聚變等離子體鞘層中塵埃顆粒的特性研究.pdf

1、磁約束托卡馬克等離子體與面壁材料相互作用產(chǎn)生的塵埃，一方面影響托卡馬克裝置的安全問題，另一方面影響等離子體約束性能的提高。鞘層是聯(lián)系等離子體與面壁材料表面相互作用的重要紐帶。對塵埃顆粒在等離子體鞘層中的特性研究，有助于對塵埃在邊界等離子體中輸運的認識、更好地理解塵埃與等離子體的相互作用。本文用流體模型研究了聚變等離子體鞘層中塵埃顆粒的特性。
　　進入等離子體中的塵埃顆粒受到電子離子的作用而帶電，利用軌道限制理論研究了塵埃顆粒在等離

2、子體中的充電特性。結(jié)果顯示若不考慮塵埃表面的電子發(fā)射，在中性等離子體區(qū)域，塵埃帶負電，并且塵埃顆粒的半徑越大，等離子體的密度越小以及電子的溫度越高，都將導(dǎo)致塵埃顆粒充電達到平衡的時間越短。塵埃顆粒半徑和等離子體中離子質(zhì)量數(shù)越大，都會導(dǎo)致充電平衡時塵埃攜帶更多的電荷數(shù)。通過對聚變等離子體鞘層中不同尺寸塵埃顆粒穿越鞘層時間和充電弛豫時間的計算分析，發(fā)現(xiàn)納米量級的塵埃顆粒進入鞘層時，穿越鞘層的時間遠小于塵埃顆粒在鞘層中任意位置的充電時間，進入

3、鞘層后塵埃帶電量可被視為常數(shù);而微米量級的塵埃穿越鞘層的時間遠大于在鞘層中任意位置的充電時間，進入鞘層中不同位置充電攜帶電量則滿足局域平衡。
　　對于穿越鞘層的時間遠大于充電弛豫時間的塵埃顆粒，采用一維坐標(biāo)空間三維速度空間的流體模型研究了塵埃顆粒在鞘層中的特性。結(jié)果顯示塵埃顆粒進入鞘層后，磁場力和重力對塵埃顆粒的影響很小，在鞘邊主要受離子拖拽力作用，遠離鞘邊則主要受電場力的影響，并且電場力在鞘層中大部分空間占主導(dǎo)地位。處于鞘層中的

4、塵埃顆粒，沿鞘層空間的密度逐漸增加、速度逐漸減小。離子到達鞘邊的速度越大以及離子的溫度越高，都將使得鞘層中塵埃顆粒速度變小、密度增大。
　　對于穿越鞘層的時間遠小于充電弛豫時間的塵埃顆粒，研究了兩種正離子的等離子鞘層結(jié)構(gòu)以及塵埃顆粒在其中的懸浮特性。在兩種正離子的等離子體鞘層中，質(zhì)量數(shù)相對越大的正離子的存在，將會導(dǎo)致鞘層寬度和器壁臨界二次電子發(fā)射增加、器壁電勢和沉積到器壁的離子動能流降低;當(dāng)含有另外一種質(zhì)量數(shù)相對較小的正離子，給鞘

5、層空間參數(shù)帶來的影響與質(zhì)量數(shù)較大的正離子則相反。結(jié)合兩種正離子等離子鞘層的特點，以氫等離子體中含有氬離子為例，用單粒子模型研究了塵埃顆粒由鞘邊進入兩種正離子鞘層中的特性。結(jié)果顯示，氫等離子體中氬離子的存在，導(dǎo)致塵埃顆粒能夠攜帶更多的負電荷。通過對進入鞘層中的塵埃顆粒的受力分析，發(fā)現(xiàn)只有攜帶負電的塵埃能夠懸浮于鞘層空間，并且半徑越小的塵埃顆粒懸浮的位置越靠近鞘邊，半徑較大的塵埃懸浮于鞘層中間，緊靠器壁位置沒有能夠懸浮的塵埃顆粒。在氫等離子