负氢离子源(Negative Hydrogen Ion Source)是一种能够产生并能引出负氢离子装置,由于负氢离子的中性化效率高,负氢离子在核聚变装置上广泛应用。负氢离子源作为中性束注入系统(NBI)的起始部分具有重要的作用,因为只有从负氢离子源内引出足够负氢离子整个NBI才有意义。负氢离子源设计的最终目的是引出60 A的负氢离子,这对于目前来说是一个巨大的技术和科学的难题,因此需要对负氢离子源引出部分的物理运作规律有详细的了解。负氢离子的存活距离比较短,一般只有在靠近引出部分产生的才能引出,加上负氢离子源的引出部分包括负氢离子的产生和引出,所以研究负氢离子源的引出部分意义重大。现在的有关负氢离子源的认知基本上都是从实验上得来的,但是实验毕竟对负氢离子源内部的工作原理和粒子的运行规律不能直观的掌握。这就需要通过数值模拟来获得负氢离子源内离子运作的规律。因此本文通过程序模拟的方式将负氢离子源引出部分的物理变化过程直观的展示出来,并总结了模拟过程中得到的各物理量的变化规律。首先,本文建立了基于PIC-IFE-MCC(质点网格法-浸入式有限元-蒙特卡洛碰撞法)相结合的全三维的模拟程序来对负氢离子源引出部分的各个物理变化进行数值模拟。在该模拟的过程中采用PIC为主要架构用以模拟粒子在电磁场作用下的运动状况,其中粒子的缩放标准为每单元每种粒子10个;采用IFE计算粒子在运动时所形成的电势,根据电势求解电场;采用MCC的方法处理负氢离子源内粒子的碰撞过程,包括负氢离子体积产生和消亡的过程;最后采用振动激发态的氢分子或氢离子与栅极碰撞来模拟负氢离子的表面产生过程。其次,对得到的模拟结果进行分析和验证。首先采用无负氢离子产生的方式对负氢离子源的引出部分进行模拟,得到了相关物理量的图像。然后结合模拟的理论、离子源的实际工作状况以及对比国外相关文献等对程序的运行结果进行检验。无负氢产生的结果正确后,添加负氢离子的产生和消亡过程,对得到的结果进行分析,发现引出栅极的加入,令模拟结果更准确更直观,因而以此得到的规律也更有参考价值。最后,本文对引出栅极的热负载和引出栅极电势变化对半月板的影响进行了分析与探究。研究表明引出的电子给引出栅极带来了巨大的热负载,并且最大热负载区域与中间平面存在一定的夹角;引出栅极电势的变化对半月板深度的变化有较大的影响,对半月板的形状影响不大,当引出栅极电势增大时半月板的深度会变深,反之则会变小。