鎢偏濾器靶板粗糙表面在氘離子轟擊下的形貌變化模擬研究.pdf

1、等離子體與器壁相互作用過程主要包括物理濺射、化學(xué)侵蝕、背散射、解吸等物理和化學(xué)機(jī)制。這些反應(yīng)會(huì)威脅到器壁的性能和使用壽命，嚴(yán)重影響聚變反應(yīng)的進(jìn)行。在不同的聚變裝置中，偏濾器靶板粗糙表面所引起的非均勻侵蝕沉積行為被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，粗糙靶板表面凸起部位更容易被侵蝕，而凹陷部位會(huì)沉積大量的侵蝕材料。蒙特卡羅代碼SURO對(duì)13CH4注入TEXTOR裝置粗糙限制器表面13C沉積行為的研究取得了較大的成功。目前對(duì)氘離子轟擊三維粗糙表面導(dǎo)致其形貌變化

2、的研究工作相對(duì)較少，然而三維模型下的等離子體與粗糙靶板相互作用是等離子體與器壁相互作用不可缺少的一部分，對(duì)進(jìn)一步了解內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理具有十分重要的意義。
　　本文將三維SURO與一維PIC-MCC代碼SDPIC結(jié)合研究了聚變裝置中鎢偏濾器靶板粗糙表面在氘離子轟擊下的形貌演化情況。偏濾器區(qū)域邊緣等離子體信息由SDPIC代碼模擬給出，其模擬結(jié)果作為SURO代碼的輸入?yún)?shù);SURO代碼用于計(jì)算局域角（入射方向與粗糙表面法線的夾角），粗糙表面

3、的侵蝕沉積以及粗糙靶板表面演化情況。本研究內(nèi)容分為四部分，第一部分是對(duì)不同等離子體密度下，粗糙靶板表面侵蝕沉積行為的研究;第二部分是在不同磁場角度下，名義角、局域角的變化以及粗糙表面演化情況的研究。第三部分模擬研究了不同特征長度對(duì)粗糙靶板表面侵蝕沉積、表面演化以及局域角分布情況的影響。第四部分研究了不同初始表面形貌對(duì)粗糙靶板表面演化的影響。
　　模擬結(jié)果顯示，在不同等離子體密度下，背景氘離子由于磁場以及電場的影響，方位角分布呈細(xì)長

4、狀態(tài)，對(duì)于名義角分布，大部分粒子的入射角度保持在50-70度之間。不同模擬區(qū)域侵蝕沉積分布出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，侵蝕主要發(fā)生在表面凸起部位，沉積主要發(fā)生在凹陷部位。模擬初始時(shí)刻侵蝕率低，沉積率高，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后侵蝕率高，沉積率低。對(duì)于不同磁場角度下的表面演化情況的模擬發(fā)現(xiàn)，隨著磁場角度的增加，氘離子對(duì)鎢靶板的侵蝕率也不斷增加，侵蝕率甚至變化了一個(gè)數(shù)量級(jí)的大小。磁場角度越大，沉積率越高，粗糙靶板表面形貌演化越明顯。在不同特征長度下，背景氘離子局域