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EXL-50U球形环中快离子磁场波纹损失的优化模拟研究

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物理学报 2023年第21期72卷 143-156页

作者：郝保龙李颖颖陈伟郝广周顾翔孙恬恬王嵎民董家齐袁保山彭元凯石跃江谢华生刘敏胜 ENN TEAM 核工业西南物理研究院成都610041 河北省紧凑型聚变重点实验室廊坊065001 新奥科技发展有限公司廊坊065001

EXL-50U装置高参数等离子体的实现对中性束注入(NBI)加热的依赖非常敏感,期望NBI快离子约束良好并通过碰撞慢化把能量传给背景等离子体.本文基于集成模拟给出的平衡位形、快离子分布和装置波纹度数据对快离子波纹损失开展了模拟研究.发... 详细信息

EXL-50U装置高参数等离子体的实现对中性束注入(NBI)加热的依赖非常敏感,期望NBI快离子约束良好并通过碰撞慢化把能量传给背景等离子体.本文基于集成模拟给出的平衡位形、快离子分布和装置波纹度数据对快离子波纹损失开展了模拟研究.发现快离子波纹损份额约为37%,局域热斑约0.6 MW/m2,对装置实验运行来说不可接受.其优化方案包括移动等离子体位置和加FI(铁素体钢插件)降低波纹度,增大I_(p)(等离子体电流)以及优化NBI角度.结果显示必须控制波纹度分布且增大I_(p)到600 kA以上,才能使快离子损失降低到3%-4%,局域热斑降低一个量级.本文总结了装置设计时快离子波纹损失评估的方法,包括相空间快离子分布和波纹损失区重合度,全要素慢化时间尺度粒子跟踪.还总结了降低波纹损失的工程和物理途径,为集成模拟迭代优化和装置运行提供模拟支持。

关键词：磁约束核聚变球形环快离子磁场波纹

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EAST上基于快离子D-alpha诊断重建快离子分布函数的初步研究

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EAST上基于快离子D-alpha诊断重建快离子分布函数的初步研究

作者：宿建勋中国科学技术大学

学位级别：硕士

快离子物理是当前的托卡马克装置和未来的聚变反应堆研究的重要课题。这是因为,一方面,快离子在加热和电流驱动效率方面起着关键作用,聚变反应产生的α粒子以及中性束注入、射频波等辅助加热产生的快离子通过库仑散射而慢化,将能量传递... 详细信息

快离子物理是当前的托卡马克装置和未来的聚变反应堆研究的重要课题。这是因为,一方面,快离子在加热和电流驱动效率方面起着关键作用,聚变反应产生的α粒子以及中性束注入、射频波等辅助加热产生的快离子通过库仑散射而慢化,将能量传递给背景等离子体,是磁约束等离子体主要的加热手段,这些不同机制产生的快离子,其分布函数具有不同的特征决定着加热效果的差异。另一方面,快离子可以驱动不稳定性,导致快离子再分布和损失,使约束变差并且可能导致第一壁的损坏,通过调节快离子速度-空间分布可以有效控制相关不稳定性。快离子的来源、时空演化和损失都可以由快离子相空间分布函数的演化直接描述,然而其行为相当复杂。本论文将重点基于快离子诊断和相关模拟程序实现快离子分布函数的重建,为进一步深入分析和研究其特性建立基础。EAST(先进实验超导托卡马克)于2014年安装了快离子D-alpha光谱诊断(s-FIDA)系统,通过切向和垂直方向观测中性束注入束线,以获得快离子分布函数,包括快离子能量和俯仰角度的信息。由于FIDA诊断光谱本身成份与快离子分布函数之间的依赖关系极其复杂,难以通过光谱直接地获取快离子分布函数。传统的方法是将测量结果与基于数值模拟的计算结果进行比较:FIDA测量结果直接与FIDASIM和TRANSP/NUBEAM代码的合成光谱进行比较,如果测量的光谱和合成的光谱一致,可以认为模拟的快离子分布能够自洽的解释快离子行为。另一种方法是基于快离子诊断,利用速度空间层析反演方法重建从而直接获得快速离子分布函数。本论文基于EAST切向和垂直方向的两套FIDA诊断系统,重点研究快离子分布函数的模拟和重建工作。主要是基于TRANSP/NUBEAM模拟结果,利用速度空间层析反演技术,通过选取合适的先验条件(如非负性、零测量等),实现了快离子速度空间分布函数重建的可靠性验证。进一步,从诊断权重函数考虑,通过选取合适的第三个观测方向,有效提高不同观测方向权重函数的在能量和俯仰角的覆盖面,能够进一步提高快离子分布函数重建的效果,为EAST上下一步的FIDA诊断系统的改进工作提供了参考。在未来的研究中,诊断发展方面,目前EAST上第三个观测方向的FIDA诊断已经投入使用,具有三套不同观测方向的FIDA诊断;层析反演方法方面,在先验条件中,将采用更多的物理模型,如速度空间中已知峰值和快离子慢化物理模型等,这些将有助于进一步提高快离子分布函数重建的可靠性,进一步深入研究快离子分布函数的实验特性行为。

