2020-07-07线性装置文献阅读

2020-07-07 本文已影响0人锅炉工的自我修养

2020-sala

Simulations of Argon plasmas in the linear plasma device GyM with the SOLPS- ITER code

Abstract

1. 线性装置play a pivotal role in PMI 研究
1. 两点模型进行分析
1. sole exception of the simulation neutrals pressure
1. standalone simulation EIRENE
1. highlighting the role of neutral-neutral elastic collision

Introduction

1. 中性原子和分子出现在边界等离子体由于从plasma facing materials（PFMs）和注入目的的再循环
1. 不包括自洽湍流
1. 偏滤器的封闭性，和Ne和N注入的影响。
1. numerically simulate plasmas in linear plasma devices（LPDs）
1. plasma-material interaction（PMI）
1. kastelewicz first SOLPS4.0

展示了线性装置的计算网格

1. refs14预测了主等离子体参数
1. SOLPS5.0~MAGPIE&PROTOT-MPEX(射频加热)
1. SOL-EDGE 应用到POLOT-PSI理解不同的原子物理模型
1. refs20 研究抽气和进行输运系数的研究，输运和原子过程重要性分析
1. 基于两点模型[21,22]
1. 平均场输运（柱形几何结构）

1. 本工作，基于SOLPS-ITER中使用Ar对LPDs 的PMI模拟研究
1. 研究等离子体湍流和基本物理
1. to the best of our knowledge
1. refs35,36 Ar杂质起功率耗散的目的
1. LPDs中Ar作为主等离子体refs in [37,38]
1. EIRENE standalone simulations are presented

The numerical model

SOLPS-ITER modeling of LPDs

1. B2.5计算流体方程（连续性方程：计算平均密度，电子和离子温度，离子动量和电流密度）
1. 把背景等离子体传递给EIRENE，计算中性轨迹
1. EIRENE与背景等离子体的交互计算。和对应的源项传递给B2.5的方程
1. 运动参考系转化为几何参考系
1. ez为环向
1. 三个度量系数hx，hy，hz。x-coordinate varies along the flux surfaces,y- coordinate is perpendicular to them
  
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1. $v_{x}=b_{x}v_{||} , v_{z}=-b_{x}v_{\perp}$
  $b_{x}=B_{x}/B,设置极向磁场为0，$
  $b_{z}=B_{z}/B=0$
1. $B_{z}=0$ 导致几个方程项的消除，这些项可能和drift相关

the B2.5 equation for Ar plasma in LPDs

1. 最新的SOLPS基于Zhdanov 公式
1. 等离子体由" $electron+Ar^{+}+Ar$ ",离子连续性方程
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1. 在径向，输运主导离子的速度的y分量
  
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1. 假设电流都是通过电子携带的
1. 电子电子密度通过准中性条件计算（任何地方斗鱼 $Ar^{+}$ 相同）
1. 离子的平行速度通过计算平行离子动量方程获得
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1. 电子的能量平衡方程为：

GyM 介绍

1. 腔室为柱形不锈钢真空室（0.25mD, 2.11mL，10coils）
1. 射频源（3kw and 1.5kw）
1. LP，喷气口，低温pump
  
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1. Ar的等离子体参数
  
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1. 磁场的计算 grad-shafranov方程：
  
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1. LPD和外部线圈电流相比可以忽略等离子电流
  
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1. ECR(电子回旋共振分布)
  
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1. 等离子体参数通过LP获得（ $n,T_{e},\phi$ ）

Simulation setup

1. north boundary~ outermost surface
1. 假设沿着x轴度对称（axial）
1. 抽气albedo
1. puffing inside the west boundary（transparent surface）
1. 网格及主要装置位置
  
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1. 极向输运基本被湍流主导，不能通过SOLPS自洽模拟。
1. 输运系数作为只有参数，调整以匹配实验剖面
1. RF源作为是额外的用户指定的，电子能量方程项
1. 假设功率在径向为常数，在轴向为高斯分布
  
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1. 本文研究抽气、径向输运系数的影响以及外部功率的影响
  
