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Dec 30, 2023

Hohe Reduzierung des Wärmeflusses auf Materialien unter Verwendung aktueller Filamente

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8300 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Reduzierung hoher Elektronen- und Ionenwärmeflüsse ist eines der entscheidenden Probleme bei der Abschirmung von Satelliten und Raumfahrzeugen. Eine der Ideen zur Abschirmung hoher Partikel- und Wärmeströme besteht darin, ein externes Magnetfeld anzulegen, das durch die Einspeisung von Stromfäden erzeugt wird. In dieser Arbeit modellieren wir einen Plasmafluss, der Elektronen und Ionen in einem kleinen Bereich umfasst, indem wir zwei räumliche Dimensionen und drei Koordinaten für Geschwindigkeiten (2D3V) Particle-In-Cell (PIC)-Code verwenden, um die Auswirkungen des injizierten Plasmas zu untersuchen Stromfäden über Partikel- und Wärmeflüsse zur Wand. Das Plasma tritt aus der Quellregion am linken Rand in den Simulationsbereich ein und wird am rechten Rand vollständig in der Leiterwand absorbiert. Durch die Einspeisung von Stromfäden wird die Magnetfeldstruktur des Systems verändert. Wir vergleichen Partikeldichte, Partikelfluss und Wärmefluss mit und ohne Injektion der Stromfilamente in die Domäne in zwei Dimensionen. Basierend auf den Simulationsergebnissen haben wir herausgefunden, dass die Injektion von Stromfäden die Spitzenflüsse zur Wand reduzieren und einen Teil dieser Flüsse entlang der Wand übertragen kann. Daher ist die Injektion der Stromfilamente ein guter Kandidat für die Abschirmung von Satelliten und Raumfahrzeugen vor hochenergetischen Ionen- und Elektronenflüssen.

Die Wechselwirkung zwischen Plasma und Material spielt eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der Plasmaphysik im Weltraum und im Fusionsplasma. In Satelliten oder Raumfahrzeugen können hochenergetische Ionen eine Einzelereignisstörung und einen Einzelereignis-Latch-up in elektronischen Weltraumsystemen beeinflussen, was zu Softwarefehlern führt und das Gerät beschädigen kann1. Hochenergetische Elektronen können Satelliten und Raumfahrzeuge durchdringen und auf den Oberflächen des Leiters eine Ladung ansammeln. Eine höhere Penetrationsrate verursacht interne Lade- und Entladeimpulse, die elektronische Systeme beschädigen oder zum Ausfall verschiedener Komponenten des Raumfahrzeugs führen1,2,3. Daher können hochenergetische Partikel Materialoberflächen beschädigen oder schädliche Ladungen in elektronischen Bauteilen ablagern4,5,6. Die Abschirmung von Raumfahrzeugen oder Satelliten vor hochenergetischen Teilchen ist zu einem wichtigen Thema der Weltraumforschung geworden. Es wurden mehrere Methoden vorgeschlagen, um Raumfahrzeuge und Satelliten vor hochenergetischen Partikeln abzuschirmen, beispielsweise aktive Abschirmmethoden, ein chaotisches Magnetfeld oder eine mehrschichtige Abschirmung7,8.

Andererseits ist die Reduzierung energiereicher Teilchen, die die Wand erreichen, auch ein wichtiges Thema in der Fusionstechnik. Hochenergetische Teilchen, die sich entlang magnetischer Feldlinien bewegen, bombardieren das Material direkt und beschädigen dann die Endplatten. Plasmaablösung und resonanzmagnetische Störungen (RMPs) sind einige vorgeschlagene Lösungen zur Reduzierung der hochenergetischen Plasma-Wand-Wechselwirkung in der Fusionsforschung. Bei diesen Methoden handelt es sich um leistungsstarke Techniken zur Reduzierung der hohen Energieflüsse zum Material, sie weisen jedoch noch einige verbleibende Einschränkungen im Zusammenhang mit technischen Herausforderungen oder physikalischen Problemen auf8,9,10. Ausgehend von der Untersuchung einer hohen Wärmeflussreduzierung in Fusionsplasma wollten wir eine Lösung finden, die zur Abschirmung von Raumfahrzeugen und Satelliten vor hochenergetischen Partikeln eingesetzt werden kann.

