关于磁重联区三维磁零点的卫星观测研究

磁重联是等离子体中磁场能量快速转换为粒子动能和热能的主要途径,是空间物理和等离子体物理中的重要现象.磁重联过程发生在磁场的拓扑分形面上;这种分形面一般是由磁零点附近磁场梯度张量的本征矢量确定的.磁零点的三维特性要求至少空间4点的同时测量.Cluster计划提供了迄今为止唯一的卫星测量手段.基于Poincare指数方法分析Cluster卫星在地球磁尾的探测数据,(1) 找到了磁重联过程中存在4种磁零点的证据;(2) 发现磁零点周围磁场的空间特征尺度大约为离子惯性长度,从而首次揭示霍尔效应可能在三维磁重联中起重要作用;(3) 在重联区找到匹配的磁零点对,并计算出零点连线的长度,确定了所产生的磁场的拓扑分形面;(4) 发现在零点连线附近存在低杂波频率的电磁振荡,这为磁重联过程中可能的电子加速、加热机制提供了观测基础.     

绝热放电现象和粒子碰撞对磁化尘埃等离子体中低频静电波稳定性的影响

考虑到尘埃绝热放电现象、外磁场、碰撞、离子与尘埃温度之比、电子与离子数密度之比以及斜传播等因素对均匀尘埃等离子体中低频静电波的影响,其中包括高能离子和玻耳兹曼分布电子,运用简正模分析法,得出了低频波的色散关系.研究表明,以上诸因素对低频波有很大影响.研究中包括两种不同的低频波模式.在研究斜传播对低频波的影响时,发现当θ=π/2时,第一种模式是稳定的;而第二种模式存在一个稳定区域,即1.3≤θ≤1.7.     

稀薄等离子体羽流稳态流动粒子模拟

以稳态等离子体推力器羽流为研究对象,基于单元粒子法一直接模拟蒙特卡罗法混合法,建立数值仿真模型,研究流场电势、电子数密度、离子电流密度分布,通过与实测数据及已有模拟结果的比较验证模型.电子动量方程简化中,考虑电子和离子与中性粒子的碰撞效应,采用交替方向隐式法求解等离子体电势,所得仿真结果优于忽略该效应的Boltzmann模型,尤其是在流场翼部.本研究对电推力器的污染评估具有参考价值.     

超高速碰撞电磁效应数值模拟

采用理论分析和数值模拟结合的方法对超高速碰撞产生等离子体问题进行研究. 通过SPH方法,建立二维轴对称模型,针对不同碰撞速度进行数值模拟,对比不同时刻碎片云的形状以及膨胀速度,验证数值模拟的正确性;利用Thomas-Fermi模型,计算超高速碰撞过程中SPH粒子的温度,对于发生汽化的部分考虑其产生的等离子体参数;以统计物理学为基础,基于化学反应动力学原理,建立了非热平衡等离子体电子数密度、电子温度、宏观温度以及内能之间的关系,用以计算超高速碰撞过程中产生等离子体的参数. 给出不同时刻碰撞产生的总电荷数随时间的变化,将数值模拟结果与文献中经验公式结果进行对比,验证了本文中计算超高速碰撞产生等离子体方法的正确性.     

绝热放电现象和粒子碰撞对磁化尘埃等离子体中、低频静电波稳定性的影响

考虑到尘埃绝热放电现象、外磁场、碰撞、离子与尘埃温度之比、电子与离子数密度之比以及斜传播等因素对均匀尘埃等离子体中低频静电波的影响，其中包括高能离子和玻耳兹曼分布电子，运用简正模分析法，得出了低频波的色散关系．研究表明，以上诸因素对低频波有很大影响．研究中包括两种不同的低频波模式．在研究斜传播对低频波的影响时，发现当θ=π／2时，第一种模式是稳定的；而第二种模式存在一个稳定区域，即1.3≤θ≤1.7.     

Tokamak等离子体不同运行模式下产生的自举电流

在给定等离子体密度分布下，从电子、离子的能量方程出发，根据不同运行模式下等离子体的热传导率，分别求出了常规剪切L模式和H模式下，以及中心负剪切模式下等离子体电子、离子的温度分布；再根据自举电流产生机制，分别求出了这些运行模式下的自举电流分布，结果表明：在常规剪切模式下，产生自举电流比较小，特别是在L模式下的自举电流更小；在中心负剪切模式下，产生了较大的自举电流，特别在等离子体边缘区域，自举电流大于所要求的电流分布；由于等离子体中心区域自举电流比较小，为了满足等离子体平衡要求，非感应电流驱动是必不可少的。     