关键词：快离子D-alpha诊断(FIDA) 速度空间层析反演 FIDASIM 快离子 EAST托卡马克装置

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中性束注入快离子初始分布的蒙特卡罗模拟

原子能科学技术 2018年第6期52卷 961-965页

作者：向东王杰龚学余曹锦佳黄千红南华大学核科学技术学院湖南衡阳421001

比较精确地模拟计算中性束注入(NBI)托卡马克等离子体的快离子初始分布是采用大规模数值模拟方法研究NBI快离子相关物理问题的首要任务。本文建立了NBI托卡马克等离子体的简化物理模型,采用蒙特卡罗方法自主开发了NBI应用程序。选取ASDE... 详细信息

比较精确地模拟计算中性束注入(NBI)托卡马克等离子体的快离子初始分布是采用大规模数值模拟方法研究NBI快离子相关物理问题的首要任务。本文建立了NBI托卡马克等离子体的简化物理模型,采用蒙特卡罗方法自主开发了NBI应用程序。选取ASDEX Upgrade(AUG)托卡马克上切向注入和垂直注入两种情况为计算实例,分别模拟计算出NBI粒子被离子化的初始三维空间位置,并统计得出初始快离子的径向分布、极向角分布、环向角分布和投掷角分布,这些计算结果与国际上相关文献结果一致。

关键词：中性束注入快离子托卡马克蒙特卡罗方法

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有机膜对快离子的阻挡实验研究

强激光与粒子束 1994年第1期6卷 85-90页

作者：丁永坤蒋小华刘忠礼郑志坚西南核物理与化学研究所

通过实验研究了有机膜对腔靶快离子的阻挡能力。研究结果表明，厚度在０．６μｍ以上的有机膜对腔靶快离于有很好的阻挡效果。这一结果对于在黑腔靶中建立一个高纯净的内爆Ｘ光辐射场具有重要意义。为满足快离子诊断的要求对法拉第筒结... 详细信息

通过实验研究了有机膜对腔靶快离子的阻挡能力。研究结果表明，厚度在０．６μｍ以上的有机膜对腔靶快离于有很好的阻挡效果。这一结果对于在黑腔靶中建立一个高纯净的内爆Ｘ光辐射场具有重要意义。为满足快离子诊断的要求对法拉第筒结构作了改进。

关键词：有机膜快离子阻挡法拉第筒

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快离子在C_(60)薄膜中电子能损效应

科学通报 1999年第20期44卷 2150-2153页

作者：金运范杨茹刘昌龙王衍斌程松刘杰侯明东姚江东中国科学院近代物理研究所兰州大学物理系兰州730000

用Raman散射技术分析了 1 71 .2MeVS9+和 1 2 0keV的H+离子在C60 薄膜中电子能损引起的效应 ,即晶态→非晶态转变 .在H+离子辐照的情况下 ,发现电子能损有明显的退火效应 ,致使C60 晶态→非晶态转变过程中 ,经过一个石墨化的中间过程 .... 详细信息

用Raman散射技术分析了 1 71 .2MeVS9+和 1 2 0keV的H+离子在C60 薄膜中电子能损引起的效应 ,即晶态→非晶态转变 .在H+离子辐照的情况下 ,发现电子能损有明显的退火效应 ,致使C60 晶态→非晶态转变过程中 ,经过一个石墨化的中间过程 .而在S9+离子辐照的情况下 ,电子能损的破坏作用超过了退火效应 ,不存在石墨化的中间过程 .

