磁场对螺旋波等离子体波和能量吸收影响的数值研究

本文考察在径向电子数密度呈抛物形分布的情况下,外加稳恒磁场,射频通过螺旋波天线在等离子体中激发电磁波的传播性质.采用线性扰动波假设,数值求解Maxwell方程组,得到80—800 G(1 G=10-4T)磁场条件下等离子体中径向电、磁场强度及能量沉积密度的分布情形.计算结果表明,磁场增大(80→800G)时,螺旋波受到的阻尼较小,可深入等离子体传播;Trivelpiece-Gould(TG)波受到的阻尼增大,在等离子体-真空边界处衰减增强;整体的能量吸收向边界集中.磁感应强度小于100 G时,TG波可深入主等离子体区传播,等离子体径向能量吸收相对均匀.     

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,...     

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.     

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.     

右旋偏振波对高密度等离子体的穿透实验

本文分析了右旋偏振波穿透高密度等离子体的条件,给出了理论根据及原理性实验的结果。实验证实,当ω_(ce)≈2ω时,右旋偏振波(哨波模)可以穿透很高密度的等离子体(ω_(pe)~2>>ω~2),并可能成为克服“再入”时“黑障”的一个途径。     

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。     

非磁化冷等离子体柱中的模式辐射特性分析

利用亥姆霍兹方程和场匹配法,推导出了被圆柱介质管包裹的均匀非磁化冷等离子体柱中各角向模的色散关系.数值计算并分析了角向对称模(m=0模)、非角向对称模(m≠0模)的色散特性以及在不同波频率下各模式的辐射特性.研究发现,在波频率ω小于等离子体频率ω_(pe)条件下,当ω一定时,各模式的传播速度随着ω_(ep)的增大逐渐接近光速;m=1角向模式属于端向辐射,其主瓣辐射方向在轴向,而且随着ω的增大,其主瓣宽度逐渐变小,且出现幅值极小的副瓣;对于m≠1模式,其主瓣辐射方向均与轴向存在一定夹角,既不属于端向辐射也不属于法向辐射,且随着ω的增大,其主瓣宽度逐渐变小;各个模式的传播功率随着ω的增大逐渐增大.     

离子迴旋共振加热对低杂波电流驱动的影响

离子迴旋共振频率(ICRF)波(ω=2Ω_D)和低杂(LH)波同时进入D-T聚变反应堆等离子体时,ICRF加热产生的高能D离子对LH波存在着较强的Landau阻尼吸收,影响了低杂波驱动电流(LHCD)的效率;提高LH波的频率,可降低加热离子对LH波的阻尼吸收。     

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.     

螺旋波等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜

利用螺旋波等离子体增强化学气相沉积(HWP-CVD)技术，以SiH4和N2为反应气体进行了氮化硅(SiN)薄膜沉积，并研究了实验参量对薄膜特性的影响.利用傅里叶变换红外光谱、紫外—可见光谱和椭偏光检测等技术对薄膜的结构、厚度和折射率等参量进行了测量.结果表明，采用HWP-CVD技术能在低衬底温度条件下以较高的沉积速率制备低H含量的SiN薄膜，所沉积的薄膜主要表现为Si—N键合结构.采用较低的反应气体压强将提高薄膜沉积速率，并使薄膜的致密性增加.适当提高N2/SiH4比例有利于薄膜中H含量的降低. 关键词： 螺旋波等离子体 化学气相沉积 氮化硅薄膜     

激光拍频波加速器的参数选择

本文研究了激光拍频波加速器中的三波相互作用过程。结果表明:适当地选择参数σ=ω_p/(ω₁-ω₂)以及β=ω₂/ω₁(ω_p,ω₁,ω₂分别为等离子体频率及两束激光频率),即可用较弱的激光造成很强的拍频等离子体波,并使注入等离子体的电子获得显著的能量增益。 关键词：     

螺旋波等离子体制备多种碳基薄膜原位诊断研究

利用自行研制的强磁场螺旋波等离子体化学气相沉积装置(HWP-CVD),通过改变等离子放电参数,实现多种碳基薄膜制备.利用朗缪尔探针、发射光谱以及质谱对Ar/CH_4等离子体放电进行原位诊断;用扫描电子显微镜和拉曼光谱对碳基薄膜进行表征.结果表明:在给定参数下,等离子体放电模式均为螺旋波放电模式;在给定CH_4流量下,等离子体中电子能量分布均足以使甲烷分子离解,并形成含碳活性自由基.通过CH_4流量调整,实现了不同碳基薄膜的制备.研究表明:当等离子体中富含CH和H自由基时,适合类金刚石薄膜生长;当等离子体中富含C_2自由基和少H时,适合垂直石墨烯纳米片生长.根据等离子体诊断和薄膜表征结果,提出了Ar螺旋波等离子体作用下甲烷分子的裂解机理,建立了碳基薄膜的生长模型;验证了Ar/CH_4–HWP在碳基纳米薄膜制备中的可行性,为HWP-CVD技术制备碳基纳米薄膜提供借鉴.     

