電子磁流體中的磁場重聯(lián)不穩(wěn)定性的理論研究.pdf

1、磁場重聯(lián)是等離子體中的一種基本的輸運(yùn)機(jī)制，它是磁能轉(zhuǎn)化成等離子體能量的一種最主要的機(jī)制，對等離子體加熱和粒子的加速等都起到很大的作用。幾乎在所有的快速，宏觀的等離子體物理過程中，磁場重聯(lián)都扮演著關(guān)鍵性的角色。撕裂模不穩(wěn)定性是非穩(wěn)態(tài)的磁場重聯(lián)，它是托卡馬克裝置中最危險(xiǎn)的不穩(wěn)定性之一，會引起等離子體約束的大破裂。因此，研究磁場重聯(lián)和撕裂模不穩(wěn)定性是非常必要的。磁場重聯(lián)的產(chǎn)生機(jī)制一直是大家關(guān)注的熱點(diǎn)問題，目前認(rèn)為磁場重聯(lián)是發(fā)生在電子慣性尺度范

2、圍內(nèi)的，且電子慣性有可能起到很大的作用。為了更好的研究磁場重聯(lián)的產(chǎn)生機(jī)制，我們采用了電子磁流體模型對磁場重聯(lián)不穩(wěn)定性的各種效應(yīng)進(jìn)行了研究。電子磁流體模型是描述發(fā)生在哨聲波波頻范圍，電子慣性尺度范圍的等離子體中的快速的小尺度現(xiàn)象，正適合于來更好的研究磁場重聯(lián)的產(chǎn)生機(jī)制，另一方面，磁場重聯(lián)不穩(wěn)定性在這個(gè)尺度范圍內(nèi)的性質(zhì)和在磁流體中的性質(zhì)是有很大的不同的，且電子磁流體模型是比較簡單的流體模型。因此，我們有必要在這個(gè)模型里對磁場重聯(lián)不穩(wěn)定性的各

3、種效應(yīng)進(jìn)行重新的分析。本文，正是采用這個(gè)模型，對磁場重聯(lián)不穩(wěn)定性，特別是撕裂模不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。主要有以下三方面的內(nèi)容： 1，對電子粘滯(μ<,e>)效應(yīng)對電子磁流體中的磁場重聯(lián)不穩(wěn)定性進(jìn)行的研究中，我們得到了描述在哨聲波波頻區(qū)域內(nèi)，電子粘滯對磁場重聯(lián)不穩(wěn)定性影響的普遍的色散關(guān)系，并對磁場重聯(lián)不穩(wěn)定性的增長率在“常-ψ”近似和低波數(shù)區(qū)域分別進(jìn)行了解析分析。我們發(fā)現(xiàn)在“常-ψ”近似下，增長率與電子粘滯的關(guān)系為γ∝μ<,e><'1

4、/4>(電子磁流體中的撕裂模不穩(wěn)定性)；在低波數(shù)區(qū)域有γ∝μ<,e><'1/8>。這都與電子粘滯對磁流體中的撕裂模的影響的關(guān)系不同。我們得到，當(dāng)電子粘滯系數(shù)很小時(shí)，電子磁流體中磁場重聯(lián)的增長率減小得比它在磁流體中慢得多，這就意味著電子磁流體中的磁場重聯(lián)的速率更快。 2，我們采用修正的包含電子壓強(qiáng)梯度效應(yīng)的可壓縮電子磁流體方程對撕裂模不穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到了電子壓強(qiáng)梯度對撕裂模不穩(wěn)定性的影響的色散關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)電子壓強(qiáng)梯度對電子磁

5、流體中的撕裂模不穩(wěn)定性起到失穩(wěn)的作用，會提高其增長率，這與其在磁流體中的撕裂模不穩(wěn)定性的影響是完全相反的。在磁流體中，電子壓強(qiáng)梯度對撕裂模不穩(wěn)定性起劍抑制作用。在分析中，我們發(fā)現(xiàn)，由于電子壓強(qiáng)梯度的存在，電子磁流體中的撕裂模不穩(wěn)定性發(fā)生了漂移，存在一支不穩(wěn)定性模，一支純振蕩模，和其它的穩(wěn)定模。對于壓強(qiáng)梯度比較大的情況，在可壓縮電子磁流體中，我們得到增長率與壓強(qiáng)梯度(X<,p0>)的關(guān)系為γ∝ d<,e><'2>λ<,-2/3>X<,p0

6、><'1/3>(λ表示可壓縮效應(yīng))；而在不可壓縮電子磁流體中，有γ∝d<,e><'4/5> X<,p0><'3/5>(d<,e>為電子慣性趨膚長度)?？梢钥吹?，可壓縮和不可壓縮流體中，增長率是有很大不同的。 3，我們利用準(zhǔn)線性方法對非線性撕裂模不穩(wěn)定進(jìn)行研究，得到了電子粘滯對電子磁流體中的撕裂模不穩(wěn)定性影響的統(tǒng)一時(shí)間演化表達(dá)式，包含了線性階段，過渡階段和非線性階段。在推導(dǎo)中，我們避免使用磁面平均的方法，這是由于這種方法會把磁通演