关键词：电子能损效应快离子退火效应碳60薄膜

Cul-Cu_2O-WO_3(MoO_3)快离子导电玻璃的ESR研究

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硅酸盐学报 1990年第5期18卷 430-435页

作者：李光明干福熹中国科学院上海光学精密机械研究所

本文报道了CuI-Cu_2O-Wo_3(MoO_3)快离子Cu^+导电玻璃在室温下的顺磁共振吸收谱。实验结果表明玻璃的顺磁共振吸收主要由W^(5+),W(3+),和Mo^(5+),Mo^(3+)以及Cu^(2+)离子引起。W^(5+),W^(3+),Mo^(5+)和Mo^(3+)离子均处于对称的四面体中,且W^(3+)和Mo^(3+)离子表现出强烈的d^6离子的高自旋态的吸收特征。Cu^(2+)离子的吸收谱则可用四方畸变的八面体场作用来解释。铜含量较低时吸收以W^(5+),W^(8+),Mo^(5+),Mo^(8+)为主,随着铜含量的增加,Cu^(2+)离子吸收变得显著。

关键词：快离子导电玻璃钨酸盐玻璃

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快离子Dα成像诊断技术研究

快离子Dα成像诊断技术研究

作者：徐江华电子科技大学

学位级别：硕士

开展燃烧等离子体聚变产物关键参数诊断中的快离子成像诊断,为燃烧等离子体高能粒子约束、输运、聚变产额评估、聚变堆稳态运行等ITER关注的物理问题进行深入研究提供重要的诊断工具,这为ITER安全运行和稳态实验提供了强有力的支持。环... 详细信息

开展燃烧等离子体聚变产物关键参数诊断中的快离子成像诊断,为燃烧等离子体高能粒子约束、输运、聚变产额评估、聚变堆稳态运行等ITER关注的物理问题进行深入研究提供重要的诊断工具,这为ITER安全运行和稳态实验提供了强有力的支持。环形磁约束核聚变装置中,快离子主要由中性束注入和射频加热以及聚变反应产生。聚变反应中的快离子与注入的中性束粒子氘原子由于碰撞发生电荷交换反应,部分快离子获得电子变成了中性粒子并处于激发态,这些被中性化后的快离子,经过一段时间的直线运动之后,会发生从能级n=3到n=2的跃迁,并辐射出可见的Dα射线,同时会发生明显的多普勒频移。本诊断系统的主要目的是获取HL-2A装置中中性束注入时所产生的可见Dα谱线,也称为FIDA谱线。其难点在于如何在同一光谱范围内,将FIDA谱线从其它的干扰谱线中分离出来;其中干扰谱线主要包含:halo中性粒子Dα谱线,束发射谱线,可见轫致辐射谱线以及CII杂质谱线。采用光谱曲线拟合方法,利用电荷交换复合光谱分析,对快离子Dα进行诊断。束发射谱线和CII杂质谱线可以通过光谱曲线拟合的方式消除,可见轫致辐射谱线可以通过背景差分的方式来消除。在开展FIDA成像诊断技术研究工作中,本人主要工作如下:1.完成了FIDA诊断系统窗口的光学设计和硬件设计,实现了强背景下的弱信号探测。2.对HL-2A装置下的FIDA诊断窗口采集到的数据进行处理和分析。通过对光谱曲线拟合处理,得到了所需要的FIDA信号;然后对比分析了不同中性束注入功率情况时的FIDA信号强度,得出了随着中性束注入功率增大,快离子浓度会增加,所探测到的FIDA信号强度越强的结论。3.对FIDASIM源代码进行了深入分析和研究,梳理程序框架,并对程序的输入输出进行了提取和探讨,撰写相关文档,进行编码调试,使程序能够运行起来。4.利用FIDASIM进行模拟分析。模拟了不同观测位置的FIDA信号强度,以及FIDA信号强度与中性束注入功率和能量之间的关系。

关键词：快离子光谱诊断 FIDASIM

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用于HL-2A的快离子损失探针系统研究

四川大学学报（自然科学版） 2013年第6期50卷 1305-1309页

作者：刘艺琴华艳朱祚缤陈伟罗小兵张轶泼刘仪機部光孝四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室成都610064 核工业西南物理研究院成都610027 国家核融合科学技术研究所

闪烁快离子损失探针是聚变装置上诊断高能粒子的重要工具,可对损失离子能量和俯仰角进行同时测定.根据环流器二号(HL-2A)托卡马克装置上的具体测量要求,研制了一套可移动式的闪烁体快离子损失探针,并完成了在HL-2A上的安装和调试.该探... 详细信息

闪烁快离子损失探针是聚变装置上诊断高能粒子的重要工具,可对损失离子能量和俯仰角进行同时测定.根据环流器二号(HL-2A)托卡马克装置上的具体测量要求,研制了一套可移动式的闪烁体快离子损失探针,并完成了在HL-2A上的安装和调试.该探针系统在有中性束加热的等离子体放电情形下实现了对损失快离子的探测,采集到了损失离子图像信息.根据已取得的初步实验结果,对HL-2A装置上的快离子损失探针系统的进一步完善进行了分析讨论.

