《潘宁阱中电子等离子体的数值模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《潘宁阱中电子等离子体的数值模拟（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中田科掌技术大掌司E 士掌位论文擅墨摘要本论文的主要工作是成功地编写了一套针对电子束潘宁阱非中性等离子体装置( E B P T ) 的粒子模拟程序。并且对潘宁阱内电子聚心状态的定标关系进行了研究。我们通过全面的考虑和设计，成功地编写了整套程序。进行了一系列的调试和实验运行后，表明该程序能够正常运行，进行非中性等离子体物理方面的数值实验工作。目前，我们已经利用该程序完成了对电子聚心约束定标关系的研究。程序的主要特点有：在旋转坐标系里研究粒子的运动；采用非均匀网格划分来贴近边界；P I C 法分配电荷和求粒子受力：迭代法求解泊松方程；蛙跳格式推进粒子。我们利用该程序对E B P T 的电子等离子体
2、进行了数值实验研究，主要的实验结论有：1在E B P T 中心附近可以形成密度可以突破布里渊极限的稳态电子等离子体。模拟结果得到稳态时潘宁阱中心的电子密度可以达到l O ”。左右。2 稳态时，电子的势能最小值位置不是潘宁阱中心而是内部平均密度为布罩渊密度的径向位置( r = 1 5 m m ) ，电子能谱在低能端出现截断。3 潘宁阱中心会出现一定程度的电子势垒，把低能( 截止能量以上) 电子约束在阱中心附近。4 数值结果表明了电磁场匹配条件的满足是达到较高聚心的必要条件，与E B P T 的实验结果一致。5 阱中的电子总数对稳态中心密度的影响不大，电子较多时，相应的近热化的约束电子增多；电子运
3、动范围增大，即能量展宽增大，聚心密度越大；聚心密度与有效势的大小成正比，与P F X 和E B P T 实验结果一致。6 达到稳定的时阃与初始电子数成反比，同碰撞驰豫时间与电子密度成反比的关系相吻合；达到稳定的时间与潘宁阱的有效势有近似线性的正比关系。以上对潘宁阱中的等离子体定标关系的研究，为进步研究潘宁阱中的非中性等离子体性质提供了必要的、可靠的数据。)，! ! 苎竺苎查查竺! 主竺苎丝奎一一生翌墨叁! ! A B S T R A C TB e c a u s eo f t h ep o o ra c c e s s i b i l i t ya n dt h ei n c a p a b
4、i l i t yo f e m i s s i o n ，i ti sd i f f i c u l tt od e t e c td i r e c t l yt h ep a r a m e t e r so fc o n f i n e de l e c t r o n si nt h eE l e c t r o nB e a mP e n n i n gT r a p ( E B P T ) B e s i d e st h ee x p e r i m e n t so nt h eE B P T , n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s
5、ap o w e r f u lw a yt os t u d ys u c hp l a s m a si nd e t a i l I nt h i st h e s i s ，aP a r t i c l e 。I n - C e l l ( P I C )c o d eh a sd e v e l o p e dt oa n a l y z et h es t a t eo fe l e c t r o np l a s m a si nt h eE B P T T h ec h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e so ft h ec o d e
6、a r e ：R o t a t i o n a lc o o r d i n a t e sa r eu s e dt oe l i m i n a t et h es t a t i cm a g n e t i cf i e l d ；N o n - u n i f o r ms p a t i a lg r i d sa r es e tt om a k et h ec o m p u t a t i o n a lb o u n d a r yb ea sc l o s et ot h es u r f a c eo ft h ee l e c t r o d e sa sp o s
7、 s i b l e ；P I Cm e t h o di su s e dt oa s s i g np a r t i c l ec h a r g et on e i g h b o r i n gg r i dp o i n t sa n dc a l c u l a t et h ef o r c ea tt h ep a r t i c l e s ；T h eP o i s s o ne q u a t i o ni ss o l v e dw i t hi t e r a t i v ea l g o r i t h ma n dt h ep a r t i c l e sa
8、r ea d v a n c e db yl e a p - f r o gm e t h o d T h es t e a d Ys t a t eo fe l e c t r o np l a s m a si nE B P Ta n dt h ea s s o c i a t et i m ee v o l u t i o np r o c e s sa r es t u d i e db yt h i sP I Cc o d e T h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：1 T h es t e a d ys t a
