基于PIC模擬的等離子體光學(xué)質(zhì)量分離研究.pdf

1、等離子體光學(xué)質(zhì)量分離器在帶電粒子束電磁控制研究領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。周向儀和分離區(qū)是等離子體光學(xué)質(zhì)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(guān)鍵部件,其設(shè)計(jì)特性直接影響著束流的分離效率。等離子體束流運(yùn)動(dòng)行為的模擬分析是光學(xué)質(zhì)量分離研究的主要內(nèi)容。目前,等離子體光學(xué)質(zhì)量分離的研究尚停留在單粒子軌道階段,無法表達(dá)電子運(yùn)動(dòng)及其分布特性對(duì)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(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)行為描述不夠完整和準(zhǔn)確。本文

2、在現(xiàn)有單粒子軌道理論基礎(chǔ)上,通過粒子模擬(PIC)的方法給出等離子體束流在光學(xué)質(zhì)量分離器中更完整更準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
　　首先,利用粒子模擬(PIC)法研究等離子體光學(xué)質(zhì)量分離,并描述了該方法重要過程的設(shè)計(jì)方案,如靜電場(chǎng)泊松方程求解、粒子運(yùn)動(dòng)格式等,并進(jìn)一步對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。說明了PIC法對(duì)上述物理問題研究的可行性,并為相應(yīng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)、粒子密度以及自洽場(chǎng)等的分布情況。同時(shí),對(duì)束流源的羽流發(fā)散角給周向儀中等離子體束流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)造成的影響進(jìn)行了研究。通過對(duì)粒子密度和自洽場(chǎng)分布的模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有周向儀結(jié)構(gòu)影響分離效率的事實(shí)問題所在,進(jìn)而對(duì)周向儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),并通過PIC模擬證明了改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)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(duì)模擬結(jié)果的分析,研究了同種等離子體在不同中心質(zhì)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(zhì)量離子在分離區(qū)電磁控制下的聚焦半徑、質(zhì)量色散值、周向聚焦位置等參量,來設(shè)計(jì)分離區(qū)相關(guān)參數(shù),并驗(yàn)證了分離區(qū)理論的可行性。
　　最后,從實(shí)際和整體上考慮等離子體光學(xué)質(zhì)量分離器的運(yùn)行效果并建立整體PIC模擬模型。在獨(dú)立模型的基礎(chǔ)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(jié)果的對(duì)比,研究分析了實(shí)際中存在羽流發(fā)散角的等離子體束流在整個(gè)裝置中的運(yùn)動(dòng)行為和聚焦、分離情況,進(jìn)而對(duì)整個(gè)裝置的