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)驗裝置的工作原理和結構特點(diǎn)，利用Monte-Carlo方法建立NBI 實(shí)驗裝置主真空室及飄移管道內分子運動(dòng)及碰撞的相關(guān)模型，并進(jìn)行編程實(shí)現對NBI 實(shí)驗裝置真空壓力分布模擬計算。模擬計算和實(shí)驗結果表明：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(guò)程中維持在10^{- 3} Pa 量級；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。文章的結論為中性束傳輸過(guò)程中再電離損失的研究提供了理論依據。

　　實(shí)現受控核聚變所必須解決的主要問(wèn)題之一就是如何將等離子體加熱到反應溫度。中性束注入加熱被國際聚變界公認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，最終把能量轉化成等離子體的內能，從而提高等離子體溫度。諸多試驗表明，NBI 加熱系統能夠顯著(zhù)提高核聚變裝置中的等離子體參數。

1、中性束注入裝置（NBI）的典型結構和工作原理

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

圖1 中性束注入裝置結構示意圖

　　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)現中性化，從而使其中的一部分轉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(guò)電荷交換和碰撞電離變成離子并被磁場(chǎng)捕獲，再經(jīng)過(guò)跟原有等離子體發(fā)生庫侖碰撞，把能量傳遞給等離子體，達到加熱等離子體的目的。束線(xiàn)中未中性化的粒子在經(jīng)過(guò)偏轉磁鐵時(shí)，在磁場(chǎng)力的作用下發(fā)生偏轉，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，就是根據待求隨機問(wèn)題的變化規律，根據物理現象本身的統計規律，或者人為地構造出一個(gè)合適的概率模型，依照該模型進(jìn)行大量的統計實(shí)驗，使它的某些統計參量正好是待求問(wèn)題的解。真空中微觀(guān)粒子運動(dòng)是隨機過(guò)程，真空的宏觀(guān)物理性質(zhì)是大量微觀(guān)粒子相應微觀(guān)量的統計平均，容易把所研究的宏觀(guān)量與粒子運動(dòng)的概率特征聯(lián)系起來(lái)。這就使得Monte- Carlo 方法在真空學(xué)科中獲得了廣泛應用。

　　本文應用Monte- Carlo 方法模擬計算主真空室和飄移管道內的壓力分布。

　　限于篇幅，文章中間章節的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要

4、結論

　　(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(mǎn)足NBI 實(shí)驗裝置的實(shí)驗要求。

　　(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；

　�、� 提高飄移管道低溫冷凝泵抽速；

　�、� 減小束流限制口尺寸。

　　綜合考慮，為了使漂移管道壓力滿(mǎn)足NBI 實(shí)驗要求（即10^{- 4} Pa 量級），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。根據模擬結果，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壓力滿(mǎn)足NBI 實(shí)驗要求。