离子束中性化过程中静电孤波激发和抑制的实验与数值模拟研究
批准号:
12075223
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
蓝朝晖
依托单位:
学科分类:
粒子探测技术
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
蓝朝晖
中文摘要
离子束中性化在重离子聚变束物理、离子束表面工程、空间电推进等领域有广泛应用,如何提高中性化率是一个重要物理问题。最近我们同合作者通过数值模拟首次发现,当中性化方式采用电子直接注入或者短等离子体源注入时,中性化过程中会激发长寿命、大尺度静电孤波(ESWs)。ESWs的激发大幅度降低这两种中性化方法的中性化率。本项目计划通过实验来验证中性化过程ESWs激发的可能性。首先通过实验诊断中性化过程中ESWs双极性特征电脉冲信号,研究ESWs激发条件和机制,获得ESWs纵向尺度、电场强度、寿命、运动速度等基本参数;然后通过束测给出离子束的中性化率,评估ESWs的激发对中性化的影响;最后通过实验研究ESWs的抑制方法。除了实验,项目计划通过自编三维并行PIC程序对上述实验进行数值模拟,重点研究中性化过程中电子动理学过程以及ESWs的激发和抑制机制。本项目的实施将为提升离子束中性化率提供全新的思路和策略。
英文摘要
Ion beam neutralization has been widely studied in heavy ion fusion beam physics, ion beam surface engineering, and space electric propulsion, etc. How to increase the degree of ion beam neutralization is a critical physical issue. Recently we've discovered with our collaborator through numerical simulations that, when electron direct injection or short plasma source injection is applied as a neutralization scheme, long-lived and large-amplitude electrostatic solitary waves (ESWs) can be excited during neutralization. The excitation of ESWs dramatically reduces the degree of neutralization of these two schemes. This project is planned to verify the possibility of excitation of ESWs during neutralization through experiments. Firstly, we will diagnose experimentally the bipolar characteristic pulse signals of ESWs, and study the excitation conditions and mechanisms of ESWs, obtaining ESWs basic parameters such as the longitudinal size, the intensity of electric field, the lifetime and the velocity of motion. Secondly, through beam measurements, the degree of neutralization of the ion beam will be given, and the effect of excitation of ESWs on neutralization will be evaluated. Finally, the suppression method of ESWs will be studied experimentally. Besides experiments, in this project we plan to simulate these experiments numerically through a self-made 3D parallel PIC code, focusing on the kinetic process of neutralizing electrons and the excitation and suppression mechanism of ESWs during neutralization. The implementation of this project will provide some totally new ideas and strategies to improve the degree of neutralization of the ion beam.
离子束中性化在重离子聚变束物理、离子束表面工程、空间电推进等领域有广泛应用,如何提高中性化率是一个关键问题。电子注入中性化过程中静电孤波激发是影响离子束中性化率的一个重要因素。本项目通过数值模拟和实验两个手段研究了强流离子束中性化过程中静电孤波激发和抑制问题。. 计算方面,我们建立了电子注入低能强流离子束中性化二维和三维计算模型,采用自主开发静电隐式并行PIC程序对中性化过程中的电子动理学行为进行了模拟计算。我们系统研究了脉冲离子束、脉冲压缩离子束和直流离子束的电子注入中性化过程,给出了电子在中性化过程中的完整时空演化。结果显示,在电子注入中性化过程中电子会激发双流不稳定性,当不稳定性演化到非线性饱和阶段会产生相空间电子洞,即静电孤波。静电孤波的纵向尺度可达几个cm,寿命可达微秒量级。电子洞电子密度凹陷导致的正电势峰可达几十V,与离子束中性化后的残余电势相当。我们系统研究了注入电子的电流及温度、离子束脉冲长度及形状、离子束聚焦过程等对孤波激发的影响。此外,我们研究了离子束中性化过程孤波抑制方法,发现通过周期性点发射阵列或者周期性线发射阵列可有效抑制孤波激发,提高离子束中心化率。. 实验方面,我们建立了低能离子束中性化实验平台。平台采用2.45 GHz强流离子源,配备热发射电子源用于向离子束注入中性化电子。静电探针阵列和法拉第筒分别用于诊断等离子体静电波电位和中性化前后束流截面。我们研究了Ar+引出的中性化过程。通过束流截面在中性化前后的变化计算得到电子注入离子束的中性化率约89%。通过双探针对束流电位的诊断,我们观察到离子束在微秒量级就可以中性化到较高的水平。两个探针分别在不同时刻探测到单电势峰孤波信号。通过计算得到孤波空间尺度约7.5 cm,速度50 cm/μs。对应的数值模拟再现了实验的物理过程。
基于电子蒸发冷却和聚集机制的强流离子束中性化提升研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:55万元
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批准年份:2022
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负责人:蓝朝晖
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依托单位:
国内基金
海外基金