N2/H2辉光放电等离子体电子碰撞电离的Monte Carlo模拟

采用N2/1-12直流辉光放电等离子体综合的Monte Carlo模型,通过计算N2/H2混合气体直流辉光放电等离子体电子碰撞电离及离解电离率,电子密度及电子能量分布函数,研究了H2的浓度对氮辉光放电等离子体电子碰撞电离过程的影响.研究结果表明:随着H2浓度的升高,电子的电离及离解电离碰撞率减少;但在一定的放电条件下,加入少量的H2,可以提高电子碰撞电离及离解电离率,即选取合适的放电参数,加入少量的氢,可以提高放电空间的电子及离子的密度.模型考虑了12种和电子相关的反应,在氮气中加氢的比例为0～30%.这些影响能通过放电中发生的碰撞过程及鞘层厚度的改变得到解释.研究结果为认识N2/H2混合气体辉光放电等离子体过程机理提供参考依据.     

微波电子回旋共振等离子体放电特性研究

为了深刻理解微波电子回旋共振(ECR)等离子体的物理机制、瞬态过程以及空间分布特性,首先利用光栅光谱仪对ECR氮等离子体发射光谱进行了研究,然后利用朗缪尔双探针测量了装置反应室内等离子体密度的空间分布,并分析了放电气压对等离子体空间分布的影响,结果表明: ECR氮等离子体中主要发生的是碰撞激发、碰撞电离,碰撞离解等微观过程,且等离子体的主要成分是激发态的 ;受磁场梯度影响的反应室上游区,等离子体分布不均匀,受等离子体密度梯度影响的下游区,等离子体则具有良好的均匀性;对于特定的微波功率(PW=400W),放电气压存在一个最佳值(p=0.07Pa).     

磁层顶电子剪切流K-H不稳定性

磁层顶是由经过舷激波的太阳风和地磁层相互作用而形成的边界层,其上有电流流动.本文将这种电流看成电子剪切流,来讨论夜侧磁层顶的电子剪切流所引起的Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性问题.电子剪切流受到的洛仑兹力中包括了电场的作用,正是这种作用使得剪切不稳定性要复杂一些.本文对电子剪切流激发的K-H不稳定性进行了细致的分析,从而得知,电子流剪切引起的K-H不稳定性倾向于在磁层顶内侧激发,并且只有当剪切速率在上下两阈值之间时,才可能激发K-H不稳定性.本文对比了夜侧近地磁层顶和磁尾磁层顶,发现当磁层顶两侧电子数密度之比恒定时,高电子数密度的磁层顶侧易产生K-H不稳定性.而磁鞘侧电子数密度n2与磁层侧电子数密度n1之比n2/n1的改变对不稳定性的影响也很显著:较大的n2/n1产生的K-H波主要是在低速区域,其有效增长率较小.     

HT-7托卡马克等离子体电子热扩散系数与等离子体参数的关系

研究了HT-7托卡马克装置欧姆放电情况下电子热扩散系数χe的空间分布以及它与等离子体参数如等离子体中心弦平均密度、等离子体电流的关系。χe沿等离子体小半径的分布是逐渐增大,中心最低χe在等离体1／2小半径处的数值随等离子体的中心弦平均密度增大而降低,随等离子体电流的增大而增大。且硼化后的值比硅化后的值稍小一些。χe比INTOR定标小很多,但与欧姆放电情况下的Merezhkin定标以及Coppi-Mazzucato定标数值差不多。     

碳纳米管薄膜氢等离子体的微波衰减特性

研究了电子碰撞和自由电子密度分布对铁催化高压歧化生成的单壁碳纳米管中氢等离子体微波衰减的影响,运用Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)法理论推导了碳纳米管薄膜氢等离子体的微波衰减系数公式.模拟结果表明,随着单壁碳纳米管薄膜氢等离子体中自由电子密度的线性增加,衰减吸收峰值增加,衰减吸收峰向高频方向移动.随着电子有效碰撞频率的增加,衰减吸收峰向低频方向做微小移动.铁催化高压歧化生成的碳纳米管薄膜中氢等离子体对3-4 GHz的微波产生强烈衰减吸收.     

非均匀动压引起的瞬时局部重联

非均匀动压冲击和冲击突然停止,可能是引起等离子体边界层的局部瞬时重联的一种新机制.用二维可压缩磁流体力学数值模拟方法研究了这两个过程.根据模拟结果,提出了一种新的瞬时重联模型,称为"横向剪切流驱动重联"模型.对这种重联过程在磁层物理中可能的应用进行了讨论.     