关键词：闪烁体快离子环流器二号探针

磁化等离子体中快离子动力学行为的粒子模拟研究

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磁化等离子体中快离子动力学行为的粒子模拟研究

作者：申磊大连理工大学

学位级别：硕士

关于带电粒子与等离子体相互作用一直是人们研究的热点问题。通过对它的研究不仅可以揭示基本的物理问题而且在许多实际领域中得到广泛应用,如离子束驱动的惯性约束聚变、高能高密度物质以及磁约束聚变中的中性束辅助加热等。其中,中性... 详细信息

关于带电粒子与等离子体相互作用一直是人们研究的热点问题。通过对它的研究不仅可以揭示基本的物理问题而且在许多实际领域中得到广泛应用,如离子束驱动的惯性约束聚变、高能高密度物质以及磁约束聚变中的中性束辅助加热等。其中,中性束加热被认为是一种非常成功的辅助加热手段。中性束注入到等离子体中会很快被电离产生能量很高的快离子,这些快离子与等离子体相互作用的动力学行为以及能量沉积过程一直是人们关注的热点。此外,热核聚变产生的高能粒子与等离子体相互作用产生的各种不稳定性模式也是人们关注的重点。本文首先采用自洽的二维粒子静电模型(Particle-in-Cell Simulation Method,PIC)研究了孤立离子团以及连续离子束在磁化等离子体中的能量沉积过程以及尾场效应,考虑了不同磁场位型、入射离子能量、离子之间关联效应对离子束能量沉积的影响。其次利用三维混合模型研究了关于高能粒子的动力学效应对气球模不稳定性模式的影响。本文第一章阐述了带电粒子与等离子体相互作用的研究背景和进展情况。本文第二章介绍了研究带电粒子与等离子体相互作用所采用的二维粒子静电模型以及相关物理参数。本文第三章研究了垂直于带电粒子运动平面的剪切磁场B(x)对快离子能量沉积的影响。结果表明,相对于均匀磁场,剪切磁场位型更有利于快离子的能量沉积,并且快离子在剪切磁场中更容易激发尾波场,从而促进快离子将能量传递给背景等离子体。离子团入射到等离子体中的前期阶段,离子团在聚焦作用下体积会缩小至原来的三分之一,由于尾波场的相速度与离子团漂移速度的差异,离子团的体积缩小到一定程度后就会逐渐扩散。同时发现提高离子团的入射能量以及密度同样可以增强离子团的能量沉积。本文第四章研究了平行于带电粒子运动平面的剪切磁场B (y)对入射离子能量沉积的影响。模拟结果表明:当离子团入射方向与磁场存在一定夹角时,离子团会在横向上感应出极化电场使得离子团在输运过程中出现分层现象,并且在极化电场的作用下离子团会将大部分能量沉积到等离子体中。当连续的离子束以一定的入射角注入等离子体中时,离子束在横向也会在尾波场调制作用下出现分层现象,之后在磁场的约束下离子束整体沿着磁场方向运动。孤立离子团的能量沉积效率在入射角度达到一定阈值后开始趋于平缓。此外,本章还将不同磁场位型下离子团(束)的能量沉积效率进行了对比,在剪切垂直磁场B (x)位型下,随着磁场强度的提高,孤立离子团的能量沉积效率与连续离子束相比基本持平,而在剪切平行磁场B (y)位型下连续的离子束能量沉积效率要优于孤立的离子团。本文第五章利用三维混合模型(磁流体模型耦合粒子模型)研究了高能粒子的动力学行为对气球模不稳定性的影响。模拟结果表明:通过增加高能粒子的比压值会缩短系统处于线性阶段时间,并且在非线性阶段会出现二次增长情况加快系统的破裂。通过对扰动磁场幅值的傅里叶分量进行研究时发现,高能粒子的动力学行为可以有效抑制低阶气球模的增长,但与此同时也会激发n(28)0不稳定性模式在非线性阶段的快速增长致使系统达到破裂。此外,高能粒子的动力学效应会很快激发系统中的各种不稳定性,空间模结构在线性阶段会出现放射状的类气球模结构并发生顺时针旋转有利于增强系统的稳定性,但由于n(28)0模式的快速增长导致空间磁力线结构由外向内逐渐紊乱直至系统发生破裂。

关键词：等离子体能量损失阻止本领快离子剪切磁场