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1、潘寧阱電子聚心研究Electron focusing In a Penning Trap劉萬東中國科學技術大學近代物理系，合肥 230026Department of Modern PhysicsUniversity of Science and Technology of China2006年7月4日，成功大學海峽兩岸核融合能源科學研討會200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P22 2Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIUL
2、IU报告提纲? 核融合（聚变）反应与核受控热核融合（聚变）? 潘宁阱非中性电浆（等离子体）用于核融合探索? EBPT潘宁阱瞬态电子聚心实验200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P33 3Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU聚变与裂变能D3He4HeTULi聚变变聚变能裂变能原子质量平均结合能200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P44 4Copy
3、right by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU典型核聚变反应D + T = n + 4HeD + T = p + 3He200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P55 5Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU聚变需要亿度高温热等离子体?Energy：Thermal Nuclear Fusion（热核融合）T 10 keV （1亿度）n 3
4、x1020 m-3sc1m2m200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P66 6Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU重力约束惯性约束磁约束电子离子强束太阳实现聚变的途径200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P77 7Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIU
5、LIU主要参数Pf= 500MWQ 10T = 500 sR = 6.2 mA = 2.0 mIp= 15 MAB = 5.3 TV = 837 m3S = 678 m2Pin= 73 MWITER：托卡马克聚变实验堆200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P88 8Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU美国国家点火（NIF）激光聚变装置200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台
6、南日，成功大学，台南PP P99 9Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIUInertial Electrostatic Confinement (IEC）?惯性静电约束（IEC）热核聚变 通过一球对称的离子势阱使入射（或由背景电离）的离子加速至势阱中心，当势阱中心所累积的离子足够多，外加静电势场足够大时，离子温度可达到热核聚变的温度，从而产生热核聚变反应。200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P101010Copyrig
7、ht by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIUFarnsworth-Hirsch Fusor?（1950-1960s）Philo T. FarnsworthHirsch-Meeks version of ICE200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P111111Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU离子直接注入方式?栅网构成球对称离子势阱，直
8、接加速离子（10keV）200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P121212Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU电子阱间接注入方式 栅网球形电极构成电子阱 注入电子形成虚阴极，构成离子阱 约束加速离子，实现聚变反应 Wisconsin IEC200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P131313Copyright by Copyright by C
9、opyright by WandongWandongWandong LIULIULIUPenning Fusion eXperiment（PFX）?IEC 用于聚变能源的困难 密度限制 电极（内）限制?1990s LANL 建立潘宁阱聚变装置 PFX 小正则角动量注入构造大密度梯度电子等离子体 用聚心电子形成的虚阴极代替内电极 实现了突破Brillouin密度的电子等离子体200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P141414Copyright by Copyright by Copyright by WandongWan
10、dongWandong LIULIULIU潘宁阱（Penning Trap）约束电子?潘宁阱 静电磁场约束带电粒子 径向磁约束、轴向电约束 单粒子运动是回旋运动加漂移运动（磁控运动）?非中性等离子体平衡态：刚性旋转?非中性等离子体Brillouin密度限：22/20cererepe 222epeces=22220212peeeecen m csB=200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P151515Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong L
11、IULIULIU潘宁阱旋转参考系下等效静电场?潘宁阱几何（双曲面电极）()()22002200,22aVr zrzzr=+0022002( , )(2 )2VE r zrzrz= +?20002eeeeEeBeBdvvrrdtmmm= + +?02eeBm=?204ceeffeeeEerEmm= = ?()2222002200228effeVeBrzrrzm=+?旋转参考系电子运动方程effeem= 等效静电势200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P161616Copyright by Copyright by Copy
12、right by WandongWandongWandong LIULIULIU潘宁阱等效电势位形?电场、磁场匹配，球形势阱()2220000224sphereeeBrzVVm+=()22222001212effeeeBeBrzmm= + ，电势等位面为轴向拉长的旋转椭球面；，电势等位面为球面；，电势等位面为轴向压扁的旋转椭球面；，电势等位面则为开放的双曲线，潘宁阱不能约束电子0sphereVV0sphereVV=03spheresphereVVV03sphereVVVsphereV0Vsphere200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功
13、大学，台南PP P171717Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU潘宁阱等效电势位形?电场、磁场匹配，球形势阱()2220000224sphereeeBrzVVm+=()22222001212effeeeBeBrzmm= + ，电势等位面为轴向拉长的旋转椭球面；，电势等位面为球面；，电势等位面为轴向压扁的旋转椭球面；，电势等位面则为开放的双曲线，潘宁阱不能约束电子0sphereVV0sphereVV=03spheresphereVVV03sphereVVVsphereV0Vsphere200
14、620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P181818Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU?在潘宁阱的约束位形中，粒子的运动保持能量守恒与正则角动量守恒，即 沿轴向注入，保证小正则角动量 电子在每一次运动周期中，将穿过原点附近一次，对中心密度作贡献 潘宁阱密度分布（中心密度很高）(小正则角动量注入实现电子聚心)2(/ 2)cLPr pmrmrconst=?( )22/c cn rn rr200620062006年年年77 7月
15、月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P191919Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU电子束潘宁阱装置（EBPT）200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P202020Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIUEBPT实验条件?加速电压：可调（0-200V）?上端极电位：负偏（-10V）?