电子回旋波控制托卡马克中电流分布的研究

利用电子回旋波电流驱动定域性好的特点,在数值上研究了电子回旋波对托卡马克中电流分布的控制.结果表明:电子回旋波频率、功率和波发射角度对电流分布起重要作用,优化计算得到了一组波参数.在此波参数下可以有效地驱动等离子体中心电流,并使之满足等离子体平衡电流的分布形式.     

三维磁场重联双零点附近的低混杂波的观测

磁场重联是等离子体中一个非常重要的基本物理过程．它能够改变磁场拓扑结构,加热和加速粒子,因而在实验室和自然界等离子体中起着重要的作用．2001年10月1日,Cluster卫星多次穿越磁重联区,Xiao等人首次局地观测到了零点对的存在,并且发现零点振动的功率谱在低混杂波频率附近有最大值．主要研究了双零点附近伴随磁重联过程的位于低混杂波频率附近的电磁波和静电波动增强,并且通过谱分析等确认该波动为准垂直传播的低混杂波．     

中国聚变工程试验堆装置在电流猝灭过程中逃逸电流产生和抑制的数值模拟

中国聚变工程试验堆等离子体电流高达14 MA,等离子体破裂将产生大量逃逸电子,形成巨大的逃逸电流,如不抑制将对装置造成极大的损伤。本文利用托卡马克等离子体破裂的零维模型,数值计算了中国聚变工程试验堆在电流猝灭阶段Dreicer机制产生逃逸种子的雪崩倍增,获得了逃逸电流和逃逸动能随时间的演化关系,并与解析结果进行了对比。研究了影响电子雪崩过程逃逸电流的关键物理因素,发现破裂后等离子体电子温度、密度和有效电荷对逃逸种子电流的产生和逃逸电流的抑制有巨大影响。通过增加电子密度,从而增强碰撞耗散,可以有效抑制破裂后逃逸电流,这对选择合适的方法抑制破裂后的逃逸电子具有积极的意义。     

提高等离子体密度对不同放电条件下逃逸电子行为对比分析

利用硬X射线诊断系统,对比分析了提高等离子体密度对欧姆放电和低杂波电流驱动放电下逃逸电子行为的影响.实验结果表明:在欧姆放电平顶阶段提高等离子体密度能有效抑制强逃逸分布,然而在低杂波关断时提高等离子体密度并没有抑制电子逃逸,反而出现逃逸电子雪崩增长.根据不同逃逸产生机制对该现象进行了对比分析.     

壁处理对HT-7托卡马克欧姆放电时自举电流的影响

分析了HT-7托卡马克壁处理前后欧姆放电时的自举电流占总等离子体电流比例的变化情况.壁处理以后,等离子体的密度分布变宽,等离子体压力梯度在边界较大,边界的电子温度比壁处理前高,从而碰撞频率降低,使得自举电流成份比例从壁处理前的小于5%增大到百分之十几.这一变化解释了壁处理后稳态放电时,等离子体电流可以轻松放大且等离子体电流分布变宽的现象.     

非磁化无碰撞热尘埃等离子体中非线性波的自相似解

通过自相似变换,将描述非磁化无碰撞尘埃等离子体集体运动的非线性偏微分方程组化成常微分方程组,在准中性条件下分别得到了绝热和等温过程的解析解。在中性的初始条件下,用自然界2种实际的尘埃等离子体参数,讨论了绝热过程中尘埃颗粒的分布情况和尘埃温度、尘埃带电荷数以及尘埃相对于离子数密度的比率等因素对尘埃颗粒分布的影响,结果显示：尘埃颗粒多分布在时空边缘,时空中心区域稀疏甚至没有尘埃颗粒,且高温、高带电量以及相对于离子数密度比率高的尘埃等离子体中的尘埃颗粒的分布更趋于时空边缘。     

H+、He2+与Li原子散射过程中电子俘获总截面的理论研究

高剥离离子与靶原子或离子散射过程中电子俘获截面的研究是基础研究中重要的课题.它不仅在原子碰撞物理学中起着很重要的作用,而且在其它领域如:控制热核聚变、等离子体磁约束、等离子体诊断技术及天体物理学中有着重要的应用[1].     

H^＋,He^＋与Li的原子散射过程中电子俘获总截面的理论研究

高剥离离子与靶原子或离子散射过程中电子俘获截面的研究是基础研究中重要的课题.它不仅在原子碰撞物理学中起着很重要的作用,而且在其它领域如:控制热核聚变、等离子体磁约束、等离子体诊断技术及天体物理学中有着重要的应用[1].