Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere多峰负氢离子源全三维数值诊断

本文研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞算法,并采用该算法对国外研究较热的Japan Atomic Energy Agency10 Ampere(JAEA 10A)离子源进行了全方位的数值诊断,探索了电子能量沉积过程中电子的横向漂移和能量分布规律,分析了离子源放电的主要物理参数对电子沉积的影响作用.模拟及分析结果显示:电子横向漂移(Y方向)来源于过滤区的磁漂移,增加过滤磁场,导致磁漂移增大,横向漂移加剧,且电子的利用率增大;提高放电室气压,电子的碰撞更频繁,进而加剧横向非均匀性,也同时提高电子的利用率.

21 mA强流多峰场负氢离子源的设计与实验研究

负氢离子源是强流质子回旋加速器的核心设备之一,其性能指标很大程度上决定了加速器最终束流的流强与品质。本文介绍了一种运用于强流质子回旋加速器上的多峰场负氢离子源的设计与实验研究,针对强流质子回旋加速器的高流强需求,通过深入研究高密度等离子体的产生和约束、高效虚拟过滤场、强流负氢离子引出等关键问题,解决制约提高负氢束流强度的瓶颈,在中国原子能科学研究院原有15 mA多峰场负氢离子源的基础上,基本保留原有的多峰场设计,通过采用四圆环灯丝结构,优化虚拟过滤场和引出结构,并改善真空系统,将平均引出束流提高至21 mA,实现了我国加速器领域灯丝驱动直流负氢离子源20 mA流强的突破。

负氢离子源中多峰磁场形态数值模拟

基于磁荷模型,在有限差分法基础上,推导了3维永磁体数值算法,结合全3维PIC/MCC粒子模拟算法,数值分析比较了外置型和"伞状"型两种特殊形态多峰磁场对电子能量沉积的影响。模拟结果表明:二者都能对粒子起到约束作用且能过滤引出负氢离子,同时二者电子能量分布规律基本一致,都呈现了双电子能态,符合等离子体放电基本机理;外置型过滤磁场对粒子的约束能力更强,能明显产生更多的粒子,总粒子数大约是"伞状"型过滤磁场情况下的4倍;"伞状"型过滤磁场能有效地抑制由磁场不均匀所引起的电子漂移,使产生的负氢离子空间分布更均匀。模拟结果与国外实验结果基本一致。

15～20 mA多峰负氢离子源全三维数值模拟

对自主开发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗(PIC/MCC)算法进行了阐述,包括算法流程设计、碰撞处理机制等。采用该算法对中国原子能科学研究院研制的15~20mA负氢离子源进行数值模拟研究,结果显示:该多峰会切离子源能得到空间分布均匀的离子束,采用优化后的虚拟过滤场,不仅能有效过滤高能电子,还将导致离子源下游区域低能电子增多,有效提高负氢离子体积产生效率。

多峰负氢离子源全三维数值模拟研究

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。

负氢离子源中电子能量沉积三维数值模拟研究

本文理论计算了多峰离子源永磁体,采用二体碰撞模型(binary collision)处理电子之间的库仑碰撞,采用空碰撞(null-collision)方法处理电子与氢元素相关粒子,开发了全三维PIC-MCC模拟算法,并利用该算法模拟了多峰离子源中电子沉积过程,分析了多峰磁场对电子的空间和能量分布影响,结果显示:电子的非均匀分布起源于高能电子在引出区的B×▽B漂移.