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等离子体光学质量分离器在带电粒子束电磁控制研究领域具有重要应用。周向仪和分离区是等离子体光学质量分离装置的主要组成部分,是等离子体束流电磁控制和分离的关键部件,其设计特性直接影响着束流的分离效率。等离子体束流运动行为的模拟分析是光学质量分离研究的主要内容。目前,等离子体光学质量分离的研究尚停留在单粒子轨道阶段,无法表达电子运动及其分布特性对于离子束流分离的影响,忽略了等离子体的整体特性,其研究方案对粒子的运动行为描述不够完整和准确。本文在现有单粒子轨道理论基础上,通过粒子模拟(PIC)的方法给出等离子体束流在光学质量分离器中更完整更准确的运动状态。 首先,利用粒子模拟(PIC)法研究等离子体光学质量分离,并描述了该方法重要过程的设计方案,如静电场泊松方程求解、粒子运动格式等,并进一步对模型的准确性进行验证。说明了PIC法对上述物理问题研究的可行性,并为相应模拟模型的建立提供有力的理论依据。 其次,根据PIC理论建立周向仪的仿真模型。分析等离子体束流在周向仪中的运动状态、粒子密度以及自洽场等的分布情况。同时,对束流源的羽流发散角给周向仪中等离子体束流运动状态造成的影响进行了研究。通过对粒子密度和自洽场分布的模拟结果分析发现,现有周向仪结构影响分离效率的事实问题所在,进而对周向仪的结构进行改进,并通过PIC模拟证明了改进后的结构具有提高离子密度和分离效率的效果。 再次,建立理想的分离区仿真模型。通过对模拟结果的分析,研究了同种等离子体在不同中心质量下分离效果的区别,并以同种元素的不同核素离子锂、铀为例,通过分析特种质量离子在分离区电磁控制下的聚焦半径、质量色散值、周向聚焦位置等参量,来设计分离区相关参数,并验证了分离区理论的可行性。 最后,从实际和整体上考虑等离子体光学质量分离器的运行效果并建立整体PIC模拟模型。在独立模型的基础上,以同种元素不同核素和混合气体离子为例,通过与理想分离结果的对比,研究分析了实际中存在羽流发散角的等离子体束流在整个装置中的运动行为和聚焦、分离情况,进而对整个装置的设计和提高分离效率给出建设性意见,为等离子体光学质量分离器的研制提供理论依据。