Численное моделирование физических процессов в инжекторах отрицательных ионов

• Автор: Соколов, Вячеслав Георгиевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1982
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 154 c. : ил

ГЛАВА I. ОБЗОР ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С СОЗДАНИЕМ И ТРАНСПОРТИРОВКОЙ ПУЧКОВ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИМ МОДЕЛИРОВАНИЕМ
§ 1.1 Требования,предъявляемые к параметрам пучка отрицательных ионов,инжектируемого в термоядерные установки,и

способы получения таких пучков

§ 1.2 Обзор численных методов,применяемых при расчетах

ионно-оптических систем

§ 1.3 Обзор методов математического моделирования процессов

компенсации собственного-.заряда ионных пучков

§ 1.4 Использование перезарядных Сверхзвуковых струй в

качестве вакуумных затворов и насосов

ГЛАВА II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДОУСКОРЕНИЯ ПУЧКОВ

ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ

§ 2.1 Одномерный анализ
§ 2.2 Моделирование переходного слоя между ускоряющим пространством и компенсированной областью пучка
§ 2.3 Численная модель системы доускорения в двумерной
геометрии
§ 2.4 Результаты численных экспериментов по моделированию
системы доускорения
§ 2.5 Доускорение многокомпонентных пучков
ВЫВОДЫ
ГЛАВА III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМПЕНСАЦИИ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА
ПУЧКОВ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ
§ 3.1 Особенности компенсации объемного заряда пучков отрицательных ионов и общие вопросы,касающиеся построения
моделей пучково-плазменных систем
§ 3.2 Изучение компенсации положительного объемного заряда
электронами

§ 3.3 Моделирование компенсации объемного заряда лучка
отрицательных ионов
§ 3.4 Анализ устойчивости пучково-плазменной системы,образующейся при компенсации объемного заряда пучка
отрицательных ионов
Глава IV. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОНИКНОВЕНИЯ ГАЗА ЧЕРЕЗ СВЕРХЗВУКОВУЮ ПАРОМЕТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУЮ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЗАТВОРНЫХ СВОЙСТВ ПЕРЕЗАРЯДНОЙ СТРУИ В ИНЖЕКТОРАХ
§ 4.1 Постановка задачи и методы решения
§ 4.2 Описание алгоритма расчета и выбор вычислительных
параметров
§ 4.3 Обсуждение результатов расчетов
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
РИСУНКИ

I. Необходимость использования отрицательных ионов для инжекционного нагрева плазмы в перспективных схемах управляемого термоядерного синтеза (УТС).
В настоящее время в исследованиях по УТС с магнитным удержанием плазмы достигнуты большие успехи. Дальнейший прогресс в этой области связывается с разработкой эффективных методов нагрева плазмы до термоядерных температур. Последние экспериментальные работы по ин-жекционному нагреву плазмы в магнитных ловушках [1} подтвердили перспективность нагрева с помощью инжекции в ловушку высокоэнергетичных нейтральных атомов. Сейчас созданы и успешно развиваются инжекторы нейтральных атомов, основанные на перезарядке интенсивных пучков положительных ионов. Эффективность перезарядки в энергетическом диапазоне 10*50 кэв составляет при этом 90-50%. Энергия нейтралов в десятки кэв достаточна для инжекции в Т1? установки, предназначенные для демонстрации осуществимости управляемой термоядерной реакции с положительным энергетическим выходом. В проектах термоядерных реакторов промышленного типа требуемые энергии нейтралов составляют сотни кэв
[2] . Реализация ряда перспективных схем УТС также связана с использованием высокоэнергетичных нейтральных атомов. В частности,в амбипо-лярных открытых ловушках Сз] требуемая энергия нейтралов, инжектируемых в концевые ловушки, должна составлять около I Мэв. Термоядерные

реакторы будущего, основанные на реакциях £) +Р и Р+Ие, также потребуют разработки эффективных инжекторов с энергиями нейтралов в сотни кэв.
С ростом энергии выход нейтралов при перезарядке положительных ионов в газовой обдирочной мишени быстро падает (кривая I на рис.1), тогда как выход нейтралов при обдирке отрицательных ионов остаётся

лизации такой геометрии эквипотенциалей необходима фиксация эквипо-тенциали на выходе системы с помощью прозрачной сетки с заданным потенциалом. В противном случае электрическое поле будет проникать за пределы выходной апертуры пучка и искажать найденное распределение потенциала. К неучитываемым факторам относятся также тепловой разброс поперечных скоростей ускоряемых ионов, конечные размеры ускоряющих электродов, немоноэнергетичность пучка.
Все это вызывает необходимость построения математической модели системы доускорения, более адекватно отражающей свойства реальной системы. С этой целью была разработана программа для расчета на ЭВМ траекторий ускоряемых ионов в двумерной геометрии с учетом собственного пространственного заряда пучка методом "крупных частиц". При этом обеспечивалось нахождение самосогласованного положения и формы эмиттера.
Методологические вопросы, свяанные с численными расчетами движения пучка заряженных частиц во внешних электрических полях с учетом собственного пространственного заряда пучка,разрабатывались в работах [21 + 25]
В рассматриваемом случае задача формулируется следующим образом.
В произвольной дврюрной области Т » ограниченной поверхностью Г , рассматривается задача о стационарном движении нерелятивистских заряженных частиц разного сорта, инжектируемых через часть поверхности Гл , называемой эмиттером, и исчезающих при попадании на границу области. Движение частиц происходит под действием электрического ПОЛЯ создаваемого принудительным распределением потенциала на части границы г- Г, и движущимися зарядами.
Поле Е определяется путем решения уравнения Пуассона:
(2.17)
с заданным граничным условием