带有扩散腔室的多源驱动的感性耦合放电的混合模拟

摘要

在国际热核聚变实验堆计划（ITER计划）中，为了产生能够实现热核聚变的高温等离子体，需要采用辅助热手段，即中性束注入加热技术。由于负氢离子束的中性化效率较高，所以ITER计划采用的是射频感性耦合放电的负氢离子源。目前，国内外科学家对这种负氢离子源大量的实验和理论研究，并取得了一定的进展。 本文采用一种混合模型，即整体模型结合流体力学模型，对带有扩散腔室的多源共同驱动的射频感性耦合放电特性及等离子体的输运进行数值模拟，并以氩气放电为例。首先使用整体模型研究气压、输入功率以及腔室半径尺寸对源区等离子体的放电特性的影响，然后利用COMSOL软件的等离子体流体模块，对扩散腔室中等离子体的输运行为进行三维模拟，并分析放电气压、源区之间的间距以及源区半径等参数扩散腔室中电子密度及电子温度空间分布的影响。 （1）在其它放电条件不变的情况下，随着气压的升高，源区的电子密度越高，电子温度越低；随着功率的增加，电子密度增加，电子温度几乎不变；随着腔室半径尺寸增大，电子密度和电子温度减小。 （2）在其它条件不变的情况下，扩散区气压越高，电子密度越大，但在气压较低的情况下，电子密度分布较为均匀；随着气压升高，电子温度降低。 （3）在其它条件不变的情况下，随着源区间距的减小，电子密度的漂移扩散更加显著，尤其是中间的两个源区的电子密度沿z轴向变化趋势较为缓慢，并且随着源区间距减小，电子密度分布的剖面（xy面）向中间集中；随着源区间距变小，电子温度的分布沿着z轴向变化趋势越小，其在xy截面上的分布向中间集中。 （4）在其它条件不变的情况下，源区的腔室半径越大，电子沿着z轴方向的迁移扩散越明显，其密度在xy截面上的分布较为均匀；随着源区半径的增大，电子温度分布在z轴方向变化减缓，在xy截面上的分布向中间集中。

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1 绪 论

1.1等离子体简介及应用

1.2 射频感性耦合等离子体

1.2.1 射频感性耦合等离子体简介

1.2.2 射频感性耦合等离子体的数值模拟方法

1.3 中性束注入系统

1.4 负氢离子源系统

1.4.1 负氢离子源系统简介

1.4.2 负氢离子源的模拟研究进展

1.5 本文的研究内容与研究意义

2 混合模型研究方法

2.1 整体模型

2.2 基于COMSOL的流体力学模型

2.2.1　COMSOL软件简介

2.2.2　流体力学模型

3 结果与讨论

3.1 源区模拟结果

3.2 扩散区模拟结果

3.2.1 气压对扩散区等离子体物理性质的影响

3.2.2源区间距对扩散区等离子体物理性质的影响

3.2.3 源区半径对扩散区等离子体物理性质的影响

4 结论