16、下端极电位：方波（频率103Hz，幅度为-18V-10V）?潘宁阱的电磁场： 四极电场：环极上可调电压（0-10kV）； 轴向磁场：0-530Gs?诊断：法拉第筒和各电极收集逃逸电子电流200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P212121Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU聚心电子的散射?散射电子流：通过碰撞获得能量增益，摆脱势阱约束的散射电子?散射电子的存在：潘宁阱中存在稠密电子芯部200620062006年年年77
17、 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P222222Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU散射与注入电流关系?阈值：表明出现电子聚心状态 注入电子发生碰撞偏转进而被潘宁阱约束是一个正反馈过程，也就是说，阱中约束电子越多，越有利于注入电子被潘宁阱约束200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P232323Copyright by Copyright by Copyright by Wan
18、dongWandongWandong LIULIULIU电磁场匹配现象?潘宁阱电磁场形成等效球形势场的匹配点附近散射电流达到最大，聚心效果最好02460204060V0(kV)Ic(nAB=318G02460204060V0(kV)Ic(nA)B=339G02460204060V0(kV)Ic(nA)B=360G02460204060V0(kV)Ic(nA)B=381G02460204060V0(kV)Ic(nA)B=233G02460204060V0(kV)Ic(nA)B=254G02460204060V0(kV)Ic(nA)B=275G02460204060V0(kV)Ic(nA)B=29
19、7G20V0.032GssphereVB=200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P242424Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU散射电流与磁场关系?磁场较小时，散射电子流与Brillouin密度成线性关系，符合潘宁阱约束理想定标率?磁场较大时，散射电子流有饱和的趋势,偏离理想定标率?约束足够高（热核聚变应用）密度电子等离子体有困难00.511.52010203040506070Imax(nA)B2(105Gauss2
20、)200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P252525Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU瞬时电子聚心状态分析?聚心状态演化过程 快速上升（5s） 指数衰减（ms） 稳定状态200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P262626Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong
21、LIULIULIU上升过程：聚心状态的建立?散射电子信号上升过程是电子被约束和聚心状态建立过程，即潘宁阱中心累积等效电子密度的过程()343cinjcescdNNr nnudt=0113injcinjescIuNNez r v=03c injthescez r vIu =?阈值注入电流1 5cs=?指数增长?线性增长23injescIdNNdte=1035.1 1011cBncmn=200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P272727Copyright by Copyright by Copyright by Wando
22、ngWandongWandong LIULIULIU下降过程：聚心状态的消失?散射信号上升至最大值后随即出现指数下降过程，原因可能为碰撞导致约束电子热化，约束电子的能量分布、正则角动量分布逐渐展宽的过程 能量分布展宽，高能电子逸出阱外，低能电子将继续在阱中，但其运动空间线度会减小，结果使潘宁阱有效约束体积减少。 极限情况，完全热化，密度为Brillouin密度1 12EEms=200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P282828Copyright by Copyright by Copyright by WandongW
23、andongWandong LIULIULIU结 语?通过对电子聚心实验研究，证实了在合适的潘宁阱电磁场和足够大的注入电子束流下可以建立起电子聚心状态?作为热核聚变新途径探索，实验表明了这种概念存在着实现上的难点，主要为：?潘宁阱内约束电子的热化问题，如何引出热化电子将是这一装置稳定运行的基础问题?理想的潘宁阱约束与磁场的定标出现饱和趋势200620062006年年年77 7月月月55 5日，成功大学，台南日，成功大学，台南日，成功大学，台南PP P292929Copyright by Copyright by Copyright by WandongWandongWandong LIULIULIU歡迎訪問中國科學技術大學近代物系谢谢大家！
