瞬态能量作用下金属氢化物释气过程研究

Metal hydrides which storage hydrogen and reversibly absorb and desorb hydrogen are used for a variety of energy, industry, national defence and science research application. Meanwhile, metal hydrides are being used or considered for intense pulse plasma sources and ion sources, in which utilizing a variety of transient energys to release gas from metal hydride and ionize it to produce a plasma. But metal ions existing in the plasma debase and limit the service perfoemence. Therefor, increasing the hydrogen ion fraction in these plasma or ion sources is an essentially reqirement, precondition of which is increasing the hydrogen fraction in the gas released from metal hydride. In this work, we are going to research the transient gas-releasing process of metal hydride under energy to obtain the influence of energy and meterial parameters of metal hydrides on the gas-releasing, by experimental measurement on LIF and theoretical simulation based on heat and mass transfer model, which will be developed designedly. The research result can lay the foundation for optimum design of metal hydride plasma sources and ion sources with high hydrogen ion fraction, further optimizing device performance and extending application of these sources.

金属氢化物具有高贮氢量和吸放氢可逆性等特性，在能源、工业、国防及基础研究领域应用广泛，在产生强脉冲氢等离子体源和离子源方面的应用也越来越受到重视。通常是利用各种形式的瞬态能量使金属氢化物释气并电离，产生氢等离子体，但同时也会产生金属离子，而金属离子的存在会降低甚至限制其应用性能。因此，提高等离子体和离子束中氢离子比是一个本质要求，其基础是提高金属氢化物释气过程中氢的含量，本项目针对金属氢化物在瞬态能量作用下的释气过程，建立基于LIF诊断方法的实验研究方法和基于传热传质模型的理论计算方法，通过理论模拟和实验研究，掌握能量和金属氢化物性能对释气过程的影响规律，可以为基于金属氢化物的高氢离子比等离子体源和离子源的设计提供依据，为提高等离子体或离子源工作性能，优化及拓展其应用提供支持。

金属氢化物具有高贮氢量和吸放氢可逆性等特性，在能源、工业、国防及基础研究领域应用广泛，在产生强脉冲氢等离子体源和离子源方面的应用也越来越受到重视。通常是利用各种形式的瞬态能量使金属氢化物释气并电离，产生氢等离子体，但同时也会产生金属离子，而金属离子的存在会降低甚至限制其应用性能。因此，提高等离子体和离子束中氢离子比是一个本质要求，其基础是提高金属氢化物释气过程中氢的含量。. 本项目针对瞬态能量作用下金属氢化物释气这一瞬态动力学过程，建立了瞬态能量作用下金属氢化物的传热传质一维和二维理论模型，获得了金属氢化物释气过程的四个阶段：加热阶段、相变阶段、逆相变阶段、自然冷却阶段。通过控制外部能量输入，可以控制阳极材料外侧的温度高于相变温度点但是低于材料熔点，从而实现抑制金属原子蒸发，提高氘离子比的目的。建立了激光诱导荧光光谱诊断方法，获得了脉冲激光作用下金属氘化物释氘实验测量数据。在5mJ/pulse激光能量下，对于同一种金属氘化物，氘原子比越高，瞬态能量作用下金属氘化物释放的氘越多；对于不同的金属氘化物，释氘能力为Ti膜≈Ti合金>Ti>Zr。实验研究结果与数值模拟计算结果在定性上是一致的。. 本项目建立的基于传热传质模型的理论计算方法和基于LIF诊断方法的实验研究方法及研究结果，为基于金属氢化物的高氢离子比等离子体源和离子源的设计提供依据，在等离子体源、离子源、中子发生器和中子管等领域也能够进一步拓展应用。