Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОБЗОР ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С СОЗДАНИЕМ И ТРАНСПОРТИРОВКОЙ
ПУЧКОВ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ И ИХ МАТЖАТИЧЕСКШЛ МОДЕЛИ
РОВАНИЙ
1.1 Требования,предъявляемые к параметрам пучка отрицательных ионов, инжектируемого в термоядерные установки,и способы получения таких пучков . 10
1.2 Обзор численных методов,применяемых при расчетах ионно-оптических систем 15
1.3 Обзор методов математического моделирования процессов компенсации собственного.-.заряда ионных пучков 19
1.4 Использование перезарядных, Сверхзвуковых струй в качестве вакуумных затворов и насосов 25
ГЛАВА II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДОУСКОРЕНИЯ ПУЧКОВ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ 28
2.1 Одномерный анализ .29
2.2 Моделирование переходного слоя между ускоряющим пространством и компенсированной областью пучка 34
2.3 Численная модель системы доускорения в двумерной геометрии 41
2.4 Результаты численных экспериментов по моделированиюсистемы доускорения 50
2.5 Доускорение многокомпонентных пучков 55
ВЫВОДЫ 60
ГЛАВА III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМПЕНСАЦИИ ОБЬШНОГО ЗАРЯДА
ПУЧКОВ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ 62
3.1 Особенности компенсации объемного заряда пучков отрицательных ионов и общие вопросы,касающиеся построения моделей пучково-плазменных систем 62
3.2 Изучение компенсации положительного объемного заряда электронами .68
3.3 Моделирование компенсации объемного заряда пучка отрицательных ионов .76
3.4 Анализ устойчивости пучково-плазменной системы,образующейся при компенсации объемного заряда пучка отрицательных ионов 80
ГЛАВА ІV. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОНИКНОВЕНИЯ ГАЗА ЧЕРЕЗ СВЕРХЗВУКОВУЮ ПАРОМЕТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУЮ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЗАТВОРНЫХ СВОЙСТВ ПЕРЕЗАРЯДНОЙ СТРУИ В ИНЖЕКТОРАХ 87
4.1 Постановка задачи и методы решения 87
4.2 Описание алгоритма расчета и выбор вычислительных параметров
4.3 Обсуждение результатов расчетов 96
ВЫВОДЫ 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 106
ЛИТЕРАТУРА 112
РИСУНКИ 117
- Требования,предъявляемые к параметрам пучка отрицательных ионов, инжектируемого в термоядерные установки,и способы получения таких пучков
- Моделирование переходного слоя между ускоряющим пространством и компенсированной областью пучка
- Особенности компенсации объемного заряда пучков отрицательных ионов и общие вопросы,касающиеся построения моделей пучково-плазменных систем
- Описание алгоритма расчета и выбор вычислительных параметров
class1 ОБЗОР ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С СОЗДАНИЕМ И ТРАНСПОРТИРОВКОЙ
ПУЧКОВ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ И ИХ МАТЖАТИЧЕСКШЛ МОДЕЛИ
РОВАНИЙ class1
Требования,предъявляемые к параметрам пучка отрицательных ионов, инжектируемого в термоядерные установки,и способы получения таких пучков
Требования, предъявляемые к параметрам пучка отрицательных ионов, инжектируемого в термоядерные установки, и способы получения таких пучков. Инжекция высокоэнергетичных нейтральных атомов лежит в основе проектируемых в последнее время некоторых схем реакторов-токомаков. Оптимум энергии инжектируемых частиц находится в области 400 кэв и выше [6] . Суммарная мощность инжекции составляет более 100 Мвт, а длительность цикла работы - около 1000 сек. Ток отрицательных ионов отдельного инжектора-модуля достигает 15 А.
Таким образом, речь идет о создании непрерывного пучка ионов с током около 10 А и энергией ионов 500 кэв. Наряду с этим пучок должен удовлетворять ряду требований, связанных с его транспортировкой от выхода инжектора до камеры реактора.
Оценки геометрических размеров инжекционной системы, проведённые в работе [6j , показывают, что максимальные размеры входного отверстия камеры реактора для одного модульного инжектора составляют 0,5 х 0,25 г, а длина транспортировки пучка от системы доускорения до входного окна — около 20 м. Угловое отклонение отрицательных ионов при нейтрализации достаточно мало [7] , поэтому требование полного прохождения пучка через входное окно камеры определяет оптимальный поперечный размер пучка на выходе системы доускорения и минимально допустимое угловое отклонение частиц в пучке.
