基于高性能计算平台的RF负氢离子源数值模拟研究

The high-power RF driven negative hydrogen ion source is a vital starting point of the ITER NBI fusion devices, which operates at a low excitation frequency ( 1MHz ) while it can provide us with a high beam current ( tens of amperes ). This device, which possesses the maintenance-free operation over a long period of time, has a simple structure. With these performance superiorities, the study of the RF negative hydrogen ion source is a great attraction to researchers worldwide. This project will complete the following two aspects:.a) Theoretical analysis on the mechanism of RF negative hydrogen ion source will be carried out, and the models will be built. Basing on the high-performance computing platform, we will use the key algorithms of the plasma simulation to develop fully 3D electromagnetic-model PIC-MCC numerical simulation software. The software will be confirmed by experimental results. .b) Focusing on the RF negative hydrogen ion source devices (BATMAN, MANITU, etc.) that developed by the Max-Planck-Institute for Plasma Physics (IPP) from Germany, we will take various factors ( including the Cs source placement, multiple collisions of various particles, magnet layout, secondary electron emission on walls, the sputtering on internal wall, and etc. ) into overall consideration to explore methods of improving the homogeneity and power efficiency of negative hydrogen ion beam. The fully 3D electromagnetic-model PIC-MCC simulation study will be carried out. The relevant design parameters on RF negative hydrogen ion source will be optimized.

大功率的RF负氢离子源作为ITER的中性束注入聚变实验装置的重要起点，由于其具有激励频率较低（1MHz），引出束流大（几十A），设备结构简单，可长期免维护运行等优点，因而受到国内外研究人员的青睐。本课题拟展开两方面的工作：.1）理论分析RF负氢离子源工作机理并建立模型，利用等离子体模拟关键算法，基于高性能计算平台，研制全三维电磁耦合型PIC-MCC数值模拟软件并结合实验加以验证；.2）针对德国IPP研制的RF负氢离子源实验装置（BATMAN, MANITU等），综合考虑源内铯源添置、多种粒子各类碰撞、磁体布局、器壁面二次电子发射、内壁溅射等因素影响，进行全三维电磁耦合型PIC-MCC模拟研究，探索提高RF负氢离子源功率效率和均匀性的方法并优化相关设计参数。

大功率的RF负氢离子源作为ITER的中性束注入聚变实验装置的重要起点，由于其具有激励频率较低（1MHz），引出束流大（几十A），设备结构简单，可长期免维护运行等优点，因而受到国内外研究人员的青睐。本项目深入研究了电磁耦合型PIC/MCC理论，分析并添加了RF负氢离子源和Penning离子源相关的各类碰撞反应类型和过程，掌握了RF负氢离子源中各种截面数据（包含两类弹性、各类激发、电离、H-的产生和消亡机制），完成了软件主体框架代码编写，形成全三维电磁耦合型PIC/MCC仿真软件。同时深入研究了噪声抑制算法、加速算法、金属钼栅网电流磁场算法等，在已有软件基础上添加相应功能模块。结合国外成熟离子源（主要指德国IPP等离子体物理研究所的RF离子源BATMAN测试床和简易建构下的Penning潘宁离子源），建立相关模型，在高性能计算平台上验证软件CHIPIC的正确性及加速比，形成功能较为完备的全三维电磁耦合型PIC-MCC仿真软件。利用编制的PIC/MCC软件，考虑气压、馈入电压等因素的影响，研究潘宁离子源放电过程中等离子体密度变化、温度、相空间分布、等离子体阻抗等参数的变化，模拟结果表明，磁屏蔽的加入一方面可以降低电子密度的波动性，增加电子空间分布的均匀性，扩展了等离子体阻抗稳定区，有利于源内放电的稳定性，然而磁屏蔽也会造成电子密度的降低，限制背景氢气的电离度。在软件平台下，考虑几类主要的磁过滤系统和磁约束系统，栅极材料等因素的影响，研究这些因素对负氢离子源性能和束均匀性带来的影响。模拟结果显示，电子的反射是由源中的磁镜效应引起的。电子的过滤体现在过滤磁场对电子的约束性以及碰撞导致源内扩展区电子能量的衰减，其中激发碰撞是电子能量的主要衰减机制。对过滤对象而言，快慢电子占同等地位。数值模拟结果有助于理解电子在源内的动态特性行为，为未来提高离子源性能提供参考;有助于我们对负氢离子源装置的认知以及粒子在过滤磁场系统下输运过程的理解，从而为降低 H-的损失概率提供帮助。