螺旋波激发甲烷等离子体光谱诊断

利用螺旋波激发等离子体化学气相沉积(LPP-CVD)技术,以甲烷和氦气为反应气体产生等离子体.通过采集到甲烷的可见光到紫外发射光谱,对甲烷等离子体进行原位诊断,发现存在CH、Ha及Hβ等碎片粒子的光辐射,同时,分析了不同入射功率、气压下CH粒子以及Hβ、Hγ的相对强度变化情况.结果表明:CH粒子的相对强度随着射频功率是先增大而后减小,随工作气压的增大而逐渐减小;随气压及功率的增加,Hβ、Hγ相对强度变化的总体趋势都是先增加而后减小的.     

螺旋波激发甲烷等离子体光谱诊断

利用螺旋波激发等离子体化学气相沉积（LPP-CVD）技术,以甲烷和氦气为反应气体产生等离子体。通过采集到甲烷的可见光到紫外发射光谱,对甲烷等离子体进行原位诊断,发现存在CH、Hα及Hβ等碎片粒子的光辐射,同时,分析了不同入射功率、气压下CH粒子以及Hβ、Hγ的相对强度变化情况。结果表明：CH粒子的相对强度随着射频功率是先增大而后减小,随工作气压的增大而逐渐减小;随气压及功率的增加,Hβ、Hγ相对强度变化的总体趋势都是先增加而后减小的。     

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.     

HT-7 Tokamak离子回旋波和低杂波等离子体逃逸电子行为研究

HT-7 Tokamak拥有离子回旋波(ICRF)和低杂波(LHW)两套加热系统.ICRF主要对加热离子有比较好的加热效果,LHW则主要是通过电子Landau阻尼加热电子.除此之外,在ICRF和LHW协同加热的条件下,可以对等离子体产生更有效的加热效果,增加等离子体的聚变反应截面,增加聚变中子产额.本文报道了LHW对改善ICRF和等离子体耦合的重要作用,ICRF和LHW加热等离子体中电子温度随时间的演化过程,计算了放电过程中电子逃逸的阈值能量,分析了逃逸电子的产生过程,以及放电过程中的中子产额.研究结果发     

反式聚乙炔链色散关系的维度效应

利用经典力学方法研究了二维反式聚乙炔链的光学模和声学模的维度效应.链的二聚化引起系统的对称性降低,从而导致光频支格波和声频支格波的宽度(ω2+(k=0)-ω2-(k=0))明显变窄,而对BZ边界面上两支格波的间隙(ω2+(k=π/a)-ω2-(k=π/a))几乎没有影响.     

激光打靶发射的(3/2)ω_0和2ω_0谐波的能量测量

本文介绍了采用“神光”装置基频钕玻璃激光(λ=1.053μm)打平面靶和黑洞靶所发射的3/2ω_0和2ω_0谐波的能量测量原理和方法,给出了相应实验结果,并对所得结果进行了简要的分析和讨论。     

拍波激光加速器中的频率匹配

本文从广义协变的运动方程和麦克斯韦方程出发,导出了电子等离子体波各量的解析表达式。指出△ω=2ω_p的等离子体波是完全简谐的。完全共振的条件由△ω=2ω_(p0)[1+(e²(A₂⁽⁽¹⁾²⁾+(A₂^((2)2))/(2m²c⁴)+(3e²A₂⁽¹⁾A₂⁽²⁾)/(m²c⁴)]^-1/2 给出。 关键词：     

螺旋波激发氢等离子体光谱诊断

 利用螺旋波等离子体化学气相沉积(HWP-CVD)技术,以氢气为反应气体产生等离子体。通过采集氢的可见到紫外发射光谱,对等离子体进行了原位诊断,由氢Balmer系分析得到了不同实验参数对激发态氢原子相对密度的影响,通过对Fulcher带的分析,得到实验参数对氢振动温度的影响。结果表明：低压氢等离子体状态可借用日冕模型来诊断;激发态氢原子密度随入射功率增加而增加,随压强增加而减少,氢分子振动温度随压强增加先增大后减小;电子温度和电子密度是低压氢等离子体状态变化的关键因素。