В терминах поперечного фазового объема пучка это означает, что эмиттанс пучка на выходе системы доускорения должен иметь заданную величину и форму. Уравнение огибающей пучка невзаимодействующих частиц в пространстве дрейфа без фокусирующих полей имеет вид
Моделирование переходного слоя между ускоряющим пространством и компенсированной областью пучка
В предыдущем разделе рассмотрение проводилось при условии, что существует резкая граница между ускоряющий пространством, в которой присутствуют только отрицательные ионы и электроны, и нейтрализованной областью пучка, в которой пространственный заряд пучка компенсирован вторичными положительными ионами. Это приближение соответствует нулевой температуре вторичных ионов. Поэтому граница плазмы, где электрическое поле равно нулю, в этом приближении определена с точностью до нескольких дебайевских длин положительных ионов. Если же температура вторичных ионов будет сравнима с начальной энергией отрицательных ионов, т.е. параметр Ф -/г не слишком мал» т0 ПРИ расчете траекторий ускоряемых ионов необходимо учитывать ход потенциала в переходном слое.
Перейдем к вопросу о нахождении распределения потенциала и плотностей отрицательных и положительных ионов в переходном слое. Методика расчета основана на совместном решении уравнений движения частиц и уравнения Пуассона.
class3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМПЕНСАЦИИ ОБЬШНОГО ЗАРЯДА
ПУЧКОВ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ class3
Особенности компенсации объемного заряда пучков отрицательных ионов и общие вопросы,касающиеся построения моделей пучково-плазменных систем
В схеме нейтральной ишкекции через отрицательные ионы путем ДВОЙНОЕ перезарядки положительных ионов отдельные элементы схемы (перезарядная мишень Н -»"1Г, система доускорения , система разделения нейтралов и отрицательных ИОНОЕ, вторая перезарядная мишень 1Г-- Н )должны быть разнесены друг от друга на расстояния, исключающие их взаимное влияние. В первую очередь это относится к парометаллическим мишеням, поскольку вынос щелочного металла из струи может нарушить электрическую прочность системы доускорения. Оценки показывают, что длина транспортировш пучка отрицательных ионов должна составлять около 100 см. В этих усло-г: виях воздействие собственного пространственного заряда пучка, а также коллективные колебания, возбуждаемые пучком при взаимодействии с вторичной плазмой, могут вызвать искажения поперечного фазового объема, неприемлемые с точки зрения его эффективной инжекции Е магнитную ловушку.
Эффективность транспортировки отрицательных ионов без учета влияния пространственного заряда в первую очередь определяется величиной давления в канале транспортировки, так как сечение "обдирки" отрицательных ионов достаточно велико.
Описание алгоритма расчета и выбор вычислительных параметров
Упрощённая геометрия задачи представлена на рис. 35 . ион-но-атомный тракт пересекает плоская однородная струя шириной І,=ВС и высотой Н = АВ. Плотность частиц струи ҐІп , средняя скорость струи V0 направлена параллельно оси ОУ, температура-частиц струи Тд.
В объем I поступает поток газа О/ ( ат/сек). Объем П по другую сторону откачивается средствами откачки со скоростью S ( ат.м/сек) при этом из объема П удаляется поток газа (к -Пг-В (ат./сек). Температура газа в обоих объемах Тг
Молекулы газа из обоих объёмов, попадая в струю, либо проходят через неё, либо отражаются обратно, либо захватываются струей и сносятся в объём Ш, из которого они удаляются средствами откачки. Потоки газа из объёма Ш против струи не учитываются ввиду их относительно малой величины.
Решение ищется при следующих предположениях:
1) плотность молекул пара значительно превышает плотность газа
МП /1Г, что заведомо оправдывается в рассматриваемых условиях
2) параметры струи не меняются при взаимодействии струи с потоком газа ввиду малости шлпульса, передаваемого потоком газа струе по сравнению с направленным импульсом струи;
3) молекулы газа рассматриваются как абсолютно упругие твёрдые шары соответствующего диаметра, определяющего сечение рассеяния молекул газа на молекулах струи (э = 7Г Ґ—г у , где хг и Ып диаметр молекул газа и пара соответственно;
4) размеры струи в направлении оси 02 неограничены,
Первое предположение даёт основание не учитыва ть взаимодействие молекул газа друг с другом, т.к. соответствующая длина свободного пробега гораздо больше длины свободного пробега молекулы газа в струе. Второе предположение позволяет считать параметры струи постоянными и независящими от перепада давления по обе стороны струи.
Таким образом, задача становится линейной, что значительно упрощает методику решения.
Третье предположение позволяет упростить кинематику столкновений, поскольку для случая упругих шаров рассеяние в системе центра масс будет изотропным.
Ограничение связанное с двумерностью модели непринципиально и отражает геометрию реальной струи , При необходимости оно может быть устранено введением соответствующих граничных условий вдоль оси 02 , поскольку кинематика столкновений рассматривается в трехмерной геометрии.
