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尘埃等离子体的数值模拟研究

张宇  
【摘要】:尘埃等离子体是一种包含带电尘埃颗粒的电离气体,一般由电子、离子和带电尘埃 颗粒组成,它广泛存在于星际空间、电离层以及等离子体辅助加工设备中.本文针对实 验室中尘埃等离子体的研究集中的两个方面:在等离子体材料加工工业中尘埃污染的清 除以及尘埃等离子体在基本物理理论中的应用,分别通过数值模拟的方法对尘埃等离子 体作了理论研究。 本文首先提出了除尘的方法。针对柱状等离子体发生器系统,在理论上提出了一种 利用E×B力清除尘埃的方法,并采用三流体模型,模拟了电子、离子及尘埃在电磁场 的作用下的运动模式,数值模拟的印证了所提出的除尘方法。 接下来,研究了一维及两维鞘层的性质。在实验室中尘埃晶格实验中尘埃粒子一般 被束缚在柱槽状电极鞘层中,鞘层的性质影响并决定尘埃的运动。针对一维鞘层,用流 体的方法模型并研究了其性质,并且把模型推广到二维情形,即柱槽状电极情况,得到 了束缚尘埃的鞘层的性质,为后来的研究作了铺垫。 在此基础上,对尘埃粒子建立了分子动力学模型研究了尘埃晶格。由于得到了束缚 电极鞘层的情况,考虑了尘埃粒子数相对较少的时候,尘埃粒子对电极鞘层影响较小, 故假设尘埃粒子不影响鞘层性质。通过考虑每个尘埃粒子的重力、充电过程、所受离子 拖拽力及尾流作用,建立了描述尘埃运动的分子动力学方程,模拟了尘埃晶格,并对影 响尘埃晶格的性质作了一定的讨论。 最后对尘埃空洞实验[R.P.Dahiya et al.,Phys.Rev.Lett.89,125001(2002) ]作了模 拟,并且讨论了实验室中尘埃空洞的形成原因,得到结论为由于圆柱形柱槽状电极在底 部中心部分会形成一个微弱的势阱,此势阱排斥尘埃粒子形成空洞。


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