Eine Idee für eine starke Reduzierung des Wärmeflusses besteht darin, den Plasmafluss so auszuweiten, dass er der Breite der Wand entspricht. Daher wird der Plasmaenergiefluss über eine größere Fläche verteilt. Diese Idee trägt dazu bei, die Belastung des Materials durch stark lokalisierte Flüsse zu verringern. Es wurde vermutet, dass ein Magnetfeld den Fluss zur Wand beeinflussen kann11,12. Das Magnetfeld verändert den Partikeltransport und beeinflusst somit die Flüsse zur Wand. In der vorherigen Arbeit haben wir herausgefunden, dass externe lokalisierte umgekehrte Magnetfelder den Partikel- und Wärmefluss zur Wand in einer eindimensionalen Ansicht steuern können13. Die Partikel- und Wärmeflüsse werden durch magnetische Spiegeleffekte reduziert, die durch ein örtlich umgekehrtes Magnetfeld erzeugt werden. Es besteht die Möglichkeit, den Wärmefluss entlang des Wandbereichs zu übertragen. Daher sind wir neugierig darauf, zu untersuchen, wie sich die Flussprofile entlang der Wandregion auswirken. Dieses Magnetfeldprofil kann durch die Injektion der Stromfäden in experimentellen oder zweidimensionalen (2D) numerischen Studien erzeugt werden. Um die Auswirkungen des externen lokalisierten Magnetfelds, also der Stromfäden, qualitativ besser zu verstehen, untersuchen wir einen Plasmafluss, der aus Elektronen und Ionen in einem kleinen Bereich besteht, indem wir zwei räumliche Dimensionen und drei Koordinaten für die Geschwindigkeiten (2D3V) des Teilchens verwenden -In-Cell (PIC)-Modell. Die PIC-Simulation ist ein Modell, das eine vollständig kinetische Beschreibung verwendet, um die elektrische Potentialstruktur selbstkonsistent zu modellieren14,15,16. PIC verwendet Mikromengen, um alle Verhaltensweisen von Plasma zu simulieren; Daher kann es im Vergleich zu einem Fluidmodell explizit mit Drifts umgehen16. Wir injizieren die aktuellen Filamente in die Richtung, die senkrecht zur Simulationsebene verläuft. Der lokalisierte Plasmafluss dringt vom Quellbereich in den Simulationsbereich ein und wird vollständig in der Wand absorbiert. Dieser Artikel zeigt mithilfe der PIC-Simulation, wie sich die Injektion der aktuellen Filamenttechnik auf die Partikel- und Wärmeflüsse zur Wand in zwei Dimensionen auswirkt, d. h. den Richtungen proportional zum Plasmafluss und entlang der Wand. Im Abschnitt „Simulationsmodell“ wird erläutert, wie die Simulation aufgebaut ist, während im Abschnitt „Simulationsergebnisse“ Dichteprofile, Partikelflüsse und Wärmeflüsse mit und ohne Verwendung der aktuellen Filamente verglichen werden. Im letzten Abschnitt werden die Diskussion und die Schlussfolgerung dieser Technik gegeben.

In dieser Arbeit modellieren wir die Simulation mithilfe eines elektrostatischen PIC-Modells. Das elektrische Feld E ist selbstkonsistent gelöst und das magnetische Feld B ist zeitlich konstant. Die in der vorliegenden PIC-Simulation verwendeten Grundgleichungen ähneln denen in unserer vorherigen Arbeit in einer eindimensionalen Ansicht13. Partikelpositionen und Feldgrößen werden in zweidimensionalen x- und y-Räumen mit drei Geschwindigkeitskomponenten (\(v_x, v_y,v_z\)) (2D3V) betrachtet.

Simulationsbereich. Das Plasma ist von einem Vakuum begrenzt. Partikel werden von der linken Grenze bei \(x = 0\) injiziert und in der rechten Grenze \(x = L_x\) vollständig absorbiert. Die violette Linie zeigt den lokalisierten Plasmafluss an, der in den Simulationsbereich eintritt.

Wir modellieren einen kleinen, einfachen Bereich, in dem das Plasma von der linken Grenze bei \(x = 0\) eintritt und in der rechten Grenze \(x = L_x\) vollständig absorbiert wird. Der Simulationsbereich hat die geringe Größe \(L_x= 0,03\) m von der Quelle bis zur Leiterwand und \(L_y= 0,03\) m in y-Richtung. In y-Richtung gehen wir davon aus, dass das Plasma im mittleren Bereich des Simulationsbereichs fließt, wo die unteren und oberen Grenzen als Vakuum betrachtet werden, wie in Abb. 1 dargestellt. Wenn sich ein Teilchen von oben aus der Simulationsbox bewegt und unteren Grenzen zum Zeitpunkt t wird es in der Simulationsdomäne reflektiert, gegeben als \(y_t^{refl}= 2L_y - y_t\) für \(y_t>L_y\) oder \(y_t^{refl}= - y_t\) für \(y_t<0\) und \(v_t^{y,refl}= - v_t^y\). In dieser Simulation sind nur Ionen und Elektronen enthalten. Es wurden keine Kollisionen, Reflexionen, Recyclingprozesse oder Sekundäremissionen berücksichtigt.

