中性束注入裝置是產(chǎn)生高能中性粒子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。研究分析了超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置中NBI 的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了EAST NBI 的幾何與物理模型，利用Monte- Carlo 方法建立NBI 主真空室內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)及碰撞的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用Matlab 軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)NBI 主真空室內(nèi)真空壓力分布的模擬計(jì)算，得到主真空室內(nèi)三段區(qū)域在進(jìn)氣過程中的氣體分子三維分布圖和平均壓力變化曲線。研究可為EAST NBI 主真空室內(nèi)的中性化室、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、低溫抽氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

　　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)際核聚變界公認(rèn)為是最有效的加熱手段之一，諸多試驗(yàn)表明，中性束注入加熱系統(tǒng)能夠顯著提高核聚變裝置中的等離子體性能。

1、中性束注入器裝置的典型結(jié)構(gòu)和工作原理

　　中性束注入裝置（Neutral Beam Injector，簡(jiǎn)稱NBI）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)等部分組成。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)漂移管道注入到超導(dǎo)托卡馬克裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，簡(jiǎn)稱EAST)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，把能量交給等離體，達(dá)到加熱等離子體的目的。

圖1 中性束注入器裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2、中性束注入裝置真空壓力的理論分析

　　NBI 總的氣源有兩個(gè)：離子源頭部進(jìn)氣和中性化室補(bǔ)充進(jìn)氣。下面分析在NBI 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)各部分的氣體量。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，對(duì)該真空系統(tǒng)作了如下幾點(diǎn)假設(shè)：

　　(1) 主真空室內(nèi)的壓強(qiáng)分布情況單獨(dú)計(jì)算，而在計(jì)算其它部分的壓力分布時(shí)不予考慮。

　　(2) 在主真空室內(nèi)，氣體抽速可以近似認(rèn)為是低溫泵的有效抽速。

　　(3) 由于中性化室的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主真空室的體積，故可認(rèn)為中性化室內(nèi)的氣體流出中性化室出口后立刻擴(kuò)散到整個(gè)主真空室，且這個(gè)過程與抽氣過程相比要快得多。

　　(4) 主真空室內(nèi)的氣流狀態(tài)近似屬于分子流狀態(tài)。

　　對(duì)于假設(shè)(4),用下面的計(jì)算來證明。對(duì)于分子流和粘滯流的判據(jù)，目前國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者推薦下列公式：

7、結(jié)論

　　采用M-C方法， 運(yùn)用Matlab 軟件對(duì)EAST NBI 主真空室的壓力分布計(jì)算進(jìn)行編程，模擬計(jì)算出了主真空室的壓力分布情況，使用DIII- DNBI 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬運(yùn)算結(jié)果，得出了以下結(jié)論：NBI 主真空室內(nèi)壓力分布呈現(xiàn)梯度性，總體上看，主真空室內(nèi)三個(gè)區(qū)域的壓力逐漸降低，呈沿束線方向下降的趨勢(shì)；NBI 主真空室各處平衡壓力在1×10^-3 Pa 至5×10^{- 3} Pa 之間，能夠穩(wěn)定保持10^-3 Pa 量級(jí)，滿足NBI 裝置對(duì)主真空室壓力分布的要求；運(yùn)用DIII- D NBI 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果表明模擬計(jì)算可靠有效；NBI 主真空室第一段的被抽氣體量最大，其內(nèi)部的后端冷凝板采用強(qiáng)迫流的結(jié)構(gòu)形式，加大了低溫冷凝吸附幾率，提高了抽氣能力。