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《清华大学》 2009年
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SUNIST单粒子模拟系统开发及应用研究

张良  
【摘要】: 单粒子运动研究对于理解环形等离子体物理有重要意义。通常采用的导心方法由于简化了回旋运动,而在某些条件下(例如具有大尺度的回旋运动或者回旋轨道被破坏时)的应用受到限制。论文采用洛伦兹模拟方法开发了环形等离子体单粒子模拟系统,研究了SUNIST球形托卡马克中的单粒子运动,并为SUNIST上的阿尔芬波电流驱动研究提供了运行参数空间的参考。 在粒子运动的洛伦兹模拟中,时间步长直接影响到计算的准确性和效率,但以往的研究都是通过经验选定合适的步长。论文通过对Boris算法和Runge-Kutta算法的比较,发现Boris算法在环形位形下并不是一个高效的选择,而且以往使用的Boris算法时间步长选择标准在复杂磁场中将导致错误的运动轨道。论文给出了一种通用的时间步长选择方法。以单粒子运动程序为基础,论文开发了一套具有良好管理性能和用户界面的单粒子模拟系统。 论文研究了SUNIST典型放电条件下的氢离子运动轨道。研究发现,如果不考虑波纹度的影响,SUNIST粒子运动具有和传统托卡马克下相似的特点。这是因为SUNIST较低的电流( 50 KA)造成极向场即使在弱场侧仍远小于环向场,而且较低的温度( 100 eV)使得轨道效应不明显。但是,如果电流提高至150 kA,粒子将出现瘦香蕉轨道和局部捕获轨道。另外, SUNIST紧凑的设计导致其具有高达±20%的环向场波纹度。考虑波纹度的影响,磁矩不再是一个绝热不变量,导致弱场侧复杂的粒子运动轨道。不过,在目前的参数下,波纹度造成的离子损失并不严重。但当温度提高到1keV时,离子约束变差,轨道损失增加,而SUNIST高的波纹度导致的随机波纹扩散进一步加剧了离子损失。 阿尔芬波电流驱动是SUNIST即将开展的探索性实验。论文对SUNIST中的捕获电子比例和回弹频率进行了模拟研究,并和标准模型磁场下的解析结果进行了对比。研究发现,在设计的阿尔芬波共振位置处电子捕获比例非常高,有可能研究阿尔芬波电流驱动中的捕获电子效应。通过比较回弹频率和有效碰撞频率的相对大小,论文给出了SUNIST装置中捕获电子有效存在的运行参数区间,为未来的阿尔芬波电流驱动实验提供了有价值的参考。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O53

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