Im Anfangsstadium befindet sich im System kein Plasma. Partikel werden in jedem Zeitschritt der Simulation um \(x=0\) injiziert. Wir legen den Partikelfluss auf \(x=0\) fest, um zeitlich konstant zu sein und ein Gaußsches Verteilungsprofil zu haben, wie in der violetten Linie in Abb. 1 dargestellt. Dieses Profil erzeugt die lokalisierten Verteilungen des Flusses in Richtung der Wandziele . Elektronen und Ionen haben an der Quelle \(x=0\) gleiche Flüsse. Die Geschwindigkeiten der injizierten Ionen und Elektronen folgen einer vollständig Maxwellschen Verteilungsfunktion, die die Bedingung erfüllt, dass die Parallelgeschwindigkeit \(v_{||} > 0\). Diese Arbeit ist eine Erweiterung unserer eindimensionalen Sichtweise. Ähnliche Systemparameter wurden verwendet, um die Reduzierung des Wärmeflusses durch die aktuellen Filamente zu untersuchen. Die folgenden Parameter werden in der Simulation verwendet: Ionen-Elektronen-Massenverhältnis \(m_i/m_e=1836\), Elektronenquellentemperatur \(T_{\textrm{e}0}=100\) eV, Ionenquellentemperatur \(T_ {\textrm{i}0}=50\) eV, Hintergrundmagnetfeld \(B_x = 0,2 \) T13. Es ist kein Magnetfeld in y- und z-Richtung vorhanden. Im Code sind alle Parameter wie folgt normalisiert:

wobei \(\lambda _{De0} = \bigg ( \frac{\epsilon _0 kT_{e0}}{n_0 e^2} \bigg )^{1/2}\), \(\omega _{pe0} =\bigg (\frac{n_0e^2}{\epsilon _0 m_e}\bigg )^{1/2}\), \(\omega _{ce0}=\frac{e\textbf{B}}{m_e }\) und \(v_{e0}\) sind die Debye-Länge, die Plasmafrequenz bzw. die Zyklotronfrequenz und die thermische Geschwindigkeit. e, \(m_e\) und \(n_0\) sind die elektrische Ladung, die Masse bzw. die Dichte der Elektronen. Wir wählen \(n_{0}=10^{16}\) \(m^{-3}\) zur Normalisierung. Mit der obigen Annahme hat das Simulationsgebiet die Größe \(L_x=L_y \ approx 40 \lambda _{De0}\). Das System wird gestartet, indem die Zeitschrittweite \(\Delta \hat{t}=0,02\) und die Anzahl der Zellen \(N_{cell} = 300\) Zellen in jede Richtung eingestellt werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Wand eine Schwebepotentialbedingung erfüllt, bei der die Partikel vollständig absorbiert werden. In den oberen und unteren Grenzen (also \(y = 0\) und \(y = L_y\)) wird angenommen, dass das elektrische Feld gleich Null ist. Stromfäden werden in z-Richtung, die senkrecht zur Systemebene steht, in das System eingespeist. Die Positionen und Richtungen dieser Filamente sind in Abb. 2 angegeben. Wir führen die Simulation in zwei Fällen durch: Filamente haben die gleiche Richtung nach außen (Fall 1) und Filamente haben die entgegengesetzte Richtung (Fall 2), entsprechend der Ober- und Unterseite Abbildungen in Abb. 2a). In beiden Fällen haben alle Filamente die gleiche Stromstärke. Das Biot-Savart-Gesetz wird verwendet, um die Größe und Richtung des Magnetfelds zu berechnen, das von einem Strom erzeugt wird, gegeben als:

wobei \(\mu _0=4\pi \times 10^{-7}\) Tm/A die Durchlässigkeit des freien Raums ist, \(I=1\) kA die Stromstärke ist und \(x_{I}\ ), \(y_{I}\) sind die Positionen der aktuellen Filamente in x- bzw. y-Richtung. Um eine Singularität des Magnetfelds am Ort dieser Injektionspunkte zu vermeiden, wird das Magnetfeld auf \(|B| = 1\) T reduziert. Durch die Injektion der Stromfäden ändert sich die Richtung der Magnetfeldlinien im System. Die magnetische Struktur im Simulationsbereich unterscheidet sich in diesen beiden Fällen. Im magnetisierten Plasma bewegen sich die Teilchen entlang der magnetischen Feldlinie. Aufgrund dieser unterschiedlichen Strukturen unterscheidet sich der Partikeltransport zwischen diesen Simulationen, worauf im nächsten Abschnitt eingegangen wird. Ab \(t =0\)s endet die Simulation, bis das System das Gleichgewichtsstadium erreicht, in dem alle Größen stabil bleiben. Wir vergleichen die Partikelgrößen, beispielsweise den Partikelfluss mit und ohne injizierende Ströme, um die Auswirkungen der Stromfäden auf die Partikel und den Wärmefluss zur Wand zu untersuchen.

Von den Stromfäden erzeugtes Magnetfeld und Gesamtmagnetfeld in der Simulation nach Einspeisung von Stromfäden. Es werden zwei Arten der Injektion in Betracht gezogen, einschließlich der Injektion derselben Stromfäden und der Verwendung entgegengesetzter Stromfäden. Der Punkt stellt die Auswärtsrichtung dar, während das x die Einwärtsrichtung des aktuellen Filaments angibt. Die schwarze Linie zeigt die magnetische Feldlinie.

