负氢离子源放电机理的全三维PIC/MCC模拟算法与实现

Due to the important position in the field of the spallation neutron source and the strong flow neutral beam injection thermonuclear fusion, negative hydrogen(H-) ion source will be researched in two aspects: Firstly, the theoretical analysis of the physical mechanism of ion source discharges and key algorithms of plasma simulation will be studied, such as GPU acceleration, noise suppression, coulomb collisions, plasma grid boundary, etc. And the full three-dimensional Particle-in-cell/Monte Carlo collisions software will be designed and verified with the actual model. Secondly, the software is used to simulate the H- ion sources. In the simulations, the effect of various factors (including the discharge voltage, source structure, layout, magnets discharge chamber pressure, the cathode surface, secondary electron emission, the anode surface ion scattering, etc.) on H- production rate will be considered, the space and energy deposition law of various kinds of particles will be explored, the kind of ion source discharge characteristics will be revealed, and the corresponding optimization scheme will be put forward. This will indicate the direction for the development and running of the ion sources.

鉴于负氢离子源在散裂中子源和强流中性束注入热核聚变领域的重要地位，本课题拟开展两大方面的工作：其一，理论分析离子源放电物理机理，深入研究等离子体模拟领域的关键算法，如GPU加速、噪声抑制、库仑碰撞、等离子体栅网边界等，在此基础上研制全三维的粒子模拟/蒙特卡罗碰撞软件并结合实际模型验证；其二，运用该软件对当前国际上研究较热的负氢离子源进行模拟研究，综合考虑各因素(包括放电电压、源体结构、磁体布局、放电室气压、阴极面二次电子发射、阳极面离子散射等)对负氢产率的影响，探索各类粒子的空间和能量沉积规律，揭示此类离子源放电特性并提出相应的优化方案，为离子源的研发和运行指明方向。

目前，基于全球ITER计划，大量关于中性束注入等离子热核研究正在各国进行中。由于负氢离子的中性化效率高，在热核实验发挥着至关重要作用，因此负氢离子源的研究具有较大意义。为了提升国内负氢离子源模拟方面的技术水平以及赶超国外研究水平，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．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。.2．JAERI 10A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。.3．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，为国内离子源的开发提供理论指导。.4．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。 .5．JAERI 10A离子源负氢离子表面产生研究及引出算法研制。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。