磁化靶聚变中反场构型的气体放电特性与机理研究

The Magneto Inertial fusion (MIF) developed recently is a hybrid of the Inertial Confinement Fusion (ICF) and the Magnetic Confinement Fusion (MCF), and the Magnetized Target Fusion (MTF) is the most mature technology in magneto inertial confinement concept. Field reversed configuration (FRC) is one of the most important units for MTF, especially its gas discharge process. The gas discharge directly determines the properties of the generated plasma, like the density, temperature, life and repeatability. In this study, on the forthcoming completed "YingGuang 1" device, with a combination of optical and electrical diagnostic tools, we will experimentally investigate the FRC characteristics of the gas discharge process, and reveal the gas discharge mechanism in FRC. Combined with PIC / MC / DSMC simulation, the minimum conditions of FRC plasma generation and maintenance and the FRC oscillation θ discharge pre-ionization process will be clarified. The relationship between the discharge parameters and the plasma parameters, as well as the impurity particle behavior and impact will also be studied.

磁惯性约束聚变是介于惯性约束聚变和磁约束聚变之间的一类新兴的混合模式。磁化靶聚变是磁惯性约束概念中发展时间最长、技术最成熟的重要类别。反场构型(Field Reversed Configuration, FRC)是磁惯性约束聚变中最重要的单元技术之一，特别是反场构型的气体放电过程直接决定了反常构型产生的等离子体密度、温度、寿命、重复性等性质。本研究将在即将建成的"荧光1号"装置上，基于多种光学和电学诊断手段，实验研究反场构型气体放电过程的特性，揭示其中机制，并结合PIC/MC/DSMC模拟，研究FRC等离子体产生和维持的最小条件，深入认识FRC中振荡θ放电预电离过程，阐明放电参数与等离子体参数的关系,探索杂质粒子行为及其对等离子体性质的影响。

强背景磁场下气体感应耦合放电是磁化靶聚变中FRC等离子体靶形成实验研究的前提和基础。通过本项目研究，建立了“荧光-1”实验装置相关的气体电离实验设施，搭建了包括高速可见光分幅相机、单弦激光电子密度测量干涉仪、磁探针及磁通量探针阵列等在内的测试诊断系统，基本满足FRC等离子体电离过程的诊断测试需求。发展了基于PIC/MC/DSMC的气体电离模拟方法并编制了二维代码iPM，可以对FRC中气体电离的重要物理过程进行较为精确的模拟。通过数值模拟，阐明了FRC中强背景磁场下中性气体放电击穿的机理和物理过程，同时，依据大量参数扫描模拟结果，为FRC气体放电实验研究的参数优化设置提供了指导。采用数值模拟与实验相结合的方法，本项目针对高密度FRC气体放电进行了系统研究。在FRC放电机理研究方面，通过实验结果与数值模拟的对比分析，给出了磁场、电场、充气压力等因素与放电等离子体密度、温度等性质之间的关系，揭示了背景磁场、电离电场、充气气压等因素对气体放电的影响，获取并确定了中性气体在强背景磁场条件下感应耦合放电的阈值条件。在FRC放电特性研究方面，首次观察到了电离阶段等离子体环的完整运动物理过程，证实了初始磁场会对电离阶段的气体放电过程产生严重影响，获得了包括不同背景磁场对放电启动时刻延迟、对气体完全电离时刻延迟、对电离峰值密度等的影响及重要数据，给出了较为完整的气体放电电离物理过程。实验与数值模拟结果的比对，揭示了FRC中气体放电的基本特性，为后期开展FRC等离子体靶形成实验奠定了良好的技术基础。