负氢离子产生、输运及引出的数值模拟算法研究

负氢离子由于其中性化效率高，而备受热核聚变工作者关注，因此对负氢离子源放电机制的数值模拟意义深远。拟开展两方面的工作：一、在理论分析负氢离子源相关物理机制的基础下，采用静电型粒子模拟与蒙特卡罗相结合的方法，综合考虑噪声抑制算法（High-q或时偏算法）和有效的碰撞模型，编制全三维数值模拟程序并结合实验结果数据进行程序可靠性验证。二、研究和揭示各类负氢离子源中粒子间的碰撞机制、输运特性和负离子引出的优化手段。包括：1.负氢离子在离子源的产生过程；2.负氢离子束在大体积源中传输和各种反应机理；3.不同中性气压、外加局部磁场或者磁体、外加引出电压偏置、各类粒子的二次发射、离子源的体积和表面积效应等对负氢离子引出效率的影响。以达到加深对负离子源放电过程的理解，掌握负氢离子的输运特性，分析影响负氢离子引出的主要因素的目的，从而为负氢离子源的实际应用奠定理论基础。

本课题旨在开发全三维粒子模拟与蒙特卡罗相结合（particle-in-cell plus Monte Carlo Collision,简写为PIC/MCC）模拟算法与代码，以及探索负氢离子源放电特性，主要包括以下几个方面的内容：1．矩形永磁体的磁场数值计算。采用有限差分方法推导了直角坐标系矩形永磁体差分格式，并与理论计算结果进行了对比。2．负氢离子源放电过程中电子能量沉积全三维PIC/MCC算法研制。分析了负氢离子源中等离子体物理机制，研究并优化粒子模拟方法和蒙特卡罗碰撞算法的基本处理技术，设计高效的粒子存储方法。考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞，研制了全三维电子能量沉积PIC/MCC算法，并与国外实验对比验证。3．JAERI 10A负氢离子源三维模拟优化与体积产生机制探索。探索了JAERI 10A多峰离子源中电子空间非均匀的起因，并提出了两种空间均匀性优化方案；分析了气压、引出磁场、放电电极位置以及放电初始能量等主要因素对负氢离子的体积产生效率的影响，得到了离子源参数优化方案。4．多峰质子源与J-PARC离子源放电机制模拟研究。揭示了多峰质子源中电子空间及能量分布情形，分析了J-PARC多峰离子源放电特性，以及讨论了校正磁体位置对其体积产生效率的影响。5．中性粒子传输及负氢离子表面产生全三维PIC/MCC算法研制。理论分析了中性粒子传输机理，其中包括：电离、交换电荷碰撞，以及氢原子与边界的相互作用；完善并发展了负氢离子源中负氢离子表面产生物理机制，研制了全三维中性粒子传输及负氢离子表面产生模拟程序，并结合国外成果进行模拟验证。 6．JAERI 10A离子源负氢离子表面产生研究及双腔离子源中负氢离子引出算法研制。将上述电子能量沉积和中性传输模块有机地结合起来，并对负氢离子源从放电始端到负氢离子表面产生的整个过程进行数值模拟，揭示了负氢离子空间非均匀性的起因，并分析了壁材料、氢正离子温度、产率函数等主要因素对负氢离子表面产率的影响。 此外，设计了负氢离子引出过程数值模拟算法，并研究了放电室气压对JAERI 10A离子源中负氢离子引出的影响。