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...     

圆柱形霍尔推进器的三维刻蚀模拟与实验研究

通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell (PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀
情况。结果表明：随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

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通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell(PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀情况。结果表明:随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

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.     

激光入射双层等离子体靶产生的表面等离子体波及应用

表面等离子体波的存在可以显著改变激光与等离子体的耦合效率,这在激光驱动粒子加速、强X射线产生、温稠密物质态等领域研究有重要应用.本文利用二维粒子模拟程序,研究了强激光入射双层等离子体靶激发的表面等离子体波.模拟结果表明,不同于单层靶情形,大角度入射的强激光脉冲达到一定强度阈值后,可驱动等离子体表面中的电子形成周期结构,激发静电波,其波长与入射波波长相近,传播速度接近光速;表明双层等离子体更有利于表面波的激发,传播范围更大;双层靶的表面波强度与入射激光强度的比值明显不同于单层靶的理论结果,呈现非线性关系;表面波的存在可以显著增强后续激光脉冲的透射,使后续激光脉冲突破稠密等离子体形成的“黑障”,在远高于临界密度的薄靶后被观察到.     

激光等离子体波电子加速器

本文分别用理论分析和粒子模拟方法讨论了等离子体尾波加速器和拍波加速器的物理机制。结果表明,只要激光等离子体波足够强,加上适当强度的横向磁场,就可以把MeV数量级的电子在公尺距离内加速到GeV数量级的能量。另外,还用粒子模拟方法,研究了激光对热等离子体受激向后喇曼散射产生低相速度的等离子体静电波对低能电子加速的问题,探讨了多级或多波加速的可能性。结果表明,利用激光等离子体波加速器,在一般的实验室条件下,就可获得GeV数量级的高能电子。 关键词：     

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.     

基于双向偏振态激光诱导荧光方法的离子速度分布函数测量

为了评估利用发散磁场构型双电层效应的紧凑式螺旋波等离子体推力器的离子加速效果,探索了一种双向偏振态激光诱导荧光测量方法来对螺旋波等离子体源近出口端的离子速度分布函数进行测量。实验中采用Ar作为螺旋波等离子体源工质,中心波长为611.662 nm的激光以轴向方式注入等离子体,以激励一价Ar离子获得波长为461.086 nm的诱导荧光光谱。为了消除磁化等离子体中逆塞曼效应对激光诱导荧光光谱带来的分裂影响,通过四分之一波片将入射激光分别调制为左旋和右旋圆偏振态,并对其诱导光谱进行了分别测量,结果发现不同磁场强度下两次测量结果的偏移值与理论高度吻合,证明了双向偏振态激光诱导荧光测量方法的理论可行性。进一步,采用高斯型滤波器反卷积算法从测量光谱中去除自然展宽和能量饱和效应,再通过对两次相反偏振态测量结果进行平移处理消除逆塞曼效应,从而分离得到实际的多普勒效应。测量了射频能量600 W,不同轴向位置、磁场大小以及气体压力下的螺旋波Ar等离子体激光诱导荧光光谱,结果表明在该实验条件下离子并没有因双电层效应而达到期望值的加速效果,离子速度的形成可能只是一种磁约束作用下的双极电场所导致,并不能产生好的推力性能。     

填充预等离子体通道靶激光电子加速研究北大核心CSCD

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中,从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示,在功率密度为5.0×10^(20W/cm^(2))的超强短脉冲激光条件下,通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用,激光脉冲与通道壁的相互作用减弱,电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速,产生电子束具有更大的电荷量,但能量降低,发散角增大。     

脉冲金属离子等离子体推进器的等离子体生成和传播特性

综述了不同阳极结构脉冲金属离子等离子体推进器的放电特性、等离子体生成及传播特性。首先,讨论了一种带有绝缘套筒的裸阳极推进器结构。对比分析了无、有绝缘套筒的裸阳极推进器的等离子体生成及传播特性的区别。结果表明,绝缘套筒阻碍了阴极近旁带电粒子的径向运动,提高了沿绝缘套筒轴向喷射出去的等离子体的喷射性能。此外,发现采用裸阳极推进器结构放电过程中会有大量带电粒子进入阳极。其次,讨论了一种绝缘阳极推进器结构。结果表明,采用绝缘阳极结构进一步提高了沿绝缘套筒轴向喷射出去的等离子体密度。但是,与裸阳极推进器结构相比,等离子体的生成量减少。再次,讨论了一种微孔绝缘阳极推进器结构。结果表明,与裸阳极推进器结构相比,采用微孔绝缘阳极推进器结构生成的等离子体的密度峰值和传播速度峰值分别提高了12.6倍、3.9倍。最后,分别讨论了一种螺旋阳极推进器结构和一种多阳极推进器结构。结果表明,这两种推进器结构分别利用放电过程中形成的自磁场及电场有效提高了等离子体羽流的定向喷射性能。本研究可以为金属等离子体喷射性能的提高以及脉冲金属离子等离子体推进器的设计提供支持。     

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.     

