基于M-C方法模擬分析NBI真空壓力分布的影響因素

　　中性束注入裝置（Neutral Beam Injector，NBI）是產(chǎn)生高能中性粒子束用以加熱托卡馬克等離子體的裝置。NBI 真空壓力分布是影響中性束傳輸效率特別是再電離損失的關(guān)鍵因素之一。本文研究分析了HT- 7 托卡馬克NBI 實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用Monte-Carlo方法建立NBI 實(shí)驗(yàn)裝置主真空室及飄移管道內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)及碰撞的相關(guān)模型，并進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對(duì)NBI 實(shí)驗(yàn)裝置真空壓力分布模擬計(jì)算。模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：主真空室低溫冷凝泵抽速為4×10⁵ L/s 時(shí)，主真空室壓力在脈沖充氣過程中維持在10^{- 3} Pa 量級(jí)；飄移管道低溫冷凝泵抽速為4×10⁴ L/s 時(shí)，飄移管道壓力維持在10^-4 Pa 量級(jí)。文章的結(jié)論為中性束傳輸過程中再電離損失的研究提供了理論依據(jù)。

　　實(shí)現(xiàn)受控核聚變所必須解決的主要問題之一就是如何將等離子體加熱到反應(yīng)溫度。中性束注入加熱被國(guó)際聚變界公認(rèn)為是最有效的加熱手段之一，它利用注入的高能中性粒子束在等離子體中的電離、熱化，最終把能量轉(zhuǎn)化成等離子體的內(nèi)能，從而提高等離子體溫度。諸多試驗(yàn)表明，NBI 加熱系統(tǒng)能夠顯著提高核聚變裝置中的等離子體參數(shù)。

1、中性束注入裝置（NBI）的典型結(jié)構(gòu)和工作原理

　　中性束注入裝置的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它包括離子源、中性化室、主真空室、偏轉(zhuǎn)磁體、離子消除器、束流限制靶、飄移管道及真空系統(tǒng)等部分。

圖1 中性束注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖

　　由離子源產(chǎn)生的離子，經(jīng)引出電極引出并經(jīng)加速電極的加速，成為能量達(dá)幾十乃至上百keV的高能離子束。高能離子束進(jìn)入中性化室實(shí)現(xiàn)中性化，從而使其中的一部分轉(zhuǎn)化為高能中性粒子束。中性粒子束經(jīng)漂移管道注入到托卡馬克裝置的等離子體中，中性粒子在等離子體中通過電荷交換和碰撞電離變成離子并被磁場(chǎng)捕獲，再經(jīng)過跟原有等離子體發(fā)生庫(kù)侖碰撞，把能量傳遞給等離子體，達(dá)到加熱等離子體的目的。束線中未中性化的粒子在經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁鐵時(shí)，在磁場(chǎng)力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最后打到離子消除器上，為離子消除器所吸收。

2、Monte-Carlo方法

　　Monte- Carlo方法，就是根據(jù)待求隨機(jī)問題的變化規(guī)律，根據(jù)物理現(xiàn)象本身的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，或者人為地構(gòu)造出一個(gè)合適的概率模型，依照該模型進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使它的某些統(tǒng)計(jì)參量正好是待求問題的解。真空中微觀粒子運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)過程，真空的宏觀物理性質(zhì)是大量微觀粒子相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計(jì)平均，容易把所研究的宏觀量與粒子運(yùn)動(dòng)的概率特征聯(lián)系起來。這就使得Monte- Carlo 方法在真空學(xué)科中獲得了廣泛應(yīng)用。

　　本文應(yīng)用Monte- Carlo 方法模擬計(jì)算主真空室和飄移管道內(nèi)的壓力分布。

　　限于篇幅，文章中間章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要

4、結(jié)論

　　(1) 主真空室低溫冷凝泵抽速為4×10⁵ L/s時(shí)主真空室壓力為8.3×10^{- 4} Pa，滿足NBI 實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)要求。

　　(2) 提高飄移管道真空度的方法有三種：

　�、� 提高主真空室低溫冷凝泵抽速；

　　② 提高飄移管道低溫冷凝泵抽速；

　　③ 減小束流限制口尺寸。

　　綜合考慮，為了使漂移管道壓力滿足NBI 實(shí)驗(yàn)要求（即10^{- 4} Pa 量級(jí)），提高飄移管道低溫冷凝泵抽速和減小束流限制口尺寸是比較經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)措施，但由于束流限制口的尺寸和中性束加熱性能緊密相關(guān)，不能進(jìn)行改動(dòng)，所以增加漂移管道低溫冷凝泵抽氣面積是唯一可行的方案。根據(jù)模擬結(jié)果，增加漂移管道低溫冷凝泵抽氣面積，將其抽速提高至4×10⁴ L/s 即可以使漂移管道內(nèi)壓力滿足NBI 實(shí)驗(yàn)要求。