9、 t eo fe l e c t r o nf o c u s i n gi sf o u n di nt h eE B P Tw i t ht h ec e n t r a ld e n s i t yo f1 0Y Bo rm o r e 2 T h es e l f - f i e l do fc o n f i n e de l e c t r o n sd e c r e a s e st h ee l e c t r i cp o t e n t i a li nt h et r a p T h em a x i m u mp o t e n t i a li sn ol o n
10、g e ri nt h ec e n t e r o f P e n n i n g t r a pb u t i n t h e p o s i t i o n o f r 2 1 5 m m 3 T h e r ee x i s t sab a r r i e rp o t e n t i a li nt h ec e n t e rf o re l e c t r o n s ，i nw h i c hs o m el o w - e n e r g ye l e c t r o n sa r et r a p p e d T h et r a p p e de l e c t r o
11、n sa r ea l m o s tt h e r m a l i z e d 4 I ti Sa l s oi d e n t i f i e dt h a tt h ee l e c t r i cf i e l dm a t c h e st h em a g n e t i cf i e l di st h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rs t r o n gf o c u s i n go fe l e c t r o n si n E B P t5 T h ed e n s i t yo ft h ef o c u si sa l
12、 m o s ti n d e p e n d e n to fa m o u n to ft h ei n i t i a l l yi n j e c t e de l e c t r o n s B u ti ti sp r o p o r t i o n a lt ot h ew i d t ho ft h ee n e r g yd i s t r i b u t i o na n dt h ee f f e c t i v ep o t e n t i a l 6 T h et i m et or e a c ht h es t e a d ys t a t ei si n v e
13、 r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ei n i t i a l l yi n j e c t e de l e c t r o n s ，a n dp r o p o r t i o n a lt ot h ee f f e c t i v ep o t e n t i a l I I中田科学技术大学硕士学位论文致谢致谢在本论文完成之际，感谢所有指导和帮助过我的人们。首先对我的导师刘万东教授和杨维宏副教授致以深深的谢意。论文工作的每一步进展都离不开他们对我的悉心指导。他们渊博的学识、严谨的治学态度使我受益非浅。感谢郑坚博士和远在法国的庄革博士几年来
14、给我的热心鼓励和直接指导。感谢俞昌旋教授、胡希伟教授和马锦秀教授在百忙中抽出时间给我的指导和支持。感谢本实验室的谢锦林博士、赵凯、于治、梁小平、迟霁对我工作和生活上的协助。付成江中啊科掌童诛大掌习E 士掌位论文第一幸5 I t 和I 遗I 1引言第一章引言和综述1 9 3 6 年潘宁( F M P e n n i n g ) 提出利用外加的静电场和静磁场构成的潘宁阱装置( P e n n i n gt r a p ) 来约束带电粒子，此后潘宁阱主要应用在原子分子物理、粒子物理实验领域中，约束少量带电粒子。近些年来，潘宁阱对非中性等离子体所具有的良好约束位形受到人们的日益重视，用于研究纯电子(
15、或离子) 、正电子或反质子等离子体的平衡、稳定和输运性质。L T u r n e r 和D C B a r n e s等人提出在潘宁阱中可以得到高度聚心的电子等离子体状态，以用于受控热核聚变研究【2 】。我们实验组建立了一套电子束潘宁阱系统( E B P T ) 来进行这方面的相关实验I “1 。由于潘宁阱的形态比较封闭，电子等离予体不具有自发或受激辐射的特性，对其参数的诊断，特别是等离子体参数的空间分布比较困难。本文建立了一套完整的粒子模拟程序来描述阱中的电子等离子体状态，研究其中电子等离子体的运动规律及参数定标关系，以达到与实验相互印证和互补的目的。作为引言，我们首先介绍一下惯性静电约束的
16、原理，然后介绍利用潘宁阱进行聚心实验的原理和相关的实验结果。1 2 惯性静电约束原理及进展受控热核聚变是高温等离子体物理学的主要研究领域，半个世纪以来一直受到各国科学家的关注。惯性静电约束( I n e r t i a lE l e c t r o s t a t i cC o n f i n e m e n t 或I E C ) n 是最早尝试应用于受控热核聚变研究的方式之一，并且获得过一定通量的热核聚变中子。它的原理是在一外部建立的球对称静电势阱中，注入( 或由背景中性气体电离) 离子使其加速会聚至球心。当外加势场足够大、中心处的离子密度足够高时，可使中心达到热核聚变所需的温度和密度，产生热核聚变反应。但由于非中性等离子体m I 中自电场作用的影响，中心的密度受到布里渊( B r i l l o u i n ) 密度极限的制约，从而限制了整个体系的聚变反应率。一般而言，布里渊密度远低于聚变反应所需的密度。密度的限制以及I E C 装置内电极对注入离子的吸收几和过大的热负载使得静电惯性约束热核聚变的研
