超声团簇束同低能区电子相互作用研究

The supersonic cluster beam injection is recommended as the future fuelling technique by the ITER exports for its simplicity in use, high fuelling efficiency and deep penetration depth into the tokamak plasma. This project will focus on the interaction between supersonic cluster beams and tokamak plasma by the method of injecting 30-2000eV electrons into the hydrogen cluster beams. The Hα emissions from the beams will be measured to calculate the beam density and spatial distribution, while the Rayleigh scattering and time of flight technique will be used the measure the cluster size. The density and cluster size distribution of the cluster beam during the gas jet and transportation, the ionization and dissociation of the clusters, the penetration depth of the electrons into the cluster beam and the scattering of the electrons in different angles will be tested to research the physical mechanism of the interaction between electron and cluster beam. The simulation of the cluster generation and free transportation， the interaction between supersonic cluster beam and electron beam, the injection into the plasma and the fuelling will be done by Monte Carlo method. The method to improve the penetration depth and the fuelling efficiency will be explored. This project is not only focused on the supersonic cluster beam injection technique, but also very important to the further development of the ITER project.

超声分子束注入加料方法具有设备简单、效率高和注入深等特点，被ITER专家组建议为首选替换加料技术。如何进一步提高加料效率，研究注入机理是未来核聚变中的核心研究课题之一。本项目将利用低能电子枪和超声喷流团簇源装置，实验研究30-2000eV的电子束流与不同结构喷嘴产生的超声团簇束流的相互作用过程。通过研究电子束在团簇束中激发的Hα辐射，结合瑞利散射、飞行时间测量等技术，开展超声分子束同等离子体相互作用的研究。研究超声团簇束从产生到输运过程中的密度、尺度分布；研究团簇束流在电子作用下的电离、解离；研究电子在团簇束流中的透射、散射等；研究提高注入深度的方法和技术。结合实验结果进行模拟研究，模拟分子束产生和输运过程，模拟分子束同电子束的相互作用机制，模拟分子束注入等离子体的机制，探索提高加料效率的机理和措施等。该项目研究不仅是探索托克马克注入加料机理，对于推动ITER项目的发展同样具有重要的意义。

项目按照预定计划完成了预期目标。研制完成了一套长约3.5米的真空管道系统，研制了一套成像率达到1Mfps的单光子成像系统用于Hα辐射光的测量诊断，研制了超声分子束密度、速度诊断系统，研制了基于瑞利散射的超声团簇成像诊断系统。实验研究了超声分子束在飞行过程中的密度、速度演化和分布规律，研究了背景真空环境对超声团簇制备的影响，发现了常温下氩气团簇存在同低温下氢气团簇类似的“自限制效应”，验证了其是超声团簇制备和输运的重要影响因素。研究获得了氩气、甲烷、氢气等各种气体超声团簇的尺度分布，成功获得了常温下的含氢（氘）团簇，对于研制基于激光聚变的桌面中子源具有积极意义。首次研究获得了氩气、甲烷团簇的光学轨迹，并提出了该种基于光学成像技术是一种适于研究气体团簇性质的有效方法。首次研究给出了超声分子束飞行2000mm范围内的密度演化规律，发现在轴向距离大于200mm后超声分子束密度基本维持不变，对于理解超声分子束注入等离子体的机理具有重要价值。研究发现超声分子束飞行速度随着喷气压强的增大而增大，并研究了管道结构对超声分子束速度、密度的影响等。实验研究了超声分子束同电子的相互作用过程，通过对相互作用后的辉光成像，研究了不同能量电子在各种密度超声分子束中的穿透深度等。基于分子动力学和蒙特卡洛相结合的方法，研究了超声分子束的产生和输运过程，验证了超声团簇的形成是基于绝热膨胀规律。基于FLUENT软件，模拟研究了各种喷嘴结构、管道变化对于超声分子束密度、速度的影响，发现半张角为20°的喷嘴具有最优的速度分布，同时管道结构对于速度影响较大。同核工业西南物理研究院相关课题组合作，模拟研究了超声分子束同等离子体的相互作用过程，以及超声分子束参数对注入深度、加料效率等的影响等，发现相对于超声分子束的密度，速度对于注入深度具有更大的影响。