（流体机械及工程专业论文）nbi真空压力分布模拟优化研究.pdf

n b i 真空压力分布模拟优化研究 摘要 中性束注入装置 n e u t r a lb e a mi n j e c t o r 简称n b i 是能产生高能 带电离子束并对其进行中性化 最终形成用以加热聚变等离子体的高能中 性粒子束的装置 n b i 加热是托卡马克主要辅助加热手段中加热效率最高 物理机制最清楚的方法 n b i 真空压力分布是影响离子束生成 离子束中 性化 以及再电离损失的关键因素之一 n b i 真空压力分布模拟优化研究 的结果可为n b i 真空系统研制提供理论指导 本文介绍了全超导托卡马克核聚变装置 e x p e r i m e n t a la d v a n c e d s u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k 简称e a s t 中n b i 的工作原理和各主要部件 结构 通过物理及结构分析建立了n b i 的真空压力分布几何模型与物理模 型 利用直接蒙特卡洛 d i r e c ts i m u l a t io nm o n t ec a r l 0 简称d s m c 方法建立n b i 离子源至中性化室内的分子运动及碰撞模型 并运用m a t l a b 软件编程进行了模拟计算 本文主要模拟了离子源单独进气 中性化室单 独补气 离子源与中性化室两者同时进气三种情况下满足离子源进气需求 和获得中性化室最佳靶厚的进气情况 通过针对不同条件进行的模拟 得 到了相应的空间内气体分子三维分布图和平均压力变化曲线等 文中运用 物理理论计算和实验数据对模拟结果进行了验证 并分析了其有效性 最 后对e a s tn b i 相关结构进行设计 为n b i 的工程设计提供帮助 关键词 中性束注入装置d s m c 方法压力分布结构设计 o p t i m i z i n gs i m u l a t i v er e s e a r c hf o rn e u t r a lb e a m i n j e c t o r sp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n a b s t r a c t n e u t r a lb e a mi n je c t o r n b i i sad e v i c ew h i c hp r o d u c e sh i g he n e r g yi o nb e a m n e u t r a l i z e si tt oh i g he n e r g yn e u t r a lb e a mf o rt o k a m a kp l a s m ah e a t i n g n b ih e a t i n gi s t h eh i g h e s th e a t i n ge f f i c i e n c ya n dt h ec l e a r s tp h y s i t sm e c h a n i s mo ft o k a m a kh e a t i n g m e t h o d n b ip r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni so n eo ft h ek e yf a c t o r s w h i c ha f f e c tt h en e u t r a l b e a m p r o d u c i n ga n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y e s p e c i a l l yt h er e i o n i z a t i o nl o s so fn e u t r a l b e a mt r a n s m i s s i o n t h es i m u l a t i v er e s e a r c hc o u l do p t i m i z ed e s i g no fi n g o i n gg a s s s y s t e m i nt h i sa r t i c l e t h ee x p e r i m e n t a la d v a n c e ds u p e r c o n d u c t i n gt o k a m a k e a s t n b io p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n dp r i m a r ys t r u c t u r a lf e a t u r e sw e r ea n a l y z e d t h e g e o m e t r i ca n dp h y s i c a lm o d e l so fe a s t n b lw e r eb u i l tt h r o u g ht h i sa n a l y s e a n dt h e m o d e lo fm o l e c u l a rm o v e m e n ta n dc o l l i s i o no fe a s tn b if r o mi