Definiert sind \( \Gamma _{s,\alpha }\) und \(Q_{s,\alpha }\) die Teilchen- und Wärmeflüsse der Spezies s in der Richtung \(\alpha \), gegeben als

wobei \(f_s(\mathbf{{r,v}},t)\) die Partikelverteilungsfunktion am Ort \(\textbf{r}\) und zur Zeit t ist und \(m_s\) die Masse des Partikels ist der Arten s. In numerischen Berechnungen können diese Flüsse in einer Zelle (j, k) am Ort \((X_j,Y_k)\) wie folgt berechnet werden:

Dabei ist S(x, y) die Flächengewichtungsfunktion und \(N_s\) die Anzahl der Partikel der Spezies s in der Zelle (j, k)14. Die Partikel- und Wärmeflüsse werden normalisiert als:

Der normalisierte Teilchenfluss \(\hat{\Gamma }_{x}\) bei \(x=0\) ist zeitlich konstant und hat für Elektronen und Ionen den gleichen Wert, gegeben durch:

welches einen starken Spitzenwert in der mittleren Region hat, wo \(y = L_y/2\). Unterschiedliche Werte von \(\hat{\Gamma }_{0}\) wirken sich nur auf das Gewicht der Partikelflüsse aus, die in die Simulationsbox eintreten. Sie haben keinen Einfluss auf andere Größen oder Bewegungen von Partikeln im Simulationsbereich. Daher hat der Wert von \(\hat{\Gamma }_{0}\) keinen Einfluss auf das Ziel dieser Studie, die Auswirkungen aktueller Filamente auf Partikel- und Wärmeflüsse.

Partikeldichten im Gleichgewichtszustand mit und ohne Injektion der aktuellen Filamente. Die Abbildungen (a–c) sind die Elektronendichten, während die Abbildungen (a–c) die Elektronendichten darstellen. (d–f) sind Ionendichten. Der Verlauf des Teilchentransports hängt von der gesamten Magnetfeldstruktur ab. Ein geschärftes Profil wird durch die Verwendung der gleichen Filamentrichtung erzielt (Fall 1). Die entgegengesetzte Richtung der Stromfäden verbreitert den Partikelfluss in der Simulation (Fall 2).

Abbildung 3 zeigt die Partikeldichte in der Simulationsbox. Ohne das äußere Magnetfeld, da keine Magnetfeldkomponente (B_y) vorhanden ist, bombardieren Partikel die Wand direkt, ohne ihre ursprüngliche Form zu ändern (siehe Abb. 3a) für die Elektronendichte und Abb. 3d für die Ionendichte). Wie in den Abb. gezeigt. In den Abbildungen 3a und d ist die Ionendichte vor dem Target höher als die Elektronendichte. Dieses Ungleichgewicht entsteht durch die Bildung des Mantelpotentials. Um die Bildung des Mantelpotentials zu bestätigen, zeigt Abb. 4 ein 2D-Profil des Plasmapotentials nahe der Wand im Gleichgewichtszustand ohne Injektion der Stromfilamente.

2D-Potenzialprofil im Gleichgewichtszustand ohne Injektion der Stromfilamente. Die Abbildung ist vergrößert, um den Bereich nahe der Wand darzustellen. Die Ausbildung des Mantelpotentials wird bestätigt.

Das Hüllenpotential bildet sich selbstkonsistent vor dem Wandziel, um Partikelverluste an den Grenzen zu verhindern. Ionen werden beschleunigt, um die Wand zu erreichen, während die meisten Elektronen vom Mantelpotential reflektiert werden. Dadurch werden die Elektronen in der Simulationsbox eingeschlossen. Vor dem Target befinden sich mehr Ionen als Elektronen. Das Mantelpotential bewirkt den Energieaustausch zwischen Elektronen und Ionen. Die Energie der Ionen am Ziel könnte drastisch ansteigen, was sich auf die Verschlechterung der dem Plasma zugewandten Komponenten auswirken würde. Basierend auf der selbstkonsistenten Bildung des Mantelpotentials im Fall ohne Einspeisung der Stromfilamente wird der Code verifiziert, um die Wirkung der Stromfilamente zu untersuchen. Da sie einen kleinen Larmorradius haben, bewegen sich Elektronen meist entlang der Feldlinien in Richtung Wand. Der Elektronenfluss folgt dem Hauptstrom und dringt selten in eine breitere Position in y-Richtung vor. Ionen haben einen viel größeren Larmorradius. Ionen mit einem ausreichend großen Larmorradius können beim Aufbau der Kreiselbahn zu einer großen Verschiebung in y-Richtung springen. Daher haben wir in den Abbildungen der Ionendichten eine niedrige Ionendichte im Bereich außerhalb des Hauptstroms erhalten, während die Elektronendichte in diesem Bereich nahezu gleich Null ist, was durch die weiße Farbe angezeigt wurde, wie in Abb. 3 dargestellt. Wenn der Strom fließt Werden der Simulation zusätzliche Werte hinzugefügt, ist die Struktur des Magnetfelds anders als ohne Einspeisung von Stromfäden. Anschließend wird der Plasmafluss entsprechend der Änderung der magnetischen Feldlinie verändert. Betrachten Sie den ersten Fall, bei dem die gleiche Richtung der Stromfäden verwendet wird. In diesem Fall biegen sich, wie in der oberen Abbildung von Abb. 2b) dargestellt, die meisten von der Quelle ausgehenden Magnetfeldlinien um die Stromfäden in die gleiche Richtung. Sie konvergieren von der Quelle zur Position der ersten Stromfilamente. Der in die Simulationsbox eintretende Partikelstrom wird in diesem Bereich nach unten verdichtet, bevor er sich weiter in der Simulationsbox bewegt. Daher wird der Plasmastrom zur Wand hin verdichtet, wie in den Abbildungen dargestellt. 3b und e für Elektronen- bzw. Ionendichten. Andererseits divergieren bei Verwendung der entgegengesetzten Richtung der Filamente die magnetischen Feldlinien von der Quelle in Richtung der ersten Stromfilamente, wie in der unteren Abbildung von Abb. 2 b) dargestellt. Diese divergenten magnetischen Strukturen tragen dazu bei, den lokalisierten Plasmafluss, der in die Simulationsbox eintritt, auf einen größeren Bereich in y-Richtung auszudehnen, wie in den Abbildungen dargestellt. 3c und f. Diese Ausdehnung trägt dazu bei, die Anzahl der Partikel, die die Wand erreichen, zu verringern und den lokalisierten Plasmafluss, der in das Wandziel eindringt, zu glätten.

