螺旋天线轴向长度对螺旋波传播、吸收的影响

采用有限元法数值求解Maxwell方程组,分析H-1仿星器实验参数下螺旋天线的轴向长度对螺旋波传播、吸收的影响。计算结果表明：随着螺旋天线轴向长度的增加,天线总辐射能量和辐射电阻逐渐增大;在H-1等离子体中螺旋天线主要激发m=±1模式波,其中m=-1模式波一般在等离子体边界传播;全波螺旋激发的波能量主要沉积在等离子体边界,导致等离子体径向能量较强的非均匀吸收,加热效果不理想;半波螺旋天线激发的波可深入主等离子体区域传播,等离子体径向能量吸收相对均匀,加热效果好。     

螺旋波等离子体中螺旋波与Trivelpiece-Gould波模式耦合及线性能量沉积特性参量分析

采用有限温度等离子体介电张量模型,在考虑粒子热效应情形下,通过求解传导边界条件下等离子体柱中本征模的色散关系,分析了螺旋波等离子体中典型参量条件下螺旋波与Trivelpiece-Gould (TG)波的耦合特性及线性能量沉积特性.在ω/(2π)=13.56 MHz和T_(eV,i)=0.1 T_(eV,e)参量条件下计算结果表明:对于螺旋波,存在截止静磁场B_(0,H,cutoff)与截止等离子体密度n_(0,H,cutoff),在B_0 B_(0,H,cutoff)或n_0n_(0,H,cutoff)条件下,螺旋波变为消逝波;在ω/ω_(ce)∈(0.01,0.10)范围内,对于m=0角向模,TG波Landau阻尼致使的能量沉积占主导地位,而对于m=1角向模,螺旋波Landau阻尼或TG波Landau阻尼致使的能量沉积哪个占据主导地位则取决于B_0的大小;在ω_(pe)/ω_(ce)∈(3,100)范围内,TG波Landau阻尼致使的能量沉积占主导地位;在整体能量沉积过程中,对于m=0模和m=1模,Landau阻尼致使的能量沉积均占据主导地位.     

电子温度各向异性对螺旋波等离子体中电磁模式的传播及功率沉积特性的影响

采用考虑粒子温度各向异性热等离子体介电张量模型,借助磁化、均匀密度分布等离子体中电磁波的一般色散关系,在低磁场、低气压螺旋波等离子体典型参量条件下,理论分析了电子温度各向异性对电磁模式传播特性和角向对称模功率沉积的影响.研究结果表明:对于给定的纵向静磁场B₀(或波频率ω),存在一个临界波频率ω_cr(或纵向静磁场B_0,cr),当ω>ω_cr(或B₀0,cr)时,电子回旋谐波遭受的阻尼开始显著增大;相比粒子温度各向同性情形,粒子温度各向异性彻底改变了波的传播特性,即相位常数和衰减常数均出现峰值现象;在考虑电子有限拉莫尔半径效应和电子温度各向异性情形下,Trivelpiece-Gould (TG)波碰撞阻尼在整个电磁波功率沉积中占据主导地位,电子纵向温度T_e,//存在某一临界值,在此临界值处TG波功率沉积出现峰值P_abs,TG,且随着T_e,⊥/T_e,//的减小,...     