o ns o u r c et o n e u t r a l i z e rw a sa l s oe s t a b l i s h e db a s e do nd i r e c t s i m u l a t i o nm o n t ec a r l om e t h o d p r o g r a mw a sd e s i g n e dw i t ht h em a t l a bs o f t w a r ea n dt h es i m u l a t i n gc a l c u l a t i o nw a s i m p l e m e n t e d t h es i m u l a t i v er e s e a r c hi n c l u d et h r e ec a s e s t h ev a c u u mo fi o n s o u r c ew a ss u p p l i e da l o n e 晰t l lg a s t h ev a c u u mo fn e u t r a l i z e rw a ss u p p l i e da l o n e 州t l lg a s a n dt h ev a c u u mo fi o ns o u r c ea n dn e u t r a l i z e rw a ss u p p l i e da tt h es a m e t i m ew i t l lg a s i tc o u l dg e tg a i nr e q u i s i t ec a p a c i t yw h e nt h ei o ns o u r c eg e ta p p r o p r i a t e p r e s s u r e a n dn e u t r a l i z e r st h i c k n e s so fg a s t a r g e t w a ss u f f i c e d i ta l s o g e t t h r e e d i m e n s i o n a ls c h e m a t i co fm o l e c u l a rd i s t r i b u t i o na n dt h ec u r v e so fa v e r a g e p r e s s u r et h r o u g hc h a n g i n gs i m u l a t ec o n d i t i o n s e t c t h er e s u l tw a sv e r i f i e db yt h e p h r 7 s i c a la c c o u n ta n de x p e r i m e n t a ld a t u m t h es o m ei n t e r r e l a t e ds t r u c t u r e so fn b l w e r ed e s i g n e dt h a th e l p i n gb u i l d i n go f n b l k e yw o r d s n b i r d s m sm e t h o d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n s t r u c t u r a ld e s i g n 插图清单 图2 1e a s t n b i 总体结构示意图 5 图2 2 离子源结构示意图 5 图2 3 中性化室结构图 一6 图2 4 主真空室三段式结构示意图 7 图2 5n b i 真空室内的动态平衡压力与抽速的关系 1 0 图2 6 低温抽气冷凝屏在n b i 内的位置示意图 1 0 图2 7 辅助抽气系统与n b i 的连接结构示意图 1 2 图3 1d s m c 方法的一般流程图 l5 图4 1 中性束注入系统气路简化模型 1 6 图4 2 气体运动连续性方程模型 2 0 图5 1 离子源至中性化室段主要结构示意图 2 2 图5 2 离子源至中性化室段几何模型坐标系 2 3 图5 3 内部空间示意图 2 3 图5 4 等离子体电极组装图 2 5 图5 5 分子发射方向示意图 2 8 图5 6 余弦定律概率函数分布图 2 8 图5 7 正x 方向碰撞后发射方向示意图 2 9 图5 8 正y 方向碰撞后发射方向示意图 2 9 图5 9 与正z 方向碰撞发射方向示意图 3 0 图5 1 0 与负x 方向碰撞发射方向示意图 3 0 图5 1 1 与负y 方向碰撞发射方向示意图 3 1 图5 1 2 与负z 方向碰撞发射方向示意图 3 1 图5 1 3 分子碰撞到圆筒形器壁坐标示意图 3 2 图5 1 4 分子碰撞到圆筒形器壁后发射方向示意图 3 2 图5 1 5 模拟分子撞击圆筒面后反射情况 3 3 图5 1 6 垂直于束线方向在离子源出口处截面尺寸有限元网格划分 3 4 图5 1 7 离子源进气时间l m s 分子三维分布 3 5 图5 1 8 离子源进气时间5 m s 分子三维分布 3 5 图5 1 9 进气时间l m s 时垂直于束线方向的离子源空间压强云图 3 5 图5 2 0 进气时间l m s 时垂直于束线方向的离子源空间压强云图 3 6 图5 2 1 离子源进气时间1 