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《中国科学技术大学》 2017年
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聚变等离子体鞘层中尘埃颗粒的特性研究

赵晓云  
【摘要】:磁约束托卡马克等离子体与面壁材料相互作用产生的尘埃,一方面影响托卡马克装置的安全问题,另一方面影响等离子体约束性能的提高。鞘层是联系等离子体与面壁材料表面相互作用的重要纽带。对尘埃颗粒在等离子体鞘层中的特性研究,有助于对尘埃在边界等离子体中输运的认识、更好地理解尘埃与等离子体的相互作用。本文用流体模型研究了聚变等离子体鞘层中尘埃颗粒的特性。进入等离子体中的尘埃颗粒受到电子离子的作用而带电,利用轨道限制理论研究了尘埃颗粒在等离子体中的充电特性。结果显示若不考虑尘埃表面的电子发射,在中性等离子体区域,尘埃带负电,并且尘埃颗粒的半径越大,等离子体的密度越小以及电子的温度越高,都将导致尘埃颗粒充电达到平衡的时间越短。尘埃颗粒半径和等离子体中离子质量数越大,都会导致充电平衡时尘埃携带更多的电荷数。通过对聚变等离子体鞘层中不同尺寸尘埃颗粒穿越鞘层时间和充电弛豫时间的计算分析,发现纳米量级的尘埃颗粒进入鞘层时,穿越鞘层的时间远小于尘埃颗粒在鞘层中任意位置的充电时间,进入鞘层后尘埃带电量可被视为常数;而微米量级的尘埃穿越鞘层的时间远大于在鞘层中任意位置的充电时间,进入鞘层中不同位置充电携带电量则满足局域平衡。对于穿越鞘层的时间远大于充电弛豫时间的尘埃颗粒,采用一维坐标空间三维速度空间的流体模型研究了尘埃颗粒在鞘层中的特性。结果显示尘埃颗粒进入鞘层后,磁场力和重力对尘埃颗粒的影响很小,在鞘边主要受离子拖拽力作用,远离鞘边则主要受电场力的影响,并且电场力在鞘层中大部分空间占主导地位。处于鞘层中的尘埃颗粒,沿鞘层空间的密度逐渐增加、速度逐渐减小。离子到达鞘边的速度越大以及离子的温度越高,都将使得鞘层中尘埃颗粒速度变小、密度增大。对于穿越鞘层的时间远小于充电弛豫时间的尘埃颗粒,研究了两种正离子的等离子鞘层结构以及尘埃颗粒在其中的悬浮特性。在两种正离子的等离子体鞘层中,质量数相对越大的正离子的存在,将会导致鞘层宽度和器壁临界二次电子发射增加、器壁电势和沉积到器壁的离子动能流降低;当含有另外一种质量数相对较小的正离子,给鞘层空间参数带来的影响与质量数较大的正离子则相反。结合两种正离子等离子鞘层的特点,以氢等离子体中含有氩离子为例,用单粒子模型研究了尘埃颗粒由鞘边进入两种正离子鞘层中的特性。结果显示,氢等离子体中氩离子的存在,导致尘埃颗粒能够携带更多的负电荷。通过对进入鞘层中的尘埃颗粒的受力分析,发现只有携带负电的尘埃能够悬浮于鞘层空间,并且半径越小的尘埃颗粒悬浮的位置越靠近鞘边,半径较大的尘埃悬浮于鞘层中间,紧靠器壁位置没有能够悬浮的尘埃颗粒。在氢等离子体中氩离子含量的增加,导致悬浮于鞘层中的尘埃颗粒的半径增大。悬浮于鞘层中同一位置的尘埃颗粒半径大小分别是铍(Be)尘埃、碳(C)尘埃、钼(Mo)尘埃和钨(W)尘埃。本文的研究结果有助于对偏滤器区域以及低杂波天线保护限制器周围存在的尘埃的认识,加深尘埃与边界等离子体相互作用的理解,不仅能够为EAST长脉冲放电出现的尘埃研究提供理论支持,还可以为ITER装置的运行提供科学研究基础。
【关键词】:尘埃颗粒 鞘层 等离子体 流体模型 正离子
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TL612
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-14
  • 第1章 绪论14-28
  • 1.1 托卡马克等离子体与面壁材料相互作用14-19
  • 1.2 等离子体鞘层简介19-20
  • 1.3 聚变等离子体鞘层中的尘埃颗粒20-26
  • 1.3.1 研究背景和意义20-22
  • 1.3.2 研究现状和有待解决的问题22-26
  • 1.4 本论文研究的意义和内容安排26-28
  • 第2章 等离子体鞘层的流体模型28-34
  • 2.1 流体模型研究方法简介28-29
  • 2.2 稳态鞘层玻姆判据29-33
  • 2.3 本章小结33-34
  • 第3章 聚变等离子体鞘层中尘埃颗粒的充电特性34-54
  • 3.1 尘埃颗粒充电模型34-35
  • 3.2 尘埃颗粒在等离子体中的充电特性35-45
  • 3.3 从鞘边进入鞘层中的尘埃颗粒充电特性45-52
  • 3.4 本章小结52-54
  • 第4章 纳米尺寸尘埃颗粒在聚变等离子体鞘层中特性54-68
  • 4.1 鞘层基本模型54-57
  • 4.2 数值模拟结果与讨论57-65
  • 4.2.1 尘埃颗粒所受的作用力58-60
  • 4.2.2 尘埃颗粒的含量对鞘层特性的影响60-61
  • 4.2.3 尘埃颗粒的半径对鞘层特性的影响61-62
  • 4.2.4 离子速度对鞘层的影响62-64
  • 4.2.5 离子温度对尘埃颗粒的影响64-65
  • 4.3 本章小结65-68
  • 第5章 尘埃颗粒在两种正离子鞘层中特性68-100
  • 5.1 鞘层物理模型68-71
  • 5.2 鞘层结构特性71-84
  • 5.3 处于鞘层中的尘埃颗粒84-98
  • 5.3.1 尘埃颗粒处于鞘层中不同位置的充电带电量85-89
  • 5.3.2 悬浮于鞘层中不同位置的尘埃颗粒的尺寸89-97
  • 5.3.3 离子温度对悬浮在鞘层中尘埃颗粒的影响97-98
  • 5.4 本章小结98-100
  • 第6章 总结与展望100-104
  • 6.1 工作总结100-101
  • 6.2 论文创新点101
  • 6.3 未来工作展望101-104
  • 参考文献104-112
  • 致谢112-114
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果114

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