Die Elektronenverteilung in (a) \((x, v_{\parallel })\) und (b) \((v_{\parallel },v_{\perp })\) Phasenräumen in der Region in der Nähe des Wandtargets im Fall der Einspritzung der Stromfäden. Jeder Punkt repräsentiert jedes simulierte Partikel.

Das Prinzip des Einfangens von Partikeln in der Simulationsbox basiert auf der Wirkung der magnetischen Spiegel, die durch die Injektion der Stromfäden erzeugt werden. Aufgrund des Profils des von einem Strom erzeugten Magnetfelds, das in der Nähe des Stroms stark und in anderen Bereichen schwächer ist, bilden sich die Magnetspiegel zwischen den Stromfäden. Von der Quellregion, in der das Magnetfeld schwächer ist, bewegen sich Partikel in die Simulationsregion, um auf die Hochfeldregion zu treffen. Beim Eintritt in diese Hochfeldregionen werden Partikel gezwungen, zur Quellregion zu reflektieren. Folglich ist die Anzahl der Partikel auf der linken Seite höher als auf der rechten Seite der Stromfilamente. Es können weniger Partikel gezwungen werden, sich in den Wandbereich zu bewegen. Partikel werden durch die magnetischen Spiegeleffekte eingefangen und aufgrund der Divergenz der magnetischen Feldlinien im Simulationsbereich expandiert, anstatt sich in Richtung der Wand zu bewegen. Die Wirkung magnetischer Spiegel wurde in der Geschwindigkeitsraumfigur dargestellt. Abbildung 5 zeigt die Elektronenverteilung in (a) \((x, v_{\parallel })\) und (b) \((v_{\parallel },v_{\perp })\) Phasenräumen im nahen Bereich das Wandziel im Falle der Injektion der Stromfilamente. Die Entfernung der Region entspricht ungefähr \(5 \times \lambda _{\text{D}}\). Falls es zu keiner Emission des Elektrons aus der Wand kommt, stößt das Mantelpotential den Fluss der eintretenden Elektronen ab. Nur Teilchen mit hoher Parallelgeschwindigkeit können das Ziel erreichen, wie in Abb. 5a dargestellt. Aufgrund des magnetischen Spiegels gelangen Partikel mit hohen senkrechten und niedrigen parallelen Geschwindigkeiten kaum in den Wandbereich. Sie sind in den magnetischen Spiegeln gefangen. Nur Teilchen mit hoher Parallelgeschwindigkeit können den Magnetspiegeln entkommen und in den Wandbereich gelangen. Wie in Abb. 5b dargestellt, wird durch die magnetischen Spiegel ein Verlustkegel mit Schüsselform erhalten. Partikel mit hoher senkrechter und paralleler Geschwindigkeit nahezu Null werden daran gehindert, das Ziel zu erreichen. Dadurch bleiben die Partikel im Inneren der Simulationsbox und erreichen nicht die Wand. Die Anzahl der Partikel, die sich dem Wandziel nähern, wird durch die Verwendung der aktuellen Filamente verringert. Aufgrund der unterschiedlichen Formen der Partikelströme, die die Wand erreichen, sind die Partikel- und Wärmeflüsse am Target je nach Injektionsrichtung unterschiedlich.

Elektronen-, Ionen- und Gesamtteilchenflüsse am Wandtarget. Das Injizieren der Stromfäden verringert den Elektronenfluss in x-Richtung und ändert gleichzeitig den Fluss in y-Richtung. Allerdings verringert sich der Gesamtfluss zur Wand. Durch die Verwendung der entgegengesetzten Richtung der Filamente (Fall 2) kann der Fluss entlang des Ziels erweitert werden.