0 m s 分子三维分布 3 6 图5 2 2 离子源进气1 0 m s 时束线方向压强分布 3 6 图5 2 3 离子源进气4 5 m s 时分子三维分布 3 7 图5 2 4 离子源压力稳定时束线方向压力分布 3 7 图5 2 5 停止进气10 m s 后气体分子三维分布图 3 8 图5 2 6 停止进气4 0 m s 后气体分子三维分布图 3 8 图5 2 7 靶厚随中性化室单独补气量的变化 3 9 图5 2 8 中性化室单独补气l m s 时分子三维分布图 3 9 图5 2 9 中性化室单独补气l o m s 时分子三维分布图 3 9 图5 3 0 中性化室补气平衡时束线方向压强分布 4 0 图5 3 l 中性化室靶厚随补气量的变化曲线 4 0 图5 3 2 离子源中性化室同时进气l m s 时分子三维分布图 4 l 图5 3 3 离子源中性化室同时进气1 0 m s 时分子三维分布图 4 1 图5 3 4 离子源中性化室同时进气平衡时分子三维分布图 4 l 图5 3 5 离子源中性化室都进气平衡时束线方向压强分布 4 2 图5 3 6 靶厚随时间变化曲线 4 2 图5 3 7 主真空室几何模型 4 3 图5 3 8 主真空室压力平衡时分子三维分布图 4 3 图5 3 9 主真空室三个区域压力随时间变化图 4 4 图5 4 0 离子源进气压力平衡时压力随进气量的变化 4 4 图5 4 l 实验进气与弧功率的关系 4 5 图5 4 2t 1 为o 3 和0 7 时分子三维分布 4 5 图5 4 3 压力随t 1 的变化 4 6 图5 4 4 束散角w 随导流系数和电压比的关系 4 6 图5 4 5 补气点坐标x 1 0 0 4 时分子三维分布 4 7 图5 4 6 补气点坐标x 2 0 0 4 时分子三维分布 4 7 图6 1 中性化室压力分布计算模型 4 9 图6 2 中性化室束线方向压力变化 5 0 图6 3d i i i dn b i 结构示意图 5 0 图6 4d i i i dn b i 装置的压力与低温冷凝板温度的关系图 5 1 图6 5 放电室内磁体的分布示意图 5 2 图6 6 朗穆尔探针反馈调节等离子体放电参数示意图 5 2 图6 7 中性化室结构示意图 5 3 图6 8 漂移管道结构图 5 4 图5 9 前低温抽气冷凝屏的冷凝面结构图 5 5 图6 1 0 前低温抽气冷凝屏的人字形挡板结构图 5 5 图6 1 l 后低温抽气冷凝屏抽气面总体结构图 5 6 图6 1 2 工作气体供气子系统供气气源环节结构示意图 5 7 图6 1 3 工作气体供气系统用气终端节点环节结构示意图 5 8 表格清单 表6 1 低温抽气冷凝屏的设计性能指标 5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 据我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 金日巴工 业态堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字 彗干曼7 签字日期 印年牛肌7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王些太堂 有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅或借 阅 本人授权 金壁王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年月 日 签字日期 弘i o 年 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 武虽 致谢 本文是在我的导师朱武教授和中国科学院等离子体物理研究所胡纯 栋研究员及谢远来老师的指导下完成的 三位老师有着渊博的专业知识 严谨的治学态度 求实创新的开拓精神 精益求精的工作作风 诲人不倦 的高尚师德 老师们的人格魅力 科研精神以及敏锐的洞察力使我在做人 和做学问方面都有了很大的进步 也将令我在以后的工作和生活中令我受 益终身 在此谨向三位指导老师致以最衷心的感谢 本文是在中科院等离子体物理研究所中性束注入研究室完成的 衷心 地感谢研究室在课题研究期间提供给我良好的学术环境 较为完善的研究 条件 特别要感谢刘智民老师 刘胜老师 以及谢亚红 盛鹏 于玲 郭 强 梁立振 王骥 蒋才超 陶玲等各位学长和同仁对我学习和生活上给 予的无私帮助和鼓励 在研究生学习过程中还得到了合肥工业大学陈长琦教授 干蜀毅老师 王旭迪老师 朱仁胜老师 程建萍老师 王君老师 唐志国老师以及实验 室樊文胜老师等各位老师的关心与帮助 在此一并致以最诚挚的谢意 衷心感谢同届研究生汪明明 赵晶晶 卢景景 杨林生 刘兴悦同学 以及师弟汪根生 李杰 师妹曾梅花等各位同学给予的热情帮助 和他们 在一起度过的日子开心而充实 衷心感谢我的父亲 弟弟 弟妹等家人和亲朋一直以来对我的关爱 支持和理解 感谢未婚妻的支持 理解和帮助 最后 再次感谢所有曾经关心和帮助过我的老师和亲友们 谨以此文 献给你们 作者 熊模华 2 0 1 0 年4 月 1 1 课题背景 第一章绪论 能源是人们用来维持生存活动的能量源泉 是人们从事各种活动的力量 源泉 随着当今社会的发展对于能源的需求也越来越大 