直接蒙特卡罗法模拟高温金属原子蒸发

蒸发产生的原子束在很多科技领域获得广泛应用。特别是在原子法激光分离同位素工程中，铀原子蒸气的空间分布（如密度分布、温度分布、速度分布等）是分离器优化设计的重要依据之一。采用直接蒙特卡罗方法模拟了真空室内高温金属的蒸发动力学过程，得到了二维空间内原子蒸气流各物理量的空间分布规律，并给出了相应的物理解释。其中原子蒸气的横向平均速度分布的模拟结果与实验结果吻合很好。     

激光感生荧光法测量金属原子蒸气横向速度分布

了解原子蒸气的密度、速度和温度分布对提高原子法激光分离同位素 (AVL IS)的分离效率起着重要作用。该实验采用激光感生荧光法和高灵敏度的线阵 CCD测量了线源蒸发钆金属原子蒸气的横向速度分布。通过实验证实了在线源蒸发的情况下 ,原子蒸气横向平均速度随横轴线性增加 ,横向速度分布近似服从 Maxwell分布。离蒸发对称面越远横向速度分布的半宽度越大 ,这表明离蒸发对称面越远原子热运动越激烈。而原子束横向平均速度随电子枪加热功率增加而增加 ,并且趋向于一饱和值。这是由于原子束平均速度取决于蒸发表面的温度 ,而液面温度随电子枪功率增加是有限的。     

收集板对金属原子二维平面蒸发的影响

为了分析原子法激光同位素分离工程 (AVL IS)分离器中加入精料收集板对原子蒸气密度、速度和温度等物理特性的影响 ,采用直接模拟蒙特卡罗 DSMC (direct-simulation Monte Carlo)方法模拟了铀原子二维平面蒸发动力学过程 ,着重研究了 Knudsen数 K n变化和收集板温度变化对蒸气物理特性的影响。模拟结果表明 :收集板中间 ,蒸气密度增加 ,速度下降 ,温度上升 ;蒸气的 K n越小 ,蒸气的速度越高 ,相对温度越低 ;收集板的温度越高 ,蒸气纵向速度越低 ,温度越高 ,密度越高     

电子枪加热坩埚含有固-液界面熔池的传热研究

电子枪加热坩埚熔池高温蒸发是原子蒸气激光同位素分离（ＡＶＬＩＳ）铀循环系统的一个重要环节。为研究电子枪功率与束宽对熔池的流场、温度场分布的影响,从动量及能量方程出发,研究了电子枪加热坩埚内含有固—液界面熔池的传热特性,熔池中流场及温度场变化,固—液界面形状,表面环流,以及传热特性与金属原子蒸发量的关系。并得出电子枪束宽过窄,电子枪功率密度高于１５ ｋＷ／ｃｍ ２ 时,会使导热损失增加、蒸发量减少的结论。     

轴对称扫描电子枪的理论分析与计算

为提高原子蒸气激光同位素分离（ＡＶＬＩＳ）中电子枪加热金属高密度蒸发的需要,运用电磁理论分别对轴对称扫描电子枪的束流特性和传输系统扫描特性进行了数值模拟。着重分析了电子枪的结构参数与束流特性的关系,以及束流传输元件与束流扫描特性的关系。进行了轴对称电子枪结构的计算机辅助设计,给出束流功率密度为１０ ｋＷ／ｃｍ ２ ,扫描长度１５ ｃｍ ,总功率为１００ ｋＷ 的轴对称扫描电子枪结构参数与束流特性的计算结果。     

激光原子法同位素分离中三维原子分布函数的计算

在激光同位素分离中 ,激光作用区内原子的密度和速度分布对分离过程有重要影响。目前 ,理论上对这个问题的研究还都限于二维情形。该文根据激光同位素分离装置中激光作用区原子密度较低的特点 ,在忽略原子碰撞的条件下给出了一种计算三维空间内原子速度分布函数的方法。利用该方法对小尺度蒸发实验进行计算所获得的结果在定性和定量上都与实验测量符合的很好。     

考虑电荷交换的RF共振离子引出方法的模拟

为较全面地了解 RF(radio frequency)共振离子引出方法的特性 ,使之更好地用于原子蒸气激光同位素分离(AVL IS) ,用 PIC- MCC方法对其进行了模拟。等离子体中带电粒子在电磁场中的运动用 PIC方法模拟 ,而各粒子间的碰撞用 Monte Carlo方法来模拟 ,碰撞类型主要考虑对目标同位素离子损失影响最大的电荷交换。模拟得出了离子引出时间和碰撞损失率与引出系统的各种参数之间的依赖关系。结果表明 ,为使目标同位素离子快速而低损耗地引出 ,应该采用较大的 RF共振电压幅度和较小的极板间距 ,并且采取措施增加电子温度 ;对于原子蒸气的密度的大小 ,则应在分离产率和碰撞损失率之间权衡。     

直接Monte Carlo方法研究二维平面蒸发原子速度分布

蒸气原子的速度分布是一个基本的函数 ,为了研究蒸气原子的速度分布情况 ,该文采用直接 Monte Carlo法模拟钆原子蒸发过程 ,给出了 Knudsen层和外部膨胀区的蒸气原子速度分布 ,进一步研究了亚稳态原子消激发过程对蒸气原子速度分布的影响。模拟结果表明在 Knudsen层中原子速度分布迅速从非 Maxwell分布过渡到 Maxwell分布 ;在外部膨胀区 ,原子速度分布函数近似椭球分布 ;亚稳态原子消激发 ,使蒸气宏观速度增加 ,温度增加 ,所以使速度分布函数峰值右移 ,半宽度增加。     

考虑碰撞的二维离子引出过程的数值模拟

为研究各因素对原子蒸气激光同位素分离（ＡＶＬＩＳ）中离子引出特性的影响,采用二维流体理论电子平衡模型分析计算了引出过程中外加恒定电磁场和电子温度等因素对离子引出特性（引出时间、碰撞损失率）的影响。粒子间的碰撞主要考虑同位素离子和原子间的共振电荷转移,用碰撞截面来处理。数值计算结果表明,外电场和电子温度对离子引出特性影响较大。外电场强,电子温度高,则引出时间短,碰撞损失亦小。而一定的恒定磁场对引出特性影响很小。     

AVLIS离子引出j×B驱动法数值模拟

原子蒸气激光分离同位素 (AVL IS)离子引出有许多种方法 ,j× B驱动方法是一种新方法。研究了该方法的物理模型 ,并用数值计算方法进行了二维离子收集模拟 ,给出了各个参数对收集时间的影响。由模拟结果可知 :该引出方法比传统电场法引出的等离子体密度高 1～ 2个数量级 ,原子密度越小引出时间越短 ,电子温度越高引出时间越长 ,电极板电流线密度变化率越大引出时间越短 ,原子初速度对引出时间影响与初始参数有关     

二维无碰撞离子引出过程的数值模拟

利用流体理论电子平衡模型，对二维不考虑带电粒子碰撞的激光分离同位素（ＡＶＬＩＳ）离子引出过程进行了数值模拟，包括对不同收集方式进行了模拟和对比，研究了离子引出过程中的物理机理及物理量的空间分布特点，表明等离子体电位略高于阳极电位，并在离子引出过程中基本保持不变；电子温度越高等离子体电位越高，离子引出时间越短；对称收集方式的离子引出时间短且离子逃逸量也少。