基于COMSOL軟件的雙腔室射頻感性耦合氬等離子體源的二維流體力學(xué)模擬.pdf

1、國際熱核聚變實驗堆計劃（International Thermonuclear Experimental Reactor，即ITER計劃）的目標是在磁約束裝置托卡馬克的腔室內(nèi)產(chǎn)生高溫（帶電粒子的溫度達到幾十keV）等離子體，實現(xiàn)可控核聚變。高溫的等離子體難以靠其內(nèi)部的歐姆加熱產(chǎn)生，因此需要輔助的加熱手段，其中之一便是中性束注入（Neutral Beam Injection，NBI）加熱。中性束注入是指將高能中性束注入到托卡馬克當中，實現(xiàn)

2、輔助加熱。中性束加熱系統(tǒng)的核心是離子源，經(jīng)過綜合考量，ITER計劃采用的為射頻負氫離子源。由于需要強場柵極加速離子，為避免與背景氣體過多的碰撞能量損失，等離子體源系統(tǒng)需要在較低的放電氣壓下工作。
　　本文以COMSOL軟件為依托，針對課題組的雙腔室射頻感性耦合等離子體子源裝置，建立了等離子體流體與玻爾茲曼方程耦合的混合模型，對放電過程進行數(shù)值模擬。對于低氣壓射頻感性耦合等離子體放電，一般是由歐姆加熱（碰撞加熱）和波加熱（無碰撞加熱

3、）兩種機制維持的。但COMSOL軟件的等離子體模塊是純歐姆加熱機制，僅適用于模擬較高氣壓的放電。為了對低氣壓放電進行模擬，對COMSOL軟件的電磁場模塊和等離子體模塊進行了改進。本文首先從麥克斯韋方程組以及弗拉索夫方程出發(fā)，給出了解析形式的感應(yīng)電場與射頻沉積功率密度表達式，并耦合到COMSOL軟件的等離子體流體模型中。利用這種改進的COMSOL軟件，得到如下模擬結(jié)果：⑴在其它放電條件不變的情況下，隨著氣壓的升高，等離子體密度升高，電子溫

4、度降低；隨著功率的增加，體區(qū)的電子密度增加，電子溫度降低。電源的頻率對等離子體的密度影響較小。⑵介質(zhì)窗附近的電子溫度隨著功率的增加而升高，這是因為電磁場的能量主要是通過介質(zhì)窗附近的趨膚層傳遞給電子的。射頻電源頻率的增加會提升介質(zhì)窗附近（趨膚層中）的電子溫度。⑶在較低的氣壓下(＜5Pa)，傳統(tǒng)的基于歐姆加熱的純流體模型將逐漸失效，此時無碰撞加熱（隨機加熱）效應(yīng)在逐漸起作用。⑷在一定的放電條件下，射頻電場的空間分布呈現(xiàn)出反常趨膚效應(yīng)以及負功