传统能源有太阳能 柴火提供的热能 以及江河流水的动力等 目前我们常用的能源主要是来自 化石燃料 但是这种资源在地球上的存量是有限而且逐渐减少的 因此 我 们要开发其它各种类的能源 如可再生能源等 长期稳定的能源供给对社会 经济是非常重要的 也受到各国普遍关注 某些意义上 经济增长的实现取 决于对能源需求的满足程度 能源是经济增长的推动力量 规定着经济的规 模和速度 核聚变能源是一种新能源 核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重 的原子核 在这种变化过程中释放出能量 在自然界中最易实现的聚变反应 是反应产物无放射性污染的氢的同位素氘与氚的聚变 这种反应在太阳上已 经持续了15 0 多亿年了 氘在地球的海水中藏量非常丰富的 总量多达4 0 万亿吨以上 若都能用于核聚变的话 可用几百亿年 核聚变的研究总体上可以分成四个阶段 最早于上世纪5 0 年代之前 就发明了如箍缩装置 仿星器等的聚变装置 到了是5 0 年代中期左右 人 们认为可以用较短时间可研制出聚变装置并把它用于军事方面 于是各国都 秘密的研究但都遇到了较大的困难 6 0 年代 高温等离子体基本性质的研 究研究成为了重点 这时候大家都认识到短期研制成功是不可能的 须逐步 深入研究并开始了各国间的合作 第四阶段是从6 0 年代末年到现在 通过 交流合作 很多国家开始了托卡马克的研制并取得了成功 研究热情又渐渐 升温 目前国际上核聚变实践所用的加热方式一般有三种 微波加热 欧姆加 热 和中性束加热 2 1 3 1 国际上于上世纪7 0 年代进行了中性束注入加热装 置 n e u t r a lb e a mi n j e c t io n n b i 的研制 目前有较多的托卡马克装置还是 用中性束加热的 比如美国的t f t r n s t x p l t p d x 的m w 级加热试验装置 1 4 5 欧共体的j e t d i i d 日本的j a e r m j t 6 0 等 这些装置的运行 已积累了相当的经验 通过这些托卡马克的n b i 加热数据 我们可以了解到 n b i 加热相比于其它两种加热方式而言 能够更为显著地提高核聚变装置内 所需的的等离子体参数1 6 7 1 通过多年的进步 现在国外在n b i 加热方面技 术可以说已经相当成熟了 我国目前在n b i 方面的研究还很少 8 0 年代中科院等离子体物理研究 所进行了一些初步的研究工作 但后面遇到了各种内外部困难就暂停了工 作 另外在这方面也有些研究的还有核工业部西南物理研究院 s 总体上就 目前国内来看中性束应用方面还是不多的 真正的研究才刚开始 一切要从 基础的理论研讨工作做起 逐步达到建造高性能的n b i 的目的 中科院合肥 等离子体物理研究所正在研制的中性束加热装置属于前沿课题 该课题于 2 0 0 2 年9 月立项并于2 0 0 8 年获得国家发改委的支持 目的是为等离子体所 的超导托卡马克 e a s t 研制兆瓦m w 级n b i 中性束注入加热方式也将应用 于国际上合作的聚变的试验堆i t e r 上1 9 1 关于n b i 压力分布方面的研究 以前较为常用的做法是采用经验曲线法0 0 1 实验证明 压力分布理论计算 也较为准确 1 2 课题的来源 目的及所研究的主要内容 本文所作课题在中科院等离子体物理研究所完成 为e a s tn b i 研制课 题的一个小分课题 目的是为 e a s t 装置提供束线参数为4 0 至7 0 a 5 0 至 8 0 k e v 1 0 至lo o s 参数范围的n b i 本课题研究的目的是了解n b i 的真空压力分布情况 建立n b i 真空压 力分布的模型 使用d s m c 直接蒙特卡洛 方法模拟中性束注入装置空间的 压力分布 由于装置较为复杂 所以装置的压力分布具体计算较为困难 而 采用d s m c 方法研究n b i 的真空压力分布的话 会提供较为直观的数据 本 文的研究的目的是为了提高束产生质量 提高中性化的效率 同时降低再电 离损失 本课题研究的主要内容是分析影响中性化效率的主要因素 以及如何进 气方式使中性化效率达到最优 主要内容包括 1 研究分析e a s tn b i 真空系统的压力分布特性 在此基础上建立蒙特 卡罗模拟分析用的物理模型 2 使用直接蒙特卡罗方法对e a s tn b i 的真空系统的压力分布进行模拟 计算研究 并分析在不同实验条件下的压力分布显示 3 开展低温系统方面研究 并验证蒙特卡罗方法对e a s tn b i 真空系统 压力分布模拟的可靠性与实用性 进一步优化模拟计算模型 4 利用优化后的物理模型和几何模型编写的模拟计算程序 分析结果 并优化e a s tn b i 真空系统方面的设计方案 2 1 3 课题的意义 随着核聚变研究的不断深入 对中性束注入加热的研究工作要求越来 越高 而n b i 的真空系统的压力分布是影响到束线产生 中性化及传输效率 等的关键因素 为进一步提高中性束注入加热效率 中性化效率 以及抑制 中性束在传输过程中的再电离损失 需要清楚n b i 系统真空压力的分布状 况 通过模拟的数据分析可以优化真空系统布局及结构 对优化束质量有非 常重要的意义 总之文章的研究成果可为研究束传输过程中的中性化效率的 提高 再电离损失的抑制等提供依据 