柵網(wǎng)附近離子波動模式激發(fā)機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動基礎(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模式．但無論理論還是實驗上對離子波模激發(fā)機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)機理和演化特征，在等

2、離子體集體波動的基礎(chǔ)性研究中具有重要的意本文從實驗上系統(tǒng)地研究了在改進型雙等離子體裝置中使用柵網(wǎng)激發(fā)的各種離子波動模式的激發(fā)機制和傳播特性，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)射探針仔細地測量了負偏壓柵網(wǎng)鞘層電位的分布以及變化各種放電參數(shù)時等離子體狀態(tài)的改變．實驗測量結(jié)果和經(jīng)典的離子鞘和預(yù)鞘模型符合得很好，這為理解波動的激發(fā)機理提供了一個基礎(chǔ)．我們也考察了柵網(wǎng)和探針正

3、偏壓時的電子鞘特征，很好地理解了探針對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，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．實驗結(jié)果表日月1用金屬平板作激發(fā)源時只能激發(fā)單一的壓縮或稀疏離子聲波，其幅度始終是衰減的． 使用負偏壓的柵網(wǎng)作激發(fā)源時，部分離子可以透過柵網(wǎng)成為以Bohm速度進入預(yù)鞘區(qū)的出射束離子．預(yù)鞘區(qū)同時存在

4、大量由柵網(wǎng)未影響區(qū)域擴散過來的等離子體離子，因此柵網(wǎng)的預(yù)鞘區(qū)可以看作是一個局域的束-等離子體系統(tǒng)．當柵網(wǎng)直徑較小時，預(yù)鞘區(qū)的束離子密度較小，此時存在兩支本征模：穩(wěn)定的快離子束模和增長率較小的不穩(wěn)定波模．此外，在使用上升沿信號激發(fā)波動時，如果激發(fā)信號上升時間較小，激發(fā)幅度較大，那么柵網(wǎng)鞘層內(nèi)的離子就會在瞬間以幾倍于離子聲速的速度進入預(yù)鞘區(qū)，成為一群自由運動的進發(fā)離子．實驗發(fā)現(xiàn)，當進發(fā)離子整體定向速度接近并且略大于離子聲速時，就會與快離子束

5、模發(fā)生較強的逆Landau阻尼，使得穩(wěn)定的快離子束模幅度增長．在中心等離子體區(qū)，由于束離子被同化為等離子體離子，快離子束模會演化為類離子聲孤立子． 使用較大的柵網(wǎng)激發(fā)波動時，由于預(yù)鞘區(qū)出射束離子密度的增加，不穩(wěn)定本征波模的增長率也會增加．在傳播的過程中不穩(wěn)定波模迅速增長，并且俘獲定向運動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，對應(yīng)于不穩(wěn)定波模的相速度．當使用直徑略小

6、于真空室內(nèi)徑的隔離柵網(wǎng)時，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，波模特征會發(fā)生比較明顯的變化．順流激發(fā)時，無論是離子聲波還是進發(fā)離子模，其相速度都會比逆流激發(fā)時大，并且幅度衰減更慢一些． 最后應(yīng)用約化擾動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．塵埃電荷的非準靜態(tài)變化提供了一種新的耗散機制，這對于激波的形成至關(guān)重要．理論結(jié)果表明，對于慢時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，塵埃所帶負電荷絕對值會減小，但是塵埃上負電荷的份額卻會增加．因此塵埃聲激波的相速度會先增加后減小，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表現(xiàn)出相對復(fù)雜的變化關(guān)系．

8、 在較快的離子運動時間尺度下，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，方程中的非線性項系數(shù)會經(jīng)歷從負值到正值的躍遷，這是在均勻等離子體里面沒有的．當跨越這個轉(zhuǎn)換點時，塵埃離子聲波的屬性會發(fā)生較大的變化．如果考慮塵埃電荷變化，非線性項系數(shù)不再變號，由充電過程產(chǎn)生的反常耗散效應(yīng)則會對波動產(chǎn)生巨大的影響．數(shù)值計算表明，在方程中非線性項系數(shù)變號時，由于色散效應(yīng)和非線性項系數(shù)變號的影響，初始擾動