柵網(wǎng)附近離子波動(dòng)模式激發(fā)機(jī)理和塵埃離子聲波非線性演化的研究.pdf

1、線性和非線性離子波動(dòng)模式的激發(fā)和傳播特征一直是等離子體物理中令人感興趣的問題，不僅在等離子體集體運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)研究中具有重要意義，而且在等離子體診斷和波加熱等領(lǐng)域也具有實(shí)際應(yīng)用．這類研究工作大多在穩(wěn)態(tài)和雙等離子體裝置上進(jìn)行．在雙等離子體裝置中，使用柵網(wǎng)可以激發(fā)各種線性和非線性的離子波動(dòng)模式．但無(wú)論理論還是實(shí)驗(yàn)上對(duì)離子波模激發(fā)機(jī)理的解釋都比較粗淺、缺乏系統(tǒng)研究．因此建立柵網(wǎng)激發(fā)離子波模的模型，探索各種激發(fā)條件下離子波模的激發(fā)機(jī)理和演化特征，在等

2、離子體集體波動(dòng)的基礎(chǔ)性研究中具有重要的意本文從實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)地研究了在改進(jìn)型雙等離子體裝置中使用柵網(wǎng)激發(fā)的各種離子波動(dòng)模式的激發(fā)機(jī)制和傳播特性，并從理論上研究了在非均勻等離子體條件下非線性塵埃聲激波和塵埃離子聲波的演化特征． 首先，本文利用發(fā)射探針仔細(xì)地測(cè)量了負(fù)偏壓柵網(wǎng)鞘層電位的分布以及變化各種放電參數(shù)時(shí)等離子體狀態(tài)的改變．實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和經(jīng)典的離子鞘和預(yù)鞘模型符合得很好，這為理解波動(dòng)的激發(fā)機(jī)理提供了一個(gè)基礎(chǔ)．我們也考察了柵網(wǎng)和探針正

3、偏壓時(shí)的電子鞘特征，很好地理解了探針對(duì)于等離子體電流的收集特性． 其次，本文使用三種不同尺寸的柵網(wǎng)以及金屬平板作為激發(fā)源，通過改變激發(fā)源上的直流偏壓并施加不同形狀的斜坡激發(fā)信號(hào)，可以改變柵網(wǎng)上電壓的跳變，從而激發(fā)不同的離子波模．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表日月1用金屬平板作激發(fā)源時(shí)只能激發(fā)單一的壓縮或稀疏離子聲波，其幅度始終是衰減的． 使用負(fù)偏壓的柵網(wǎng)作激發(fā)源時(shí)，部分離子可以透過柵網(wǎng)成為以Bohm速度進(jìn)入預(yù)鞘區(qū)的出射束離子．預(yù)鞘區(qū)同時(shí)存在

4、大量由柵網(wǎng)未影響區(qū)域擴(kuò)散過來(lái)的等離子體離子，因此柵網(wǎng)的預(yù)鞘區(qū)可以看作是一個(gè)局域的束-等離子體系統(tǒng)．當(dāng)柵網(wǎng)直徑較小時(shí)，預(yù)鞘區(qū)的束離子密度較小，此時(shí)存在兩支本征模：穩(wěn)定的快離子束模和增長(zhǎng)率較小的不穩(wěn)定波模．此外，在使用上升沿信號(hào)激發(fā)波動(dòng)時(shí)，如果激發(fā)信號(hào)上升時(shí)間較小，激發(fā)幅度較大，那么柵網(wǎng)鞘層內(nèi)的離子就會(huì)在瞬間以幾倍于離子聲速的速度進(jìn)入預(yù)鞘區(qū)，成為一群自由運(yùn)動(dòng)的進(jìn)發(fā)離子．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)發(fā)離子整體定向速度接近并且略大于離子聲速時(shí)，就會(huì)與快離子束

5、模發(fā)生較強(qiáng)的逆Landau阻尼，使得穩(wěn)定的快離子束模幅度增長(zhǎng)．在中心等離子體區(qū)，由于束離子被同化為等離子體離子，快離子束模會(huì)演化為類離子聲孤立子． 使用較大的柵網(wǎng)激發(fā)波動(dòng)時(shí)，由于預(yù)鞘區(qū)出射束離子密度的增加，不穩(wěn)定本征波模的增長(zhǎng)率也會(huì)增加．在傳播的過程中不穩(wěn)定波模迅速增長(zhǎng)，并且俘獲定向運(yùn)動(dòng)速度與其相速度接近的束離子，從而形成一種離子相空間的非線性渦旋結(jié)構(gòu)：離子洞．離子洞的相速度小于離子聲速，對(duì)應(yīng)于不穩(wěn)定波模的相速度．當(dāng)使用直徑略小

6、于真空室內(nèi)徑的隔離柵網(wǎng)時(shí)，激發(fā)了穩(wěn)定的快慢離子束模，并考察了快離子束模和小柵網(wǎng)激發(fā)的離子波模之間的迎頭碰撞．結(jié)果表明，這些波模在碰撞前后保持形狀不變，在碰撞的過程中滿足線性疊加的關(guān)系． 在上述波模的激發(fā)過程中，由于等離子體密度非均勻性的存在，波模特征會(huì)發(fā)生比較明顯的變化．順流激發(fā)時(shí)，無(wú)論是離子聲波還是進(jìn)發(fā)離子模，其相速度都會(huì)比逆流激發(fā)時(shí)大，并且幅度衰減更慢一些． 最后應(yīng)用約化擾動(dòng)方法從理論上研究了非均勻背景下塵埃聲激波和

7、非線性塵埃離子聲波的演化特征．塵埃電荷的非準(zhǔn)靜態(tài)變化提供了一種新的耗散機(jī)制，這對(duì)于激波的形成至關(guān)重要．理論結(jié)果表明，對(duì)于慢時(shí)間尺度的塵埃聲激波，在忽略色散的情況下，其傳播可以用修正后的Burgers方程描述．沿著等離子體密度減小的方向，塵埃所帶負(fù)電荷絕對(duì)值會(huì)減小，但是塵埃上負(fù)電荷的份額卻會(huì)增加．因此塵埃聲激波的相速度會(huì)先增加后減小，其特征寬度則迅速增加．由于非均勻性和碰撞阻尼的聯(lián)合影響，塵埃聲激波的幅度會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)復(fù)雜的變化關(guān)系．

8、 在較快的離子運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度下，同樣可以求得描述非線性塵埃離子聲波傳播的KdV-Burgers方程．不考慮塵埃電荷變化時(shí)，方程中的非線性項(xiàng)系數(shù)會(huì)經(jīng)歷從負(fù)值到正值的躍遷，這是在均勻等離子體里面沒有的．當(dāng)跨越這個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，塵埃離子聲波的屬性會(huì)發(fā)生較大的變化．如果考慮塵埃電荷變化，非線性項(xiàng)系數(shù)不再變號(hào)，由充電過程產(chǎn)生的反常耗散效應(yīng)則會(huì)對(duì)波動(dòng)產(chǎn)生巨大的影響．?dāng)?shù)值計(jì)算表明，在方程中非線性項(xiàng)系數(shù)變號(hào)時(shí)，由于色散效應(yīng)和非線性項(xiàng)系數(shù)變號(hào)的影響，初始擾動(dòng)