氩气压力对螺旋波放电影响的发射光谱诊断及仿真研究

螺旋波等离子体源以其高电离效率与高密度优势受到多个领域的青睐。螺旋波放电高电离效率的机理或者功率耦合模式,一直是困扰该领域学者的难点之一,对于放电过程与特性的诊断则是揭示其物理机制的重要途径。光谱诊断能够克服介入式诊断手段对等离子体的干扰同时受等离子体烧蚀等弊端,且响应速度快、操作灵活。为研究螺旋波等离子体的放电特性以及气体压力的影响,开展了以氩气为工质气体的光谱实验研究,并针对实验开展了Helic程序数值模拟。通过改变光纤探头焦距调整径向诊断位置,得到谱线强度的径向分布。由氩原子4p-4s能级跃迁产生的谱线主要集中在740～920 nm区间,谱线相对强度较离子激发谱线较强。实验研究发现,在较低氩气压力范围（0.2 Pa<P_Ar<1.0 Pa）,随着压力增加,放电光强迅速增加,但是当压力增加到大于1.0 Pa之后,光强增长的趋势变缓,甚至部分谱线的相对强度不再增长,达到类饱和状态,朗缪尔探针测量得到离子密度变化趋势与其相似。光强分布在靠近径向边界处（r≈4 cm）存在凸起,且随压力增加,该凸起分布更为明显。通过对电子温度的计算发现,压力增加到一定程度将影响放电均匀性。仿真结果显示,增大压力,功率沉积密度的径向分布逐渐向径向边界处积累,与实验观察到的谱线强度径向凸起相一致,螺旋波与TG波的耦合效率增加。随着气体压力的增加,E_r的径向边界峰值降低,原因是波所受阻尼增强,TG波被有效地局限于径向较窄的边界处。电流密度轴向分量J_z在等离子体内部和边界处的峰值呈显著的减小趋势,可见,虽然压力增加一定程度上提高了等离子体密度,但却相应的减小了电离率,导致轴向电流密度受限。但是径向电流密度J_r却呈现先减小后增大的趋势,且增长幅度明显,综合来看,放电效率有所提高。可见适当增加气体压力,有助于提高放电的功率耦合效率和强度,增加等离子体密度。光强比值法是针对线性谱线参数计算的典型方法,Helic程序亦是专业领域内认可度很高的计算工具,结果可靠,分析方法具有可借鉴性。实验及仿真结果对于提高氩气工质下的螺旋波放电强度提供了一定的参考价值。     

中国聚变工程实验堆等离子体螺旋波阻尼系数的研究

中国聚变工程实验堆(CFETR)是我国自主设计和研制的新一代磁约束聚变装置.基于快波的色散关系,通过理论分析和数值求解等离子体色散函数Z(ξ),获得了螺旋波(快磁声波)与等离子体相互作用波阻尼因子G与等离子体参数和波频率等的关系.研究结果表明:在CFETR等离子体放电参数下,螺旋波能够产生显著的离轴波功率沉积和波驱动电流,波与等离子体相互作用的主要物理机制是电子朗道阻尼.此外,螺旋波阻尼系数与发射波(谱)的平行折射率和等离子体参数密切相关,但总是随着波频率增加而变大.对CFETR装置混合运行模式的GENRAY/CQL3D模拟研究结果表明, 800 MHz的螺旋波能够在r≈0.5a处产生显著的波功率沉积和波驱动电流,驱动电流的效率约为50 kA/MW.     

电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响

采用一般的径向密度非均匀分布假设,借助温等离子体介电张量模型,利用磁化等离子体中电磁波的一般色散关系,在高密度峰值、低磁场、低气压典型参量条件下,重点分析了电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响.研究结果表明:在典型螺旋波等离子体电子温度范围(3, 8) e V内,电子有限拉莫尔半径效应应当予以考虑,而离子有限拉莫尔半径效应可以忽略.低磁场条件下|n|> 1次回旋谐波对介电张量元素的贡献可以忽略.碰撞阻尼在功率沉积中占据主导地位,功率沉积在偏离等离子体柱中心轴的某一径向位置出现峰值,随着轴向电子温度T_{e, z}的增大,功率沉积强度逐渐增强.相比等离子体温度各向同性情形,等离子体温度各向异性显著改变了螺旋波m=1角向模的功率沉积特性,电子温度各向异性因子χ=T_e,⊥/T_{e, z}的增大或减小均导致功率沉积强度发生剧烈改变.     

