碳和氘離子對偏濾器靶板粗糙表面侵蝕和沉積行為模擬.pdf

1、托卡馬克聚變裝置中，高溫高密度等離子體與器壁相互作用是影響器壁壽命的關(guān)鍵因素，也是衡量聚變裝置性能的重要指標(biāo)。偏濾器粗糙表面上發(fā)生的侵蝕和沉積行為，在實(shí)驗(yàn)中被廣泛觀測到。三維蒙特卡洛代碼SURO成功模擬了TEXTOR聚變裝置限制器粗糙表面的碳沉積行為，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。當(dāng)下，邊界等離子體與粗糙表面相互作用的研究是邊界等離子體領(lǐng)域的重要方向，相關(guān)研究的開展是十分有必要的。而三維模擬方法能更加精確地計(jì)算出侵蝕量和沉積量，使得侵蝕和沉積行

2、為的數(shù)值模擬正越來越接近真實(shí)的物理過程。本文運(yùn)用三維蒙特卡洛程序SURO和一維粒子模擬程序SDPIC，研究EAST聚變裝置等離子體環(huán)境下，碳和氘離子對偏濾器靶板粗糙表面的侵蝕和沉積行為。分別針對碳離子單獨(dú)轟擊、碳和氘離子共同轟擊兩種狀態(tài)下，對碳靶板和鎢靶板兩種基底材料的侵蝕和沉積行為進(jìn)行數(shù)值模擬。研究過程中，通過粒子模擬程序SDPIC，模擬偏濾器區(qū)域等離子體輸運(yùn)行為，計(jì)算得到粒子轟擊到偏濾器靶板的粒子流分布、能流分布和角度分布。將SDP

3、IC程序得到的結(jié)果，作為輸入?yún)?shù)傳遞給SURO程序，進(jìn)一步研究粗糙表面與等離子體相互作用的相關(guān)問題。模型中，考慮了粒子與基底的相互作用層中不同材料的混合效應(yīng)，與解析方法相比，更接近客觀物理事實(shí)。
　　本研究首先模擬針對碳離子單獨(dú)轟擊靶板的情況，對侵蝕量和沉積量的時(shí)空分布進(jìn)行模擬。對兩種不同粗糙度的碳和鎢靶板，模擬得到基底侵蝕量局域密度的三維分布圖。對于不同碳離子流相對濃度1%、3%、6%、7%和8%，計(jì)算出碳和鎢靶板侵蝕量，以及背

4、景碳離子的沉積量，并繪制出侵蝕量和沉積量對碳離子相對濃度的掃描分布圖。在碳離子單獨(dú)轟擊靶板的情況下，基底侵蝕量與基底表面粗糙度有關(guān)。侵蝕和沉積分布具有規(guī)律性，表面形貌的凸起位置更容易發(fā)生侵蝕，凹陷位置更容易發(fā)生沉積。對于同種材料的基底，相同粒子流轟擊時(shí)，表面粗糙度越大，侵蝕量越小。這是因?yàn)椋植诒砻鎺砀鼜?qiáng)的表面內(nèi)部反射效應(yīng)，使得被侵蝕出來的粒子更難逃離表面。比較不同材料，當(dāng)其他條件相同時(shí)，碳的侵蝕量要比鎢大。這是由于鎢的濺射閾值比碳要

5、高。同時(shí)，不同相對濃度的碳離子轟擊時(shí)，基底侵蝕量基本保持不變。這是由于碳沉積層對基底材料的保護(hù)作用。進(jìn)一步，研究針對在碳和氘離子共同轟擊靶板的情況，對碳和鎢靶板的侵蝕量和沉積量進(jìn)行模擬。同時(shí)，與只用碳離子單獨(dú)轟擊的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，分析侵蝕與沉積行為特征。第一，對侵蝕量和沉積量隨時(shí)間的演化進(jìn)行模擬。針對背景碳離子的沉積量、碳靶板的侵蝕量、鎢靶板的侵蝕量，繪制出時(shí)間分布圖，并與上部分碳離子單獨(dú)轟擊的情況進(jìn)行對比。模擬中，分別選取了1%和8

6、%的碳離子相對濃度?？梢钥闯觯茧x子相對濃度較低（1%）時(shí)，鎢基底侵蝕量相對較小。表面形貌保留相對完整，對沉積的背景碳離子起到保護(hù)作用，從而使碳離子沉積量不斷增加。碳離子相對濃度為8%時(shí)，較強(qiáng)的轟擊，使得碳和鎢靶板表面形貌均發(fā)生改變，碳離子沉積量不斷增加。第二，選取1%和8%的碳離子相對濃度，模擬出1000s時(shí)刻的侵蝕和沉積行為，計(jì)算碳和鎢靶板的沉積量，并繪制出此刻沉積量分布圖樣。分析碳和鎢靶板在不同相對濃度下的沉積圖樣，發(fā)現(xiàn)1%碳離子