本發(fā)明涉及磁約束聚變領(lǐng)域中的中性束注入加熱，具體涉及一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法及相關(guān)產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、中性束注入加熱是一種用于磁約束核聚變實驗的重要輔助加熱技術(shù)。其基本原理是將氣體在放電室中電離形成等離子體，然后通過電場加速形成高能離子束流。這些高能離子束流經(jīng)過中性化器，與氣體靶發(fā)生碰撞反應(yīng)，捕獲電子轉(zhuǎn)化為高能中性粒子束流，最終注入托卡馬克裝置中的等離子體，以增加等離子體的溫度和能量。

2、由于托卡馬克裝置中存在強磁場，帶電離子無法直接注入等離子體，因此必須將離子束流中性化。中性化效率(即高能離子束流轉(zhuǎn)化為中性粒子的比例)是影響注入功率和加熱效果的關(guān)鍵因素。對于氣體靶中性化器，中性化效率主要取決于氣體分子密度和靶厚度。正離子束的中性化效率隨著氣體靶厚的增加而增加，存在一個最大值，而負離子束的中性化效率則隨著氣體靶厚的增加先增加后減少，存在一個最優(yōu)值。

3、傳統(tǒng)的中性化送氣方法通常是基于經(jīng)驗預設(shè)一定量的送氣量，以達到增加氣靶厚度和提高中性化效率的目的。然而，這種方法存在一些不足之處。例如，預設(shè)的送氣量難以確保實現(xiàn)最佳中性化效率；過多的送氣量會導致束流在引出電極處的剝離損失增加，后續(xù)傳輸路徑中的再電離損失也會增大；送氣不足則無法達到最佳中性化效率，導致束流功率損失。

4、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)在中性化送氣控制方面存在一定的局限性，如何通過精確的計算和控制方法來實現(xiàn)最佳中性化效率，是當前亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是預設(shè)中性化送氣不能實現(xiàn)束流的最佳中性化效率，目的在于提供一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法及相關(guān)產(chǎn)品，實現(xiàn)了實時優(yōu)化中性化送氣量，使得離子束流在不同能量參數(shù)下均能達到最佳中性化效率，從而提高了束流傳輸效率，減少了再電離損失和剝離損失。

2、本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法，包括：

4、通過高能離子束流的能量確定實現(xiàn)最佳中性化效率所需的氣體靶厚，并將其作為目標靶厚；

5、根據(jù)離子源未電離氣體量及中性化器結(jié)構(gòu)，采用蒙特卡洛方法模擬氣體分子的運動軌跡，計算得到未電離氣體在中性化器中的分布，確定初始氣體靶厚；

6、判斷初始氣體靶厚是否達到目標靶厚，若已達到，則判定送氣量為零；若未達到，則多次逐步向中性化器模擬送氣，并迭代計算補充靶厚，直至氣體靶厚到達目標靶厚，獲得總送氣量；

