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栅网附近离子波动模式激发机理和尘埃离子声波非线性演化的研究

肖德龙  
【摘要】: 线性和非线性离子波动模式的激发和传播特征一直是等离子体物理中令人感兴趣的问题,不仅在等离子体集体运动基础研究中具有重要意义,而且在等离子体诊断和波加热等领域也具有实际应用。这类研究工作大多在稳态和双等离子体装置上进行。在双等离子体装置中,使用栅网可以激发各种线性和非线性的离子波动模式。但无论理论还是实验上对离子波模激发机理的解释都比较粗浅,缺乏系统研究。因此建立栅网激发离子波模的模型,探索各种激发条件下离子波模的激发机理和演化特征,在等离子体集体波动的基础性研究中具有重要的意义。 本文从实验上系统地研究了在改进型双等离子体装置中使用栅网激发的各种离子波动模式的激发机制和传播特性,并从理论上研究了在非均匀等离子体条件下非线性尘埃声激波和尘埃离子声波的演化特征。 首先,本文利用发射探针仔细地测量了负偏压栅网鞘层电位的分布以及变化各种放电参数时等离子体状态的改变。实验测量结果和经典的离子鞘和预鞘模型符合得很好,这为理解波动的激发机理提供了一个基础。我们也考察了栅网和探针正偏压时的电子鞘特征,很好地理解了探针对于等离子体电流的收集特性。 其次,本文使用三种不同尺寸的栅网以及金属平板作为激发源,通过改变激发源上的直流偏压并施加不同形状的斜坡激发信号,可以改变栅网上电压的跳变,从而激发不同的离子波模。实验结果表明,用金属平板作激发源时只能激发单一的压缩或稀疏离子声波,其幅度始终是衰减的。 使用负偏压的栅网作激发源时,部分离子可以透过栅网成为以Bohm速度进入预鞘区的出射束离子。预鞘区同时存在大量由栅网未影响区域扩散过来的等离子体离子,因此栅网的预鞘区可以看作是一个局域的束-等离子体系统。当栅网直径较小时,预鞘区的束离子密度较小,此时存在两支本征模:稳定的快离子束模和增长率较小的不稳定波模。此外,在使用上升沿信号激发波动时,如果激发信号上升时间较小,激发幅度较大,那么栅网鞘层内的离子就会在瞬间以几倍于离子声速的速度进入预鞘区,成为一群自由运动的迸发离子。实验发现,当迸发离子整体定向速度接近并且略大于离子声速时,就会与快离子束模发生较强的逆Landau阻尼,使得稳定的快离子束模幅度增长在中心等离子体区,由于束离子被同化为等离子体离子,快离子束模会演化为类离子声孤立子。迸发使用较大的栅网激发波动时,由于预鞘区出射束离子密度的增加,不稳定本征波模的增长率也会增加.在传播的过程中不稳定波模迅速增长,并且俘获定向运动速度与其相速度接近的束离子,从而形成一种离子相空间的非线性涡旋结构:离子洞。。离子洞的相速度小于离子声速,对应于不稳定波模的相速度。当使用直径略小于真空室内径的隔离栅网时,激发了稳定的快慢离子束模,并考察了快离子束模和小栅网激发的离子波模之间的迎头碰撞。结果表明,这些波模在碰撞前后保持形状不变,在碰撞的过程中满足线性叠加的关系。 在上述波模的激发过程中,由于等离子体密度非均匀性的存在,波模特征会发生比较明显的变化。顺流激发时,无论是离子声波还是迸发离子模,其相速度都会比逆流激发时大,并且幅度衰减更慢一些。 最后应用约化扰动方法从理论上研究了非均匀背景下尘埃声激波和非线性尘埃离子声波的演化特征。尘埃电荷的非准静态变化提供了一种新的耗散机制,这对于激波的形成至关重要。理论结果表明,对于慢时间尺度的尘埃声激波,在忽略色散的情况下,其传播可以用修正后的Burgers方程描述。沿着等离子体密度减小的方向,尘埃所带负电荷绝对值会减小,但是尘埃上负电荷的份额却会增加。因此尘埃声激波的相速度会先增加后减小,其特征宽度则迅速增加。由于非均匀性和碰撞阻尼的联合影响,尘埃声激波的幅度会表现出相对复杂的变化关系。 在较快的离子运动时间尺度下,同样可以求得描述非线性尘埃离子声波传播的KdV-Burgers方程。不考虑尘埃电荷变化时,方程中的非线性项系数会经历从负值到正值的跃迁,这是在均匀等离子体里面没有的。当跨越这个转换点时,尘埃离子声波的属性会发生较大的变化。如果考虑尘埃电荷变化,非线性项系数不再变号,由充电过程产生的反常耗散效应则会对波动产生巨大的影响。数值计算表明,在方程中非线性项系数变号时,由于色散效应和非线性项系数变号的影响,初始扰动信号在传播的过程中会形成扰动波串。如果考虑了尘埃电荷变化,极强的耗散效应将会导致波幅度的衰减和特征宽度的增加,而不会出现波形的畸变。


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