第二章中性束注入器系统介绍 中性束注入器采用的是强流离子源技术 国外采用超高静电加速技术不 难达到电子能量2 0 0 k e y 的水平 单一离子源功率也已达到了m w 级1 1 1 1 核聚变装置采用大功率的强流离子源技术可以产生质量较高的束线 这 种高能量束线有以下作用 首先 可以向聚变堆e a s t 中补充燃料 在托卡马 克装置中不断地加热环形装置内的等离子体 另外还可维持等离子体的温度 并用氦中性束诊断等离子体 再者 经过n b i 加热的中性束不会对托卡马克 装置内的等离子体产生不稳定性 相比较另外两种加热方式 采用n b i 力i 热 也是最为有效的 等离子体所在研的中性束加热装置 在国外技术上已较为 成熟 等离子所的n b i 研制成功后可以为e a s t 力h 热 使其中心的电子离子温 度之和达到一亿度的程度 2 i 中性束注入系统的原理 由一套或者几套用来产生高能带电粒子并进行中性化后产生高能中性 束的子系统构成的系统称之为中性束注入系统 n e u t r a lb e a mi n j e c t i o n s y s t e m 简称n b i s 每套系统的组成由离子源 中性化室 偏转磁体 漂 移管道 电源系统 测控系统等各部分组成 它的原理为 在离子源内部 离子源系统产生高能离子束并由等离子体电极引出加速后 在中性化室内与 中性化室的工作气体靶发生碰撞 碰撞后发生电荷的转移 部分原来的离子 会变成中性化的粒子 这种粒子还是具有较高的动能继续前进 中性化后的 粒子束再通过漂移管道打入到托卡马克装置e a s t 的等离子体当中 柬在前 进中未中性化的部分会被安放在主真空室内偏转磁铁影响 在磁场力的作用 下进行1 8 0 度的偏转 偏转后打到离子吞食器上 为离子吞食器所吸收 1 2 1 在e a s t 内中性化的粒子会与其内的等离子子继续发生碰撞并进行电荷的交 换 在e a s t 内碰撞后的这些具有动能的离子会被e a s t 装置内的磁场所捕获 在e a s t 装置内高速环流运行并相互碰撞发生聚变反应 总体来看中性束注入 达到了g 艮e a s t 内等离子体发生库仑碰撞 并把能量交给等离子体并加热等离 子体的目的 2 2n b i 系统的主要结构介绍 根据e a s t 项目总的发展规划 三个切向窗口中的两个窗口拟供n b i s 的两 套n b i 使用 在研的n b i 目标首期要建成一套功率为2 4 m w 的装置 从原理 得分析可知 每套n b i s 都要有离子源 中性化室 束流限制器 偏转磁场 4 飘移管道 真空系统等这些最基本的装置 此外 还要为这些装置提供配套 的高压电源 灯丝电源 弧电源菩 束传输中要进行束流测量和诊断 如敦 角 功率 束流沉积分布等数据 以便于利用这些数据进行实时反馈控制 系统须有水冷循环系统 进气系统 控制系统等子系统 n b i 主体结构示意 如图21 所示 圈21e a s tn b i 总体结构示意图 2 21 离子源 离子源用来产生达几百个k e v 能量的离子束 离子源种类也较为多样 在研的n b i 用d 气体产生d 正离子 国外也有用h 或d 的负离子的 因为负的 离子束可以用于更大的能量的装置中 另外是负离子束的中性化效率可以更 好f 1 3 1 e a s tn b i 一条柬线上将安装两台强流离子源 每台离子源主要由放 电室和大面积多缝引出系统组成 其两大部分组成如图22 所示 这种离子 源称为桶式离子源 图22 离子源结构示意图 目前国际上大型n b i 最先进的离子源也是采用桶式结构 这种桶式离子 源将放电室阳极用局部强磁场屏蔽起来以达到在放电空间内磁场几乎为零 的效果 这样做的好处是约束等离子体避免等离子体在强磁场影响下会有密 度分布的不均匀性和不稳定性 并且这样做使起弧较为简单 有利于离子束 在等离子体电极作用下进行大面积的引出 离子源的设计中很重要而且相对复杂的是离子源电源系统的设计 因为 电源的性能会直接关系到离子在不同时刻产生的质量 进而对整个装置要达 到的参数标准带来较大的影响 2 22 中性化室 离子束在放电室内产生并在等离子体电极作用下加速后 经过中性化空 间 设置中性化室的目的是把引出的离子柬中性化为中性粒子束 中性化的 过程受几个因素的影响 其中最主要的就是中性化室内的压力分布 即压力 分布对中性化效率影响最大 举例来说如h 正离子束 如果中性化室内的平 均压强越高的话那么中性化效率就会越高 因为较多的气体会使离子在中性 化室内产生更多的碰撞 但是 如果中性化室内的平均压力过高的话 飘逸 到主真空室和飘移管道内的气体分子会更多 这样会使已经中性化了的中性 粒子发生苒次的碰撞变成离子 使总体上的中性化效率变低 即产生再电离 损失 综合正反两方面因素 中性化室内的压力均值要合理 使气体利用率 最高 e a s tn b i 中性化室截面形状设计成矩形如图23 所示 图23 中性化室结构图 经过上文的分析可知气体中性化室气体靶厚度应适中 4 1 靶薄了中性 化不够 厚了会增加再电离损失 其实靶太厚的话还会增加束的散角 对粒 子运动产生较大的影响 这是我们不愿看到的 另外在中性化室的设计上 我们要加上水冷系统 如图23 中的水冷管路 因为碰撞中很多高能粒子打 到中性化室的内壁面 使中性化室壁面的温度过高 在朴气的过程中 供气 