高通鸟笼线圈激发螺旋波等离子体特性研究

研制了高通鸟笼线圈,使用氩气作为工质气体对射频天线的工作性能进行了初步评估。利用COMSOL5.4模拟出了鸟笼天线在13.56MHz的工作频率下,电场和磁场呈线性极化分布。对鸟笼线圈进行了电路结构解剖,推导出了其谐振频率计算公式。利用热耦合红外测温仪测试了正常工作状态下的鸟笼线圈外表温度明显低于传统射频天线,电容器最高温度仅65.8°。使用光谱仪对螺旋波等离子体放电光谱特性进行诊断。通过朗缪尔探针诊断了不同压强和磁场强度下螺旋波等离子体密度,在1.0Pa、600Gs、射频功率700W条件下等离子体密度达到1.62×10¹⁸m^-3。诊断了正向功率和反向功率对应的等离子体密度,其与磁滞现象变化趋势雷同。测试了螺旋波等离子体的径向密度分布,其在轴心处密度达到最高。探究了无磁场条件下等离子体特性,其密度值不会发生大幅度跃迁,纵向磁场是引发螺旋波等离子体放电的关键因素,低压条件下有利于得到更低的电子温度,最低达到2.67eV。表明鸟笼线圈低热耗、高馈入的特性使其在激发大体积的高密度螺旋波等离子体方面具有明显优势,可以投入到下一阶段氢气螺旋波等离子体的激...     

LEAD螺旋波射频等离子体电子能量分布函数的测量

通过电压扫描探针测量了LEAD装置螺旋波射频等离子体伏安特性曲线和电子能量分布函数,并对等离子体基本参数剖面如电子温度、密度、等离子体电位和鞘电位降系数等进行了计算.实验发现在LEAD装置半径5cm以内的位置电子能量分布函数都遵循麦克斯韦分布.而在半径7cm附近,即与射频源线圈处于相同径向位置,电子能量呈现出典型的双麦...     

螺旋波等离子体放电三维直接数值模拟

在详细考虑电化学反应和粒子碰撞关系的基础上,建立了螺旋波放电三维直接数值计算模型,舍弃以往模型小扰动假设,对Maxwell方程组直接求解以计算电磁场能量沉积份额,扩展了螺旋波等离子体计算模型的精度和适用范围.以Ar为工质气体的仿真结果显示:密度跃升效应和电子温度与放电压力的关系与Toki等和Chen的实验结果符合较好;与经典鞘层理论对比,在粒子数密度、德拜长度、电势以及电子温度的分布上取得高度一致,验证了模型的有效性和精度.利用本文模型研究了低场螺旋波放电过程中的磁场峰值现象,验证了放电室端面的波干涉机理,并发现波干涉的本质是螺旋波分量与其端面回波叠加形成的驻波.     

低磁场下驻波对螺旋波等离子体均匀性的影响

螺旋波放电具有很高的耦合效率,作为一种高密度等离子体源在材料表面处理、薄膜沉积、离子推进器等领域具有广阔的应用前景.不同的波模式下能量耦合的方式直接关系到源区的等离子体分布,进而影响扩散腔中材料的处理和沉积薄膜的均匀性.本文通过电特性(功率-电流)曲线、增强型电荷耦合相机和磁探针诊断等方式对螺旋波等离子体源中出现的角向不均匀性进行研究,认为天线下端出现的驻波螺旋波可能是造成这种现象的关键因素.     

Langmuir probe study in the nonresonant current drive regime of helicon discharge

Characterization of the current drive regime is done for helicon wave-generated plasma in a torus, at a very high operating frequency. A radiofrequency-compensated Langmuir probe is designed and used for the measurement of plasma parameters along with the electron energy distributions in radial scans of the plasma. The electron energy distribution patterns obtained in the operational regime suggest that Landau damping cannot be responsible for the efficient helicon discharge in the present study. A typical peaked radial density profile, high plasma temperature and absence of an appreciable amount of energetic electrons for resonant wave-particle interactions, suggest that the chosen operational regime is suitable for the study of nonresonant current drive by helicon wave. Successful and significant current drive achieved in our device clearly demonstrates the capability of nonresonant current drive by helicon waves in the present operational regime.      

m=±1 and m=±2 mode helicon wave excitation

The characteristics of plasma produced by plane polarized m=±1 and m=±2 mode helicon waves were investigated for the first time. Plane polarized m=±1 and m=±2 mode helicon waves were mainly excited using a Nagoya type III antenna and a quadrupole antenna, respectively. Two-dimensional cross-field measurements of ArII optical emission induced by hot electrons were made to investigate the RF power deposition. The components of the wave magnetic field measured with a magnetic probe were compared with the field profiles computed for the m=±1 and m=±2 modes. Two and four high intensity plasma columns were observed for the m=±1 and m=±2modes, respectively. These columns were located at the regions between the antenna legs. The radial profiles of the wave magnetic field were in good agreement with computations     

