开发和设计指明了方向。

1 体积产生原理

负氢离子的产生分两步进行：体积产生和表面产生，其中，体积产生过程如下[7⁃8]：

（1）

（2）

式中：是初级快电子；是次级快电子；是慢电子；是初级快电子的温度；是慢电子的温度。对于提高负离子的产生起着主导作用，即通过反应式（1）产生高浓度的H2（v″），再通过反应式（2）提高负离子产生率。因此，要提高负氢离子的产生就需提高方程式（1）的发生率。

2 PIC⁃MCC算法

在准中性近似下，即忽略电场，电子的运动轨迹描述：

（3）

式中：为电子的质量；为带电粒子的速度；为带电量；为磁感应强度；为电子碰撞项。

本文采用时间步进的方法[4⁃5]，在每一个时间步长内（见图1），运用Boris–Buneman蛙跳网格方法，利用时域有限差分法（FDTD）求解带电粒子与电磁场之间的相互作用，利用蒙特卡罗法处理粒子间的碰撞。采用体碰撞模型（Binary collision）处理电子间的库仑碰撞，采用空碰撞模型（Null⁃collision）处理电子与氢元素相关粒子。

图1 带电粒子时间流程图

3 模型及参数描述

图2是多峰负氢离子源结构图，其中-120 mm

图2 JAERI 10 A离子源结结构图

每隔10-8 s 发射100个电子。x，y，z三个方向的网格大小分别为2 mm，2 mm，2 mm 。PIC模拟中时间步长设置为10-10 s，电子与中性粒子间相互碰撞以及电子之间的库仑碰撞时间步长均设为10-8 s。H2+数密度为1.0×108 mm-3，H3+数密度为5.0×108 mm-3，H与H2数密度之比[1]设置为10∶1，放电室温度设为300 K，气压设为0.3 Pa，需要考虑的反应如表2所示。

表1 磁场设置

表2 考虑模拟中的反应类型

4 数值模拟

4.1 放电位置

初始能量为Te=60 eV，引出磁场磁滞BM=2.3B0，放电位置分别为（0 mm，0 mm，70 mm），（0 mm，0 mm，100 mm）， （0 mm，0 mm，130 mm）模拟比对如图3，图4所示。

图3 z=70 mm电子的相空间

图3和图4的对比可知，放电位置离引出区越近，其横向漂移越剧烈。图5和图6的对比可知，放电位置离引出区越近，振动和非振动碰撞越频繁，且放电位置大于100 mm后增幅较小。具体数值见表3。

图4 z=130 mm电子的相空间

图5 振动激发碰撞沿z变化

图6 非振动激发碰撞沿z变化

表3 放电位置对振动与非振动碰撞比率的影响

从表3可知，放电位置离引出区域越远，振动与非振动碰撞之比越小，且增幅变大。

4.2 引出磁场

初始能量为Te=60 eV，放电位置为（0 mm，0 mm，100 mm），引出磁场磁滞分别为BM=1.3B0，BM=2.3B0，BM=3.3B0，模拟比对如图7，图8所示。

图7 BM=3.3B0电子的相空间

图8 BM=1.3B0电子的相空间

图7和图8的对比可知，引出磁场越大，其横向漂移越剧烈。

图9 振动激发碰撞沿Z变化

图9和图10的对比可知，引出磁场越大，振动和非振动碰撞越频繁，且BM>2.3B0后增幅较小。影响见表4。

表4 引出磁场对振动与非振动碰撞比率的影响

从表4可知，引出磁场越大，振动与非振动碰撞之比越大，且增幅变小。

4.3 初始能量

放电位置为（0 mm，0 mm，100 mm），引出磁场磁滞BM=2.3B0，电子的初始能量分别为Te=40 eV，Te=60 eV，Te=80 eV模拟比对如图11，图12所示。

图10 非振动激发碰撞沿z变化

图11 Te=40 eV电子的相空间

图12 Te=80 eV电子的相空间

图11和图12的对比可知，初始能量越小，其横向漂移越剧烈。图13和图14的对比可知，初始能量越小，振动和非振动碰撞越频繁，且Te >40 eV后增幅较小（见表5）。

表5 初始能量对振动与非振动碰撞比率的影响

从表5可知，初始能量越大，振动与非振动碰撞之比越小，且增幅变大。

4.4 结果分析

由文献[10⁃11]可知，多峰离子源的横向（-y方向）漂移，起源于快电子在引出区的漂移。由上述模拟结果可知，漂移越剧烈，振动碰撞越频繁且相对振动率越高，但增幅较小。因此，为了提高体积负氢离子产率，即要求提高振动激发的碰撞效率，其主要实施目标是驱使快电子靠近引出区且进入引出的快电子越多越好，然而结合实际设计成本，可适当调节放电位置、引出磁场和初始能量等参数，达到相应的指标。

图13 振动激发碰撞沿z变化

图14 非振动激发碰撞沿z变化

5 结 语

本文基于CHIPIC软件平台，采用自主开发的三维PIC⁃MCC模拟软件，对时下热门的负氢离子源JAERI 10 A进行数值模拟研究，探索了多峰离子源中影响负氢离子产生率的主要因素，揭示了其体积产生机理，为国内外离子源的优化设计奠定了理论基础。

参考文献

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