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1. 置于靶板位置的边界条件，社会之为标准的bohm sheath 边界
1. 在对称轴，我们假设所有的等离子参数消失。
1. 对于north boundary，使用衰减长度描述等离子体参数
  $\lambda_{n_{e}}=0.05m,\lambda_{T_{e}}=0.05m,\lambda_{\phi}=0.1m, \lambda_{T_{i}}=0.1m$
1. 对于平行动量流：假设平行动量流消失

度密度： $~10^{17}m^{-3}$ , 和装置匹配的平均自由程于和装置特征长度相当，不满足高碰撞限制条件

1. 需要考虑平行输运系数的动态修正
1. 通过对电子和离子添加流限制实现。
1. 电子和离子的流限制设置为0.15
1. 粘滞和超热电子系数和摩擦力流限制设置为0.5
1. 不同的流限制被评估，发现他们的影响可以忽略
1. 模拟的反应
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  由于低温（below 8eV）低密度（below $10^{17}m^{-3}$ ）高价Ar不能被电离
1. 测试了 $Ar^{2+}$ 的贡献，发现 $Ar^{2+}/Ar^{+}~0.1$

Results and discussion

B2.5+EIRENE

1. PUMP effective
  
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1. 电子密度为单调函数，峰值出现在装置轴心，朝真空壁缓慢降低。
1. 电子温度和等离子体电势，显示出相同的剖面：峰值出现在vessel的边界
1. 电子温度分布表明，电子温度受到电子功率分布的强烈影响 refs in 【16】
1. 假设功率分布，径向参数，轴向高斯
1. 为证明芯部功率密度决定 $T_{e}剖面$ ，发现径向高斯，峰值出现在轴心，温度剖面随R线性减小
1. 极向双极扩散 $j_{y}=0$
  $\phi(r)=4.6k_{b}T_{e}(r)/e$
1. 抽气对模拟剖面的影响非常大
1. 低抽气率，导致高的中性密度，进而导致RF吸收的能量迅速电离，导致电子密度的增加。同时，粒子温度也提高，因为离子不是直接被RF加热，而是通过电子-离子碰撞加热的
1. 输运系数主要影响径向剖面，更大的输运系数，导致根平的剖面
1. 高输运系数，导致对应大量的径向粒子移除，导致更低的密度，更高的温度
1. 外部功率的影响

800W?? OR 800kW

1. 输入功率显著影响电子密度，对等离子体电势和温度的影响较小
1. 固定的中性数量，更多的电子ECR加热功率，过度的电子能量会在与Ar原子的碰撞中有效的耗散，导致Ar原子电离。（这与GyM一致，因为电离度相当低）

two-point analysis of the simulation results

1. 使用每一个flux tube 所有稳态价态密度和电子温度守恒方程（在轴向）
1. west target 作为上游，east target作为下游。
1. 连续性方程最强的源项是Ar原子电子电离产生的 $Ar^{+}$
1. 电离收到外部输入吸收功率的强烈影响。
1. 密度和压强梯度扩散作为负的源。不考虑复合（case中可忽略）
  
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1. Ar+项的导致辐射损失显著增加不包括更高价态的电离

comparison with experimental results

1. 线圈电流为600A
1. gas puff 1sccm
1. RF 1800W
  
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1. 未考虑ECR 的模拟细节，计划采用更进行的LP
1. 获得中性压2.78e-6相比实验（54.6e-6mbar）被严重低估

EIRENE standalone simulations

1. 为进一步研究压力差异，固定再循环系数，进行EIRENE alone模拟
1. 固定RECYCT=0.99682 变化喷气率为0.2~5sccm ( $cm^{3}/min$ )
1. 差异的原因，eirene model没有包含中性-中性碰撞
1. Ar-Ar 弹性碰撞被包含，通过BGK近似

Conclusions

1. 不含类H的物理模型，是不完整的，需要进一步的研究。
1. Ar 输运的模拟恢复的背景等离子体会作为ERO2.0的输出

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