多源异相脉冲调制射频放电中负氢离子产生机理的研究

Negative hydrogen ion sources are the important part in Neutral Beam Injector (NBI) which used to ignite/maintain magnetic confinement fusion (MCF), Spallation Neutron Source (SNS) and high energy proton accelerators. One of the effective methods to produce high density negative hydrogen ion (H-) is pulse-modulated RF discharge. In this project, we propose a new discharge scheme, named as “multi-source unsynchronized pulse-modulated RF discharge” to achieve a continuous and steady plasma, which can generate high density negative hydrogen ions. This new method will take full advantages of pulsed plasmas: high production rate of high state vibrational hydrogen molecular during active-glow period and a large amount of low energy (<1 eV) electrons in after-glow period. These two kinds of particles will be transported into the same chamber, generating the negative hydrogen ions with a high rate. To study the underlying mechanisms of H- production, the simulation and experimental diagnostics will be adopted in this project. In simulation, two-dimensional “multi-source unsynchronized pulse-modulated RF discharge” model will be built based on the frame of COMSOL, and it will be further optimized in this project. In experiment, the time-resolved Langmuir probe and laser photodetachment method will be used to measure the density of H- and investigate the characteristics of the plasmas systematically. Based on a detailed analysis of the simulated and experimental results, the underlying mechanisms and critical factors in H- production will be revealed. Hopefully, this project will provide solid data to push forward this new high density H- generation method.

高密度负氢离子源是磁约束聚变中高功率中性束注入器、散裂中子源和强流质子加速器的重要组成部分；脉冲调制射频氢气放电是产生高密度负氢离子的一种有效途径。本项目将采用多源异相脉冲调制射频放电方案，使各个腔室脉冲放电中辉光期（产生高振动激发态氢分子）和余晖期（产生大量低能（<1eV）电子）的优势相互补充，在扩散腔室中获得连续稳定的高密度负氢离子。项目将采用模拟与实验相结合的研究方法，模拟上采用COMSOL软件模拟计算多源异相脉冲放电特性，优化物理设计和各种放电参数；实验中采用时间分辨Langmuir探针结合激光解离技术，重点研究放电参数对负氢离子密度的影响，阐明影响负氢离子密度的关键因素和负氢离子密度随放电参数的变化规律，揭示多源异相脉冲放电中负氢离子产生的物理机理。期待本项目的研究成果能为多源异相脉冲放电负氢离子源新技术的研究和应用提供可靠实验数据和理论支持。

高密度负氢离子源是磁约束聚变中高功率中性束注入器、散裂中子源和强流质子加速器的重要组成部分；脉冲调制射频氢气放电是产生高密度负氢离子的一种有效途径。项目研究过程中采用模拟与实验相结合的研究方法，模拟上采用COMSOL软件模拟计算射频氢气放电等离子体特性，优化物理设计和各种放电参数；实验中采用时间分辨Langmuir探针，重点研究放电参数对负氢离子密度的影响，阐明影响负氢离子密度空间分布的关键因素和负氢离子密度随放电参数的变化规律。. 本项目首先在COMSOL软件中利用射频模块和等离子体模块建立了二维轴对称单腔室放电模型。利用该模型研究了各种放电条件（如放电线圈匝数，工作气压，射频功率等）、各反应方程和反应参数以及各离子的器壁复合系数对腔室中负氢离子密度和空间分布的影响，确定了下一步模型中合适的放电参数。研究过程中，针对前期建立的模型利用粒子追踪方法确定了负氢离子（H-）空间分布以及等离子体中其他相关离子的关键特性。研究发现，负氢离子被极大地束缚在等离子体放电中心，并且在靠近离子引出口位置密度相对较低。此外，研究发现引出离子的能量宽度和发散角在低于150 V时随着引出电压逐渐减小，而在高于150 V引出电压后也逐渐减小。此外，研究过程中发现采用二级扩散腔室，并且固定上腔室（源腔室）尺寸时，当扩散腔室直径逐渐增加后，负氢离子密度最大值位置逐渐下移。在脉冲调制射频放电过程中，发现放电气压大于20 mTorr时电子密度在脉冲开启时刻电子密度出现先下降后上升的趋势。项目研究过程中模型计算结果和实验结果吻合非常好，进一步确定了模型和研究方案的正确性。. 该项目的研究成果揭示了射频放电负氢离子源中负氢离子的空间分布的形成机理，并且通过系统性地研究阐明了影响负氢离子密度的关键形成机制和负氢离子密度随放电参数的变化规律。该项目的结果预期将为下一步深入多源脉冲调制高密度负氢离子源及其负氢离子引出关键因素提供可靠数据，为下一代高密度负氢离子源的设计提供设计依据。