Propagation and conversion of non-axisymmetric modes in non-uniform helicon-sustained plasma

An effect of the radial plasma density gradient on the oblique wave propagation in the helicon-frequency range is investigated. It is shown that the dispersion features of electrostatic and electromagnetic modes are essentially changed in strongly non-uniform helicon plasma. In particular, the transition between helicon eigenmode frequency scales ω ～ k _z and ω ～ k _z ² is demonstrated. The process of total conversion of long-wavelength helicon mode into short-wavelength electrostatic wave in near-axis region of a plasma column is analysed. Due to modification of the wave dispersion relations, the densities at which the mode conversion occurs are considerably reduced if the density gradient is steep enough. The estimation of collisionless axial damping rate of helicon mode connected with linear mode conversion is presented. This damping is compared with the usual collision damping.     

电磁波在磁化等离子体表面的功率反射系数计算研究

采用等效输入阻抗方法计算金属平板前非均匀磁化等离子体层对垂直入射电磁波的功率反射系数，结果表明，电子数密度大小、等离子体层厚度、入射波频率和外磁场是功率反射系数的主要影响因素.电子数密度取值必须合适，外加磁场才能明显降低等离子体对入射电磁波的功率反射系数.入射电磁波频率增加时，必须加大外磁场强度，才能明显降低功率反射系数. 关键词： 等离子体中电磁波的传输 等离子体特性 电磁波     

托卡马克中快波电流驱动下全波方程的数值求解

用全波方法研究环形对称托卡马克等离子体中离子回旋频率范围内(ICRF)的快波电流驱动(FWCD)问题,考虑有限拉莫尔半径(FLR)效应和平行色散,建立全波计算的物理模型—全波方程,通过对全波方程的数值求解得到快波在等离子体中激发的电场强度分布.结果表明:快波可以传播到高温高密度等离子体的中心;快波在磁轴附近发生了模式转换;快波可以驱动中心的等离子体电流以改善等离子体的平衡位型;平行电场比垂直电场小三个数量级,通过垂直方向的回旋共振和平行方向的穿越期磁泵效应达到驱动电流的目的.     

短管螺旋波放电中等离子体参数测量和模式转化研究

对长度为45 cm的短放电管螺旋波放电等离子体进行了Langmuir探针、原子发射光谱以及集成电荷耦合检测器(ICCD)检测诊断,研究螺旋波等离子体的放电特性.Langmuir探针数据显示电子密度在射频功率增加过程中出现两次大幅增长,由此确认了放电模式的转换及螺旋波放电模式的出现.发射光谱测量结果与Langmuir探针测量的电子密度数据一致,发现Ar原子和Ar离子的谱线强度与放电模式变化有着密切相关性.而通过对不同放电模式的ICCD测量,获得射频功率吸收因放电模式转变而变化的方式,认为放电模式转换时电子行为和能量传递方式也发生着变化.     

激光等离子体不稳定性的入射光强度效应

用3维粒子模拟程序研究了相对论强激光和高密度等离子体相互作用引起的电磁不稳定。数值模拟表明,在线偏振强激光作用下,等离子体表面出现了电磁不稳定性。形成的不稳定结构随时间发展和激光功率密度的增加进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体表面处激发饱和自生磁场。这种由电子速度各向异性而产生的自生磁场对激光有质动力推开电子时所形成的电子热流产生抑制作用,并将直接影响电子加速效率。     

Relativistic nonlinear waves in a magnetised plasma

Relativistic propagation of a nonlinearly-coupled circularly-polarised electromagnetic wave and a Langmuir wave along the applied magnetic field is considered. Analytical solutions are given or are indicated for some special cases like purely transverse waves and purely longitudinal waves. In the presence of an applied magnetic field, the incident circularly polarised electromagnetic wave is found to propagate further into denser regions of the plasma — a result which is in accord with the so-called inverse Faraday effect. Finally, we shall consider general coupled transverse and longitudinal waves for which we give an approximate solution. We investigate whether this system of coupled waves exhibits any internal resonances and consequent energy exchange between them.