Abbildung 6 zeigt die Flüsse von (a) Elektronen, (b) Ionen und (c) Gesamtpartikeln entlang des Wandtargets. Ohne das externe Magnetfeld führen die lokalisierten Flüsse, die in den Simulationsbereich eindringen, dazu, dass die lokalisierten Flüsse auf die Wand treffen. Diese hohen Flüsse werden durch die Einspeisung der Stromfäden in das Simulationssystem reduziert. Die Spitzenwerte der Partikelflüsse werden in Gegenwart der Stromfäden um die Hälfte reduziert. Wie in den Gleichungen angegeben. (3) und (4) ist der Partikelfluss proportional zur Partikeldichte. Sobald die Partikeldichte abnimmt, verringert sich auch der Partikelfluss. Aufgrund der magnetischen Spiegeleffekte, die sich zwischen den Stromfäden bilden, werden die Partikel größtenteils innerhalb der Simulationsdomäne gefangen. Die Spiegel verhindern, dass eine große Anzahl von Partikeln das Ziel erreicht. Die Dichte der Partikel in der Nähe des Wandbereichs nimmt nach der Injektion der Stromfäden ab, wie in Abb. 3 dargestellt. Daher wird der Partikelfluss am Ziel verringert, entsprechend dem Abfall der Partikeldichte. Im Fall 1 wird der Plasmafluss aufgrund der Krümmung magnetischer Feldlinien nach unten zum Ziel hin verschärft. Das Zentrum der lokalen Verteilung wird zur Wand verschoben. Anschließend zeigt der Fluss auf der Flussfigur am Ziel eine Schrumpfung und eine verschobene Verteilung, wie in der grünen Farbe in Abb. 6 dargestellt. Andererseits wird der Plasmafluss innerhalb der Simulationsbox durch die Verwendung der entgegengesetzten Richtung weit gestreckt der Stromfäden, wie im Fall 2. Im Vergleich zum Fall ohne Einspritzen der Stromfäden ist der Plasmafluss zum Ziel am Ziel verlängert. Der Teilchenfluss am Target wird in Fall 2 erweitert, wie durch die magentafarbene Farbe in Abb. 6 verdeutlicht. Die Änderung des Plasmaflusses in y-Richtung ist auf das von den Stromfäden erzeugte Magnetfeld \(B_y\) zurückzuführen. Die \(B_y\)-Komponente kann die Bewegung der Partikel in diese Richtung antreiben. Der Teilchenfluss überträgt einen Teil seines Flusses in die y-Richtung. Der Verlagerungsprozess in andere Richtungen trägt dazu bei, den starken Fluss zum Ziel zu reduzieren. Die Änderung des Partikelflusses in y-Richtung ist in den Wandzielfiguren zu erkennen. Ohne Einspeisung der Stromfäden ist der Partikelfluss \(\Gamma _y\) am Wandziel nahezu gleich Null, da keine Kollisions- und Emissionseffekte vorliegen. Da in Fall 1 \(B_y\), das von den Stromfäden erzeugt wird, vor dem Ziel die gleiche positive Aufwärtsrichtung hat, hat auch der Teilchenfluss \(\Gamma _y\) die gleiche positive Richtung. Im Fall 2 hat \(B_y\) in der Nähe der Wand die entgegengesetzte Richtung zur Mittellinie \(y=L_y/2\). Der Fluss in y-Richtung ändert sich basierend auf der Richtung von \(B_y\) und ist dann in Fall 2 kleiner als in Fall 1. Der Partikelfluss in y-Richtung ist viel kleiner als der Partikelfluss in x-Richtung. Obwohl die Injektion der Stromfäden die Partikelflüsse in x-Richtung verringert und den Fluss in y-Richtung ändert, wird der gesamte Partikelfluss am Ziel \(\sqrt{\Gamma _x^2+\Gamma _y^2}\) verringert in beiden Fällen unter zweidimensionaler Betrachtung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Partikelfluss zum Wandziel durch die Injektion der Stromfilamente verringert wird. Die Verringerung des Partikelflusses ist hauptsächlich auf den Reflexionsprozess von Partikeln zurückzuführen, der durch magnetische Spiegel und die Übertragung des Partikelflusses von der x-Richtung in die y-Richtung verursacht wird. Magnetische Spiegel fangen die Partikel in den Spiegeln ein, indem sie sie zwingen, in den Quellbereich zurückzureflektieren, sodass nur Partikel mit hoher Parallelgeschwindigkeit in die Wand eindringen können. Aufgrund dieser negativen Richtung der reflektierten Partikel wird insgesamt für alle Partikel der Partikelfluss zum Wandziel verringert.

Elektronen-, Ionen- und Gesamtwärmeflüsse am Wandtarget. Ebenso wie der Partikelfluss wird der Wärmefluss zur Wand durch die Verwendung der Stromfäden reduziert. Die Verwendung der gleichen Richtung der Filamente (grüne Linie) schärft den Fluss am Ziel, während die Injektion der entgegengesetzten Richtung der Filamente (magentafarbene Linie) den Fluss entlang der Wand ausdehnt.

