基于PIC模擬的等離子體光學質量分離研究.pdf

1、等離子體光學質量分離器在帶電粒子束電磁控制研究領域具有重要應用。周向儀和分離區(qū)是等離子體光學質量分離裝置的主要組成部分,是等離子體束流電磁控制和分離的關鍵部件,其設計特性直接影響著束流的分離效率。等離子體束流運動行為的模擬分析是光學質量分離研究的主要內容。目前,等離子體光學質量分離的研究尚停留在單粒子軌道階段,無法表達電子運動及其分布特性對于離子束流分離的影響,忽略了等離子體的整體特性,其研究方案對粒子的運動行為描述不夠完整和準確。本文

2、在現(xiàn)有單粒子軌道理論基礎上,通過粒子模擬(PIC)的方法給出等離子體束流在光學質量分離器中更完整更準確的運動狀態(tài)。
　　首先,利用粒子模擬(PIC)法研究等離子體光學質量分離,并描述了該方法重要過程的設計方案,如靜電場泊松方程求解、粒子運動格式等,并進一步對模型的準確性進行驗證。說明了PIC法對上述物理問題研究的可行性,并為相應模擬模型的建立提供有力的理論依據(jù)。
　　其次,根據(jù)PIC理論建立周向儀的仿真模型。分析等離子體束流

3、在周向儀中的運動狀態(tài)、粒子密度以及自洽場等的分布情況。同時,對束流源的羽流發(fā)散角給周向儀中等離子體束流運動狀態(tài)造成的影響進行了研究。通過對粒子密度和自洽場分布的模擬結果分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有周向儀結構影響分離效率的事實問題所在,進而對周向儀的結構進行改進,并通過PIC模擬證明了改進后的結構具有提高離子密度和分離效率的效果。
　　再次,建立理想的分離區(qū)仿真模型。通過對模擬結果的分析,研究了同種等離子體在不同中心質量下分離效果的區(qū)別,并以同種

4、元素的不同核素離子鋰、鈾為例,通過分析特種質量離子在分離區(qū)電磁控制下的聚焦半徑、質量色散值、周向聚焦位置等參量,來設計分離區(qū)相關參數(shù),并驗證了分離區(qū)理論的可行性。
　　最后,從實際和整體上考慮等離子體光學質量分離器的運行效果并建立整體PIC模擬模型。在獨立模型的基礎上,以同種元素不同核素和混合氣體離子為例,通過與理想分離結果的對比,研究分析了實際中存在羽流發(fā)散角的等離子體束流在整個裝置中的運動行為和聚焦、分離情況,進而對整個裝置的