7、確定總送氣量，并輸出對應(yīng)的控制量。

8、具體地，確定初始氣體靶厚的方法包括：

9、確定邊界條件；

10、以一個滿足余弦定理的隨機數(shù)作為發(fā)射方向，使模擬粒子沿發(fā)射方向飛行；

11、判斷模擬粒子是否與某一邊界發(fā)生碰撞，若未發(fā)生碰撞，則發(fā)射下一個模擬粒子；

12、若模擬粒子與某一邊界發(fā)生碰撞，則判斷飛行時間是否大于計算時間，若飛行時間大于計算時間，則發(fā)射下一個模擬粒子；

13、若飛行時間小于計算時間，則在碰撞點再次賦予該模擬粒子新的發(fā)射方向，使模擬粒子沿新的發(fā)射方向飛行；

14、重復上述兩個判斷直至該模擬粒子的飛行時間等于計算時間，記錄該模擬粒子的位置，并發(fā)生下一個模擬粒子；

15、完成對所有模擬粒子的發(fā)射，統(tǒng)計計算區(qū)域內(nèi)所有粒子的位置與數(shù)量，積分獲得初始氣體靶厚。

16、可選地，邊界條件包括：中性化器結(jié)構(gòu)參數(shù)、離子源未電離氣體量、送氣位置、計算時間和本底真空值。

17、具體地，初始氣體靶厚通過統(tǒng)計計算區(qū)域內(nèi)粒子的位置與數(shù)量，并在中性化器長度上積分獲得。

18、具體地，對中性化器進行補氣的進氣位置與初始氣體的進氣位置不相同；補氣的進氣位置設(shè)置在中性化器的中部。

19、可選地，迭代氣體靶厚疊加到達目標靶厚的方法包括：

20、設(shè)定步進的進氣量；

21、向中性化器內(nèi)模擬輸入1個步長的中性化送氣量；

22、以一個滿足余弦定理的隨機數(shù)作為發(fā)射方向，使補充氣體中的模擬粒子沿發(fā)射方向飛行；

23、判斷該模擬粒子是否與某一邊界發(fā)生碰撞，若未發(fā)生碰撞，則發(fā)射下一個模擬粒子；

24、若該模擬粒子與某一邊界發(fā)生碰撞，則判斷飛行時間是否大于計算時間，若飛行時間大于計算時間，則發(fā)射下一個模擬粒子；

25、若飛行時間小于計算時間，則在碰撞點再次賦予該模擬粒子新的發(fā)射方向，使模擬粒子沿新的發(fā)射方向飛行；

26、重復上述兩個判斷直至該模擬粒子的飛行時間等于計算時間，記錄該模擬粒子的位置，并發(fā)生下一個模擬粒子；

27、完成對補充氣體中所有模擬粒子的發(fā)射，統(tǒng)計計算區(qū)域內(nèi)所有粒子的位置與數(shù)量，積分獲得補充靶厚；

28、疊加補充靶厚和初始氣體靶厚，并判斷疊加后的氣體靶厚是否達到目標靶厚；若未達到，則再次向中性化器內(nèi)模擬輸入1個步長的中性化送氣量，并迭代計算新的氣體靶厚；

29、若氣體靶厚達到目標靶厚，則根據(jù)迭代次數(shù)獲取總送氣量。

30、可選地，逐步送氣的步長為1sccm。

31、一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制終端，包括存儲器、處理器以及存儲在存儲器中并可在所述處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)如上所述的基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法。

32、一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法。

33、一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機程序/指令，該計算機程序/指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法。

34、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

35、本發(fā)明通過獲取目標靶厚，并計算初始靶厚，然后，逐步添加中性化送氣，通過步進的方式迭代計算補充靶厚，直到累計的氣體靶厚達到目標靶厚，最后輸出將控制量；本發(fā)明通過精確控制中性化送氣量，使得每次離子束流的中性化效率都能達到最佳狀態(tài)，顯著提升了束流的傳輸效率。

技術(shù)特征：

1.一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法，其特征在于，確定初始氣體靶厚的方法包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法，其特征在于，邊界條件包括：中性化器結(jié)構(gòu)參數(shù)、離子源未電離氣體量、送氣位置、計算時間和本底真空值。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法，其特征在于，初始氣體靶厚通過統(tǒng)計計算區(qū)域內(nèi)粒子的位置與數(shù)量，并在中性化器長度上積分獲得。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法，其特征在于，對中性化器進行補氣的進氣位置與初始氣體的進氣位置不相同；補氣的進氣位置設(shè)置在中性化器的中部。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法，其特征在于，迭代氣體靶厚疊加到達目標靶厚的方法包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法，其特征在于，逐步送氣的步長為1sccm。

8.一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制終端，包括存儲器、處理器以及存儲在存儲器中并可在所述處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)如權(quán)利要求1-7中任一項所述的基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法。

9.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1-7中任一項所述的基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法。

10.一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機程序/指令，其特征在于，該計算機程序/指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1-7中任意一項所述的基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及磁約束聚變領(lǐng)域中的中性束注入加熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于蒙特卡洛算法的中性化送氣控制方法及相關(guān)產(chǎn)品，包括確定目標靶厚，確定初始氣體靶厚，判斷初始氣體靶厚是否達到目標靶厚，若已達到，則判定送氣量為零；若未達到，則多次逐步向中性化器模擬送氣，并迭代計算補充靶厚，直至氣體靶厚到達目標靶厚，獲得總送氣量，確定總送氣量，并輸出對應(yīng)的控制量；本發(fā)明通過獲取目標靶厚，并計算初始靶厚，然后，逐步添加中性化送氣，通過步進的方式迭代計算補充靶厚，直到累計的氣體靶厚達到目標靶厚，最后輸出將控制量；本發(fā)明通過精確控制中性化送氣量，使得每次離子束流的中性化效率都能達到最佳狀態(tài)，顯著提升了束流的傳輸效率。

技術(shù)研發(fā)人員：楊憲福,魏會領(lǐng),耿少飛
受保護的技術(shù)使用者：核工業(yè)西南物理研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2