Ein ähnliches Verhalten ergibt sich für den Wärmefluss, wie in Abb. 7 dargestellt. Durch die Einspeisung der Stromfäden werden hohe Spitzenflüsse am Ziel reduziert. Die Verwendung der gleichen Richtung der Stromfäden führt zu höheren Wärmeflüssen in y-Richtung und strafft die lokale Verteilung der Flüsse. Während die entgegengesetzte Richtung der Stromfäden dazu beiträgt, die Flüsse entlang des Ziels auszuweiten, um die Spitzenbelastung für Materialien zu reduzieren. Wenn wir uns auf die Reduzierung der hohen Spitzenflüsse zum Ziel konzentrieren möchten, kann die Einspeisung von Stromfäden in die gleiche Richtung in das System angewendet werden. Die Einspeisung der Stromfilamente kann im Experiment beispielsweise durch die Verwendung niedrigerer Hybridwellen im EAST-Tokamak12 umgesetzt werden. Sowohl aus Gründen der Flussreduzierung als auch der Ausdehnung ist die Verwendung der entgegengesetzten Richtung der Filamente die bessere Wahl. Natürlich erfordert diese Technik eine spezielle Behandlung, um die Richtung der Filamente bei der Durchführung der Experimente zu ändern. Im Hinblick auf die experimentelle Forschung sind moderne Wärmeflusssensoren zur Messung des Wärmeflusses in einer Hochtemperaturumgebung vorzuziehen.

Vergleich der gesamten Partikelflüsse am Wandtarget durch Verwendung unterschiedlicher Stromstärken und unterschiedlicher Anzahl von Stromfilamenten. Die Stärke und Anzahl der Stromfäden beeinflussen die Reduzierung des Partikelflusses an den Zielen.

Das von den Stromfäden erzeugte Magnetfeld hängt nicht nur von ihrer Richtung, sondern auch von ihrer Stärke und Anzahl ab. Die Anpassung der Anzahl oder Intensität der Stromfäden kann die Magnetfeldstruktur des Systems verändern und den Partikelfluss zur Wand beeinflussen. Abbildung 8 veranschaulicht die Partikelflüsse am Ziel unter Verwendung (a) unterschiedlicher Stromstärken und (b) unterschiedlicher Anzahl der Stromfilamente. Bei diesem Vergleich wird die entgegengesetzte Richtung der Stromfäden verwendet. Wird ein stärkerer Strom angelegt, wird die Änderung des Magnetfelds deutlicher. Das Magnetfeld in y-Richtung ist stärker und treibt mehr Teilchen an, die sich in y-Richtung bewegen. Daher kommt es bei Verwendung einer hohen Stromstärke zu einer größeren Ausdehnung des Partikelflusses in y-Richtung. Der lokalisierte Plasmastrom wird in der Simulationsbox gestreckt, bevor er die Wand erreicht. Dadurch wird ein größerer Anteil des Partikelflusses in die y-Richtung übertragen. Dieser Prozess verringert den Fluss, der das Ziel erreicht. Folglich wird eine stärkere Reduzierung und größere Ausdehnung des Partikelflusses am Ziel erreicht, wenn die Stromstärke der starken Filamente genutzt wird. Ebenso ist die Erhöhung der Anzahl eingespeister Stromfäden proportional zur Verringerung des Partikelflusses am Ziel. Eine größere Anzahl eingespeister Stromfäden erzeugt eine größere Anzahl magnetischer Spiegel im Simulationsbereich. Mehr magnetische Spiegel können eine größere Anzahl von Partikeln im Simulationsbereich einfangen. Die Anzahl der Partikel, die das Wandziel erreichen, wird durch mehr Magnetspiegel stark reduziert. Daher wird der Partikelfluss am Ziel erheblich reduziert, indem mehr Stromfilamente in die Simulation eingespeist werden, wie in Abb. 8b dargestellt. Insgesamt sind die Reduzierung und Erweiterung des Partikelflusses am Target von der Stärke und Anzahl der Stromfilamente abhängig. Abhängig von der Form der Geräte, den Werten des Partikelflusses und der magnetischen Konfiguration sollten die Stärke und Anzahl der Stromfäden berücksichtigt werden, um eine hohe Effizienz bei der Reduzierung des Partikelflusses zu den Zielen in den Experimenten zu erreichen.

Sobald die Simulationsbox klein ist, kann der Abstand von der Quelle zum nächstgelegenen Stromfaden recht gering sein. Die Magnetfeldstruktur an der Quelle ändert sich im Vergleich zum Fall ohne Einspeisung der Stromfäden erheblich und beeinflusst die geladenen Partikel vom linken Rand in den Simulationsbereich. Die injizierten Partikel unterliegen sowohl dem Einfluss der Magnetfeldänderung als auch den Randbedingungen. Um die Reduzierung des Partikelflusses durch die Verwendung der aktuellen Filamente zu bestätigen, wird eine Erweiterung der Simulationsbox in Betracht gezogen. Das System, in dem die Länge auf \(L_x=L_y=0,05\) m eingestellt wurde, wird getestet. Der Abstand von der Quelle zum nächstgelegenen Stromfaden wird vergrößert, während der Abstand von den Stromfäden zur Wand derselbe ist wie in der ursprünglichen Simulation, \(L_x=L_y=0,03\) m. Dadurch hat das von den Stromfäden erzeugte Magnetfeld einen geringen Einfluss auf die injizierten Partikel an der Quelle. Daher können die Partikel problemlos in den Simulationsbereich eindringen. Bei dieser Betrachtung wird die entgegengesetzte Richtung der Stromfäden verwendet. In der neuen Simulation ähnelt der Partikelfluss dem, der im Fall der kleinen Simulationsdomäne diskutiert wurde. Bei Verwendung der Stromfäden bombardieren die Partikel direkt die Wand. Die Stromfäden beeinflussen die Form des Plasmaflusses. In diesem Fall wird der Plasmafluss in der Nähe der Quelle aufgrund der entgegengesetzten Richtung der Stromfäden auf einen größeren Bereich in y-Richtung ausgedehnt. Elektronen und Ionen werden in der Nähe des Quellenbereichs eingefangen, anstatt die Wand zu erreichen. Verglichen mit dem Fall ohne Einspritzen der Stromfäden werden die gesamten Partikelflüsse am Ziel durch die Verwendung der Stromfäden reduziert. In beiden unterschiedlichen Größen der Simulationsbox funktioniert die Methode der Injektion von Stromfäden immer noch gut zur Reduzierung des intensiven Partikelflusses zum Ziel.

