【摘 要】
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为了使聚变装置高性能稳定运行,降低等离子体对器壁溅射与侵蚀尤为重要。直线型等离子体装置(Linear Plasma Devices,LPDs)能够产生多种稳态等离子体,实验过程中参数可控、易测量、制造周期短,成本低,对于开展等离子与壁材料相互作用(Plasma-Materials Interactions,PMIs)研究具有不可替代的作用。为了产生高温高密度稳态等离子体,以模拟聚变粒子辐照效应,对
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为了使聚变装置高性能稳定运行,降低等离子体对器壁溅射与侵蚀尤为重要。直线型等离子体装置(Linear Plasma Devices,LPDs)能够产生多种稳态等离子体,实验过程中参数可控、易测量、制造周期短,成本低,对于开展等离子与壁材料相互作用(Plasma-Materials Interactions,PMIs)研究具有不可替代的作用。为了产生高温高密度稳态等离子体,以模拟聚变粒子辐照效应,对LPDs中等离子源提出了较高的要求。基于托卡马克中PMI和边界等离子体的研究需求,提出了建造大连理工大学多种等离子体模拟直线装置(Multiple Plasma Simulation Linear Device,MPS-LD),本论文开展了MPS-LD等离子体源的设计模拟工作。目前LPDs根据不同的实验需求采用的等离子源种类不同,主要有螺旋波等离子源(Helicon Plasma Source,HPS)和六硼化镧阴极的直流等离子源。其中HPS在有限直径的圆柱体中产生轴向磁化的等离子体,通过调节射频功率和磁场强度等参数至螺旋波模式时,电子密度ne一般可达到1018-1019m-3量级(氩气放电),比其他射频放电具有更高的效率。并且HPS天线位于真空室的外部,避免了产生电极的污染或溅射,降低了对壁材料的要求,因此被选做MPS-LD的等离子源。本文基于螺旋波色散关系和均匀放电模型,建立了HPS天线波长和吸收功率之间的线性关系。通过使用HELIC Code软件计算等离子体电阻和等离子体吸收功率,选取具有较小半径的Helical型天线。计算每个频谱的相对功率吸收,确定天线的波长。根据理论关系推导,得出天线波长与长度的关系,通过两种天线长度的耦合效率对比计算,确定天线的长度,从而完成HPS天线的物理设计。并对设计的天线进一步模拟,得出感应的磁场、电场和电流密度径向分量对其分布产生影响,并算得高斯密度分布的感应的磁场、电场和电流密度较高。结合已有的实验和仿真结果,对螺旋波放电模型理论进行归纳总结,对设计完成的HPS利用仿真软件COMSOL Multiphysics进行有限元仿真。建立三维放电模型,设定实验中的射频频率13.56Mhz,在放电气压为30m Torr时通入中性气体氩气,以模拟真实放电状态。模拟产生了电子密度为1018m-3量级的螺旋波放电,电子密度产生了跃变,验证了在放电过程中产生了容性耦合、感性耦合到螺旋波模式的转换。对模式跃变时的功率与理论设计工作进行对照。
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