系统可采用压电晶体阎作为充气的阀门 因为这种阀门可实现对补气进行精 确快速地控制 对阀门的控制可通过远程闭环系统进行1 1 6 1 2 23 主真空室 束线从中性化室出来后就进入了主真空室的范围内 其实中性化室本身 也在放在主真空室内的 它是在真空环境下各介装置安放的载体 如克流限 制器 偏转磁铁等 同时主真空室还为信息采集和能量或介质的输入输出管 路提供载体 由于束线内部部件较多且体积庞大 同时为保证装置在拆分和 组装时的方便 主真空室采用分段式结构如图2 4 所示 考虑到中性束工作 模式 束线各主要功能部件排布和工程实施的可行性 将装置主体部件和其 相应的主真空室分为三部分进行组合装配 第一部分主要由后低温泵 中性 化室 离子吸收嚣和相应的真空室段组成 第二段由偏转磁体系统和相应的 真空室段组成 第三段由功率测量靶 前低温泵和相应的真空室段组成 这 样的划分有利于工程实施和系统维护 组合三段就构成了主真空室和完整的 束线主体 图24 主真空室三段式结构示意幽 束流在传输过程中束线外部边缘部分由于束散角的存在会使得能量较 低 这种能量较低的边缘部分的束线我们不希望打入到托卡马克中 因此 须设置一个柬流限制器把边缘部分的柬线挡住以便干对柬线截面大小进行 调节 束流限制器的调裕度可用主真空室外壁处的调整法兰来实现 连接 用焊接型波纹管进行动密封 因为涉及到了运动部件 此处不作详细介绍 2 24 漂移管道 漂移管道用于连接束线主真空室与托卡马克真空室 管道设置法兰接口 用于隔断两真空室的阀门 并实现绝缘连接 此外和主真空室一样漂移管道 上要安装测量部件 如安装多普勒频移光谱测量系统测量束的成份 安放功 率测量靶以检测束的功率及密度分布等 在漂移管道出口处常装有过渡管 道 管道可灵活地调节漂移管道长度及及与离子源束线的对中角度 n b i 工 作过程中 漂移管道的另一主要作用是解决主真空室和托卡马克内真空度相 差太大的问题 n b i 主真空室一般为1 0 3 p a 托卡马克内为1 0 5 p a 这就需 要在漂移管道内安放一个抽速较大的泵 差分泵 以解决真空度不匹配的问 题 这个差分泵实际上是一个低温冷凝泵 通过冷凝面的低温吸附原理来设 计的 2 2 5 偏转磁铁和离子吞食器 偏转磁铁系统是对剩余的离子束进行处理的部件 中性束系统中 离子 束经离子源引出后 过中性化室成为中性束与离子束的混合束流 这就需要 将其中的离子成份剥离出去才能形成中性束 常用的残余离子剥离方法有磁 场偏转和电场偏转 基于空间位置以及高压绝缘等方面的考虑 e a s t n b i 采用1 8 0 度磁场偏转 利用带电粒子在磁场中运动时所受到侧方向的洛仑兹 力原理 通过施加一个与束流方向垂直的磁场 让带电粒子受力偏转出去 n b i 中的偏转磁铁采用永久磁铁 前面也提到了离子源内的磁铁可使放电室内几乎没有磁场1 1 7 l 偏转磁 铁的功用可以让从中性化室出来的中性和非中性的粒子进行区分 把带电的 离子偏转掉 让中性的粒子束继续前进 带电离子经过1 8 0 度的偏转后会撞 击到安放在主真空室底部的离子吞食器上进而被吸收 由于吸收的是高能量 的离子 因此离子吞食器需要进行水冷 否则会温度过高 某些n b i 设计中 可考虑到离子吞食器能量的回收利用 即把离子吞食器上的能量利用水冷循 环系统进行回收再利用 离子吞食器的设计主要由吸收的功率和所需磁场强 度及主真空室内的尺寸决定的 2 2 6 功率测量靶 功率测量靶是用来测量束线参数的 中性束注入器的束流具有周围真空 度高 粒子流强大 呈中性 束径大等特点 对其特性的测量通常采用热测 法 通过测量可以了解到离子源的各项运行特性和工作状态 热测法是通过 水流流进和流出的温差 芒 和水流量大小q g s 两方面的值来计算的 二者的乘积可算出功率值 2 3 真空低温抽气系统 2 3 1 低温抽气系统 从前面的分析可知 从离子源出来的离子束 要在中性化室内进行中性 化 为此必须在中性化室内进行补气 考虑到中性化效率达到最佳 一般中 性化室内的平均压力要求维持在1 0 1p a 的量级i t s l 这就要在中性化室补充相 当的气体量 其中没有被利用的气体和离子源内没有被电离得的气体会经过 中性化室出口散发到主真空室内 而主真空室内的气压一般在1 0 3 量级左 右 这就需要有较大抽速的泵对气体进行抽除 另外漂移管道压力要比主真 空室内压力低一个数量级以解决真空度匹配问题 所以飘移管道也需要安装 抽气泵 综合考虑 n b i 对其真空系统的真空获得设备提出以下几点要求 1 对氘具有1 0 5 一1 0 6 l s 量级乃至更高的抽速 此外还要需考虑到主真 空室及飘移管道的几何尺寸 所以真空获得设备尺寸有较大限制 2 能在中子辐射和磁场影响的条件下长期安全稳定地运行 3 泵的清洁度高 4 造价及运行费用低廉 便于维护 根据上面分析 常规的管道连接的抽气泵很难满足 随着低温技术的发 展 我们在研的n b i 采用低温泵作为真空获得设备 在国际上大型n b i 上也采 用钛泵或低温泵作为主要真空获得设备 尤其是低温泵在大型磁约束装置的 n b i 方面已成为国际上的首选 比如国际上 i t e r 实验堆也将采用低温泵 而且等离子体物理研究所已在低温冷凝抽气领域开展了多年的研究工作 具 备了利用低温抽气技术解决n b i 真空技术问题的能力 n b i 