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。     

Metastable argon atoms under significant neutral depletion in helicon plasmas by laser-induced fluorescence

We study the spatial distribution of the metastable-state argon atoms in high density helicon plasmas by means of laser-induced fluorescence. It is observed that the neutral argon in metastable-state has an anomalous radial distribution in density; it has a caldera-like shape radially, which is rare in typical low-temperature plasmas such as inductively coupled plasmas wherein the density increases toward the discharge center, as previously reported. The formation of the distribution can be explained as it forms by the combined effects of significant neutral depletion in high plasma density, off-axis electron-density distribution, and increasing diffusive loss toward the wall. To establish the assertion with the underlying physics, we calculate a simple global model and obtain the neutral density distribution in metastable-state under various conditions. The calculated results qualitatively agree with the experimental results.     

低功率氩电弧加热发动机的数值模拟

采用可求解可压缩流动与传热的全速度SIMPLE算法,对低功率氩电弧加热发动机内部的传热与流动进行了数值模拟,获得了电弧加热发动机内的温度、速度、马赫数及流线分布。计算结果表明:电弧加热发动机内最高温度出现在阴极下游附近中心轴线处,这是因为电弧在阴极表面收缩形成阴极弧点,从而焦耳热成为该高温区的主要加热机制;沿着发动机中心轴线,气体温度和速度开始时随着距阴极距离的增加而迅速增加,然后在等离子体流向喷管出口的过程中,气体温度和速度逐渐下降。此外还详细考察了弧电流变化对电弧加热发动机内部传热与流动特性的影响,计算获得的发动机流量和比冲与实验结果基本一致。     

Self-Consistent Model of an RF Inductive Plasma Source Located in an External Magnetic Field

A theory for calculating plasma resistance and the RF power absorbed in an inductive plasma source is developed. Conditions are determined under which most of the power is absorbed by the plasma. It is shown that these conditions correspond to excitation of spatial waves (oblique Langmuir wave and helicon). A simple self-consistent model of the plasma source is proposed, which explains the specific features of the plasma sources experimentally observed.     

Experimental results of helicon sources

Helicon plasma sources are known as efficient generators of uniform and high density plasma.A helicon plasma source was developed for the investigation of plasma stripping and plasma lenses at the Institute of Modern Physics, CAS.In this paper, the characteristics of helicon plasma have been studied by using a Langmuir four-probe and a high plasma density up to 3.9×10~(13)/cm~3 has been achieved with the Nagoya type Ⅲ antenna.In the experiment, several important phenomena were found: (1) for a given magnetic induction intensity, the plasma density became greater with the increase of RF power; (2) helicon mode appeared at RF power between 300 W and 400 W; (3) the plasma density gradually tended to saturation as the RF power increased to the higher power; (4) a higher plasma density can be obtained by a good match between the RF power and the magnetic field distribution.The key issue is how to optimize the matching between the RF power and the magnetic field.Moreover, some tests on the extraction of ion beams were performed, and preliminary results are given.The problems which existed in the helicon ion source will be discussed and the increase in beam density will be expected by extraction system optimum.     

Kinetic study of instability growth rate in a helicon plasma discharge source

In this work, a kinetic model is developed to study the effects of the radio frequency antenna wavenumber, helicon plasma electron density, as well as their drift velocity and temperature on the instability increment rate of the helicon wave in both longitudinal and transverse directions. The ion acoustic (IA) wave frequencies and wavenumbers of the helicon waves are obtained when the maximum wave energy is deposited on the plasma ions. Moreover, it is shown that, at the IA wavenumber and frequencies, while the longitudinal instability increment rates for both the helicon and IA waves are ignorable, the transverse instability increment rate for both the helicon and IA wave increases. Besides, the longitudinal instability increment rate for the helicon or IA wave has non‐zero resonant frequencies. On the other hand, the transverse instability increment rate of helicon or IA wave can be neglected. Furthermore, it is observed that, while both the imaginary part of longitudinal permittivity and longitudinal instability increment rate are not influenced by the electron temperature, their transverse component increases linearly with the electron temperature. In addition, the imaginary part of transverse permittivity increases almost linearly with the drift velocity of the plasma electrons.     

微波等离子推力器真空中工作的电微波系统及其实验

为了解决微波等离子推力器全系统在真空中进行实验的关键问题，减少实验中不必要的能量损失，研制出可在大气与真空环境中工作的微波等离子推力器电微波系统.该系统利用了开关电源、衰减器和检波器一体化设计技术、液体冷却技术，解决了微波电子器件在真空中的放电问题.实验表明：系统输出的微波功率稳定，能可靠地工作在地面和真空环境中. 关键词： 等离子体源 等离子体设备及应用 微波技术     

一种耦合外部电路的脉冲感应推力器磁流体力学数值仿真模型

为了深入研究脉冲感应推力器的工作原理,预测其推进性能,建立了一种耦合外部电路的磁流体力学模型,实现了对加速通道内等离子体二维流场结构演化过程及驱动电路放电过程的同步耦合求解.模拟计算所得美国MK-1推力器加速通道内的等离子体瞬态参数分布及推力器比冲、效率等性能参数均与实验数据一致;计算结果成功复现了推力器的工作物理图景.借助这一新模型,实现了对电路-等离子体双向耦合作用的定量分析,分析结果表明:耦合等离子体导致驱动电路等效电阻增大,电感减小;激励线圈与等离子体之间的互感随等离子体整体远离线圈表面而逐渐减小.