In diesem Artikel werden die Auswirkungen der Injektion von Stromfilamenten auf Partikel- und Wärmeflüsse mithilfe der 2D3V-PIC-Simulation untersucht. Wir modellieren eine einfache Simulation unter der Annahme, dass Partikel bei \(x=0\) in den Simulationsbereich gelangen und vollständig von der Wand absorbiert werden. Es werden keine Kollisionen oder Sekundäremissionen berücksichtigt. Partikel werden von der linken Seite mit lokalen Flüssen injiziert, die denen von Ionen und Elektronen entsprechen und zeitlich konstant sind. Wir vergleichen die Partikelmengen, beispielsweise den Partikelfluss, mit und ohne Einspeisung der Ströme. Daraus kann geschlossen werden, dass Stromfäden die magnetische Struktur im System und dann den Partikeltransport zur Wand verändern. Partikel kehren in die Quellregion zurück, anstatt das Wandziel zu erreichen. Daher kann diese Methode die Anzahl der Partikel, die die Wand erreichen, verringern und hohe Partikel- und Wärmeströme zur Wand reduzieren. Die Reduzierung und Erweiterung des Partikelflusses durch die Injektion der Stromfäden hängt von der Stärke und Anzahl der Stromfäden ab. Eine stärkere Reduzierung und größere Ausdehnung des Partikelflusses kann durch Änderung der Stärke und Anzahl der Stromfilamente erreicht werden. Um reale Experimente durchzuführen, werden unterschiedliche Stärken und Anzahlen der Stromfilamente basierend auf den Wandrandbedingungen oder Systemeingangsparametern verwendet. Die Verwendung der gleichen Richtung der Stromfäden verringert die Spitze der Flüsse an der Wand und schärft gleichzeitig die lokalen Flüsse. Durch die in dieser Arbeit vorgeschlagene entgegengesetzte Richtung der Stromfäden können hohe Spitzenflüsse zur Wand reduziert und diese lokalisierten Flüsse entlang der Ziele ausgedehnt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Einspritzen der aktuellen Filamente ein guter Kandidat ist, um die hohen Wärmeströme zum Ziel zu reduzieren. Mit dieser Methode können Satelliten oder Raumfahrzeuge vor hochenergetischen Teilchen abgeschirmt werden. Die Auswirkungen von Kollisionen und endlichen Stromfilamenten müssen in Zukunft mit PIC-Simulationen untersucht werden. Aus dieser Perspektive werden zusätzliche Randbedingungen berücksichtigt, um die Simulation realistischer zu gestalten. Das wird in einem anderen Papier besprochen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde am „Plasma-Simulator“ (NEC SX-Aurora TSUBASA) des NIFS mit Unterstützung und unter der Schirmherrschaft des NIFS Collaboration Research-Programms (NIFS21KNST189 und NIFS22KISS005) durchgeführt. Diese Arbeit wurde teilweise von „PLADyS“, JSPS Core-to-Core Program, A. Advanced Research Network, unterstützt.

Institut für Forschung und Entwicklung, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam

Trang Le

Fakultät für Naturwissenschaften, Duy Tan University, Da Nang, 550.000, Vietnam

Trang Le

Graduate School of Advanced Science and Engineering, Universität Hiroshima, Higashi-Hiroshima, 739-8527, Japan

Yasuhiro Suzuki

National Institute for Fusion Science, National Institutes of Natural Sciences, Toki, 509-5292, Japan

Hiroki Hasegawa, Toseo Moritaka und Hiroaki Ohtani

The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI, Toki, 509-5292, Japan

Hiroki Hasegawa, Toseo Moritaka und Hiroaki Ohtani

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TL entwickelte den Code, führte die Simulation durch und schrieb den Haupttext des Manuskripts. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Yasuhiro Suzuki.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Le, T., Suzuki, Y., Hasegawa, H. et al. Hohe Reduzierung des Wärmeflusses auf Materialien unter Verwendung aktueller Filamente. Sci Rep 13, 8300 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35109-4

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Eingegangen: 17. Juni 2022

Angenommen: 12. Mai 2023

Veröffentlicht: 23. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35109-4

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