低温冷凝抽气系统的气体主要来自离子源的顺流气体 中性化室的 补充充气 各功率沉积部位产生的气体 以及系统各处的产生的漏放气等 而来自离子源的顺流气体和中性化室的补充充气为主要气体来源 n b i 系统的不同部位对真空度的要求是不一样的 主真空室就比飘逸管 道抽气功率要大 为了获得对真空度的要求 起初设计有两套方案 单一真 空室结构和差分式结构 n b i 设计指标要求中性束漂移段气体厚度小于2 1 0 p a m 而根据n b i 在e a s t 实验现场的布局 中性束漂移段长度约为2 m 则中性束漂移段的压力p 须满足p 1 0 1 0 3p a 的要求 为了分析问题的 方便 假定来自离子源的顺流气体可以满足对离子束进行最佳中性化的要 求 则进入n b i 真空室的气体量可以近似认为 驴2 2 7 2 0x 1 0 3 8 3 3 7 3 p a l s 若n b i 采用单一真空室结构 n b i 真空室内平衡压力与抽速的关系如 图2 5 所示 9 6 x 1 0 5 x 1 0 4 x t 0 墨3 x 1 0 2 x 1 0 1 x t 0 o l 3 3 7 3 0 0 0i i s p p n 图2 5n b i 真空室内的动态平衡压力与抽速的关系 从图中可看出 为了使n b i 真空室内的动态平衡压力满足咫1 0 l o 3 p a 的要求 n b i 真空系统要求设置对d 气体的抽速不能低于3 3 7 1 0 6 l s 的泵 但在e a s t 实验现场空间条件非常有限的情况下 显然难以满足 所以采用差分抽气结构将中性束的漂移段与中性化室段最大限度的分开 考 虑经济性和达到的真空度要求采用差分式结构 为为实现差分抽气 将低温 冷凝屏分为两部分 分别设置在n b i 内部不同部位 同时在束线内设置束流 挡板用以增大气体流阻力 低温冷凝屏在n b i 内的布置位置如图2 6 所示 前低温冷凝屏在图中靠 近连接e a s t 的这一端 是束线经过偏转磁铁之后 为了对气体产生一定的阻 挡作用 在冷凝屏的中间开有圆形通道 而后低温冷凝屏在图中也是呈圆环 形的 围挠在主真空室的内表面 在前冷凝屏的中间设置有气体挡板 挡板 中间开有让束流通过的孔 因为束流截面为矩形 所以孔也为矩形 这种挡 板把气体当在冷凝屏的这一侧使冷凝屏增大对气体的吸收 图2 6 低温抽气冷凝屏在n b i 内的位置示意图 1 0 低温冷凝屏分为液氦 l h e 冷却的抽气面及液氮 l n 冷却的挡板 两种 来自n b i 系统内各气源的气体主要由冷凝抽气面抽除 它的原理是低 温冷凝吸附原理 即分子撞击到温度很低的面时 会被低温面所吸收 陷入 势阱 没有能量再逸出冷凝面 同样液氮冷却的挡板利用同样的原理吸 收部分到达液氦冷却的冷凝抽气面的气体 但它还有另外的功能 它可以吸 收来自高温壁面的热辐射 起到热辐射阻挡的作用 2 3 2 辅助抽气系统 辅助抽气系统首先用来为束线内的低温泵主抽气系统提供预真空 其次 担负为排出低温泵再生期间所释放的气体的任务 此外 辅助抽气系统还兼 具以下功能 1 可在辅助抽气系统的主管路上增设充气回路 以方便在非工作时间进 行低温泵再生及向n b i 内部充入热氮气 实现对低温泵再生或回温速度的较 好控制 2 n b i 系统的离子源是通过超高真空隔离阀与其主真空室相连接的 离 子源可在不破坏n b i 主真空的情况下与n b i 主真空室脱离开并予以检修 在离 子源从n b i 装置主体脱离开以前必须向离子源内部充入纯净的氮气 n 以 达到破坏其真空环境的目的 在检修安装完毕与n b i 主真空室连通前 为避 免大气直接进入n b i 真空室 需要抽除离子源内部的大气成分 为此在辅助 抽气系统的主管路上 分别设置与n b i 左右两个离子源相连的充n 专用子管 路 用以在检修离子源之前向其内部充n 在n b i 正常工作的情况下 与n b i 左右两个离子源相连的充n 专用子管路上均设置真空隔离阀门 以免因误 操作而损坏离子源 3 在辅助抽气系统上可以设置可对n b i 真空室以及离子源进行检漏的专 用检漏接口 4 在辅助抽气系统上可以设置残余气体分析仪专用回路 用以对离子 源 真空室内的残余气体进行成分分析 辅助抽气系统的组成 辅助抽气系统由涡轮分子泵 机械泵 残余气体 分析仪及相应的管道 阀门 真空规等组成 辅助抽气系统及其与n b i 系统 的连接示意图如图2 7 所示 图2 7 辅助抽气系统与n b i 的连接结构示意图 2 4 其它辅助系统 除了上面介绍的几个主要系统外 n b i s 还有包含有其他一些辅助系统 如供水 控制 高压隔离 安全连锁等系统 它们在n b i s 中也是必不可少的 配套部分 分系统中控制系统的设计也是较为繁杂的 因为整个n b i s 在工作 时数据量是非常之大的 要把这些数据进行真理分析工作量也是很大的 2 5 本章小结 本章介绍了n b i 的工作原理 分别介绍了各组成部分的结构与作用 并 重点介绍了低温抽气系统 1 2 第三章d s m c 方法简介 3 1 蒙特卡罗方法介绍 蒙特卡罗方法 m o n t ec a r l om e t h o d s 简称m c 法 又称之为随机抽样 技巧法 就是说是把某个未知值取作某种概率分布或者概率过程的未知参 量 然后据无作为标本抽出法对它进行相应统计 推定的一种方法 这个未 知值不一定是概率的值 