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鍵因素，也是衡量聚變裝置性能的重要指標。偏濾器粗糙表面上發(fā)生的侵蝕和沉積行為，在實驗中被廣泛觀測到。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，并與實驗結(jié)果符合較好。當下，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域的重要方向，相關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的物理過程。本文運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)域等離子體輸運行為，計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，進一步研究粗糙表面與等離子體相互作用的相關問題。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，與解析方法相比，更接近客觀物理事實。
　　本研究首先模擬針對碳離子單獨轟擊靶板的情況，對侵蝕量和沉積量的時空分布進行模擬。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。在碳離子單獨轟擊靶板的情況下，基底侵蝕量與基底表面粗糙度有關。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，表面粗糙度越大，侵蝕量越小。這是因為，粗糙表面帶來更強的表面內(nèi)部反射效應，使得被侵蝕出來的粒子更難逃離表面。比較不同材料，當其他條件相同時，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，不同相對濃度的碳離子轟擊時，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作用。進一步，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行模擬。同時，與只用碳離子單獨轟擊的模擬結(jié)果進行對比，分析侵蝕與沉積行為特征。第一，對侵蝕量和沉積量隨時間的演化進行模擬。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，繪制出時間分布圖，并與上部分碳離子單獨轟擊的情況進行對比。模擬中，分別選取了1%和8

6、%的碳離子相對濃度?？梢钥闯?，碳離子相對濃度較低（1%）時，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，較強的轟擊，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時刻的侵蝕和沉積行為，計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