同样也可以是推定的值 这种思想方法在某种意义 上类似可知的对弈观点 伴随方差减少法的开发和大型超高速计算机的出 现 其应用不仅是仿真诸方法中最重要的一种方法 而且也成为系统工程的 诸多方法中最为有效的一种方法1 1 9 2 0 1 m c 方法的基本思想很早以前就被人们所发现和利用了 早在1 7 世纪 的时候 人们就知道用事件发生的 频率 来代替决定事件发生的 概 率 如1 9 世纪人们用投针试验来决定圆周率 上世纪4 0 年代随着电 子计算机的出现 尤其是近年来高速电子计算机的出现 使得可以用数学方 法在计算机上大量 快速地模拟类似的试验计算 因此应用变的更为广泛 m c 方法基本原理是这样的 假设口是随机变量手的数学期望fff 夕 值 为了确定口 我们可以对f 进行n 次重复性抽样试验 产生一组相对 独立的f 系列值 对着一系列的值进行统计并计算他们的均值 可得 f n 葚 号 3 利用柯尔莫哥罗夫的大数定律 2 h p 1 i r a 毛 a l 3 2 当n 充分大时 下式 鼍n 玲e 鼍 a 3 3 成立的概率是等于1 即可用芎n 作为所求量口的估计值 解决实际问题的时应用蒙特卡罗方法主要有两部分作用 1 用蒙特卡 罗方法模拟进行某一过程时 可产生各种概率分布的随机变量 2 用统计 的方法把模型的数字特征估计出来 从而得到相应实际问题的数值解 3 2 气体研究领域的d s m c 方法介绍 3 2 1d s m c 方法的发展 上世纪6 0 年代在稀薄气体流动方面的研究比较活跃 对数值仿真研究的 需求也较高 于是b i r dg a 等人基于仿真提出了d s m c 方法 即直接模拟 蒙特卡洛 d i r e c ts i m u l a t i o nm o n t ec a r l 0 方法 2 2 2 3 d s m c 方法最初在 气体流动与传热问题领域提出的 后来在气体动力学理论研究的基础上 逐 步在多维稀薄超高音速空气动力学领域发展起来 由于d s m c 方法仿真范围很 宽 所以得到了广泛应用 它可作为气体流动的全能计算技术 以跟踪分子 运动过程为依据的 在统计力学的基础上得到气体流动的各个参数 曾在理论和数值实验两方面做过研究的b a g a n o f fd 和m cd o n a l dj d 论述了非平衡过程的碰撞及抽样几率函数是可用平衡态下的几率函数高精 度进行近似的 2 4 1 直接模拟 的意思是说可用这种方法建立物理模型直接模拟包括粒子 间相互作用在内的所有过程 m o n t ec a r l o 这个术语代表粒子的碰撞是 随机过程 取随机数 对同一事件每次模拟所产生的微观结果是不同的 但宏观上表现出规律性 可以通过数值模拟得到与b o l t z m a n n 方程计算相同 的解 这对解决多维或因素复杂的问题是相当方便和占有优势的 过去的实 际应用也证明d s m c 方法是一种非常有效的求解气体动力学问题的方法 这 种方法是成功的 3 2 2 气体研究的d s m c 方法 微观的单个气体分子的运动是杂乱无章带有随机性的 但它们从总体上 满足一定的物理分布规律 d s m c 方法就从微观的分子运动模拟着手达到宏观 统计气体运动各参数的目的 它本质上并不是计算求解流动传热问题 而是 直接了解了分子运动机理的基础上进行直接的模拟 即在微观层次从分子运 动的机理入手 采用有限数目的仿真分子运动来代替大量的真实气体分子的 运动 在计算机计算中直接跟踪每个仿真分子的运动轨迹 记录分子任何时 间的状态参数 如速度分量 分子位置 及内能等 将每个仿真分子的状 态参数进行统计 运用大数定律统计的原理得到整个气流运动的宏观参数 值 这样的仿真可以视为一个时间的过程 结果较为直观 它可以模拟三维 的复杂真实气体流动状况 以解决过渡区流动等问题 在严格的实验检验中 对分子速度分布函数的细致特性描述都较为准确1 2 5 1 图3 1 给出了d s m c 方 法的一般流程图 其中 丘q t 盼别表示分子的空间位置 能量 运动 方向 时间和相应的权重 2 6 1 d s m c 方法在分子热运动的混沌和稀薄气体假设前提下 考虑二元碰撞 分子维度远小于分子平均间距 分子间的碰撞是在瞬间完成的 计算时间步 长要小于物理碰撞的时间 将分子运动和分子间的碰撞进行解耦 计算相应 于这一时间步长的有代表性的仿真分子间的碰撞 从而可以大大减少仿真所 需的计算机时间 统计抽样各随机变量确定网格内仿真分子的运动状态等属 性参数 可以得到宏观气体流动特征 实现对真实气体流动问题的解决 较为 1 4 容易地引入更真实的模型可实现对复杂物理化学过程的描述 在仿真三维真 实稀薄气体流动流场方面 是直接数值求解b o l t z m a n n 方程不能比拟的 2 壅d 图3 1d s m c 方法的一般流程图 d s m c 模拟方法在计算机中用大量的模拟分子 1 0 4 至1 0 个的量级 模 拟真实的气体分子的位置坐标 速度分量及内能等 这些参数存贮于计算机 当中 并因分子的运动 与边界的碰撞以及分子之间的碰撞等随时间不断地 改变 模拟时间参数与真实流动中的物理时间等同 所有的计算都是非定常 性的 具有随机性 定常流可作为非定常流的长时间状态而得到近似值 分 子速度及时间步长运动一段距离 计算的相应于这一时间步长的有代表性的 分子间的碰撞时步长应小