两种带电尘埃颗粒的等离子体鞘层玻姆判据

采用流体方程和尘埃充电自洽模型研究了鞘边含有两种尘埃颗粒的等离子体玻姆判据. 通过拟牛顿法数值模拟了鞘边两种尘埃颗粒的存在对尘埃自身充电以及离子马赫数的影响. 两种尘埃颗粒中含量较少的尘埃颗粒数密度的增加, 导致两种尘埃颗粒表面悬浮势一个降低, 一个升高. 含量较少的尘埃颗粒的数密度越多和半径越小, 都会导致离子马赫数增大. 另外鞘边无论何种尘埃颗粒的速度增加, 鞘边离子马赫数都将减小. 关键词： 等离子体鞘层 尘埃颗粒 玻姆判据     

不同成分等离子体鞘层的玻姆判据

在一维平板鞘层中采用流体模型分别研究了不同成分无碰撞等离子体鞘层的玻姆判据.通过拟牛顿法数值模拟了含有电子、离子、负离子以及二次电子的等离子体鞘层玻姆判据.结果表明二次电子发射增加了鞘层离子马赫数的临界值,且器壁发射二次电子温度越高,离子马赫数临界值越小.负离子使离子马赫数临界值减小.而在含有二次电子和负离子的等离子体鞘层中,当负离子较少时,二次电子发射对离子马赫数临界值影响较大;当负离子增加时,离子马赫数的临界值则主要受负离子的影响. 关键词： 鞘层 等离子体 玻姆判据     

等离子体鞘层附近尘埃颗粒特性的数值模拟

为了研究尘埃等离子体中尘埃颗粒以及鞘层中粒子密度分布等特性,对尘埃颗粒存在条件下等离子体鞘层结构的采取数值模拟.采用稳态无碰撞的尘埃等离子体鞘层模型,对玻姆判据、尘埃颗粒的荷电性质、平板鞘层区域的电势分布及鞘层内粒子分布特性进行了系统的数值模拟研究.计算结果显示,鞘层边缘尘埃颗粒数密度的增加、尘埃温度的升高,将引起孤立尘埃颗粒对电子吸附能力的减弱,集体效应也受到一定程度的影响;二者同时对离子玻姆速度以及鞘层厚度的增加都有着极大的促进作用.鞘层电势在靠近下极区处降落迅速,主要聚集在接近阴极极板的鞘层区域,各种微粒数密度的空间分布满足准中性条件.     

多成分电负性碰撞等离子体的鞘层玻姆判据

采用双流体模型研究了多成分的电负性碰撞等离子体鞘层的玻姆判据,讨论了一维稳态情形下不同的带电粒子对鞘层玻姆判据的影响。采用拟牛顿法,得到了数值解。结果表明：玻姆判据存在上限和下限。二次电子发射系数越大,离子的马赫数越大;负离子的含量越多,离子的马赫数越小。鞘层中离子的温度、离子与中性粒子的碰撞以及离子的带电量对玻姆判据的上下限的取值都有一定的影响。     

斜磁场中碰撞等离子体鞘层的玻姆判据

采用双流体模型研究了斜磁场作用下的碰撞等离子体鞘层的玻姆判据,讨论了磁场对鞘层玻姆判据的影响.结果表明:玻姆判据存在上限和下限,磁场强度、角度以及离子进入鞘层的状态都对离子马赫数的取值范围有影响.     

碰撞参数对磁化电负性等离子体鞘层结构的影响

数值研究了离子马赫数的取值和碰撞参数对由热电子、热负离子和冷正离子构成的磁化电负性等离子体鞘层结构的影响.通过理论推导得到了鞘层模型的玻姆判据的表达式,并得到了不同离子马赫数情况下鞘层的正离子密度分布和净电荷分布曲线,还进一步得到了几个不同碰撞参数下鞘层的带电粒子密度、净电荷以及电势分布曲线.结果表明:离子马赫数取值不同对应不同的鞘层结构;碰撞使鞘层中正离子密度增加,使电子密度更快减小到零,对负离子密度分布影响不明显;碰撞使净电荷密度的峰值幅度增加并向鞘层边缘移动,使鞘层中电势值升高并使鞘层厚度减小.     

电负性等离子体磁鞘的玻姆判据

采用流体模型研究了电负性等离子体磁鞘的玻姆判据,讨论了负离子以及磁场对鞘层玻姆判据的 影响.研究结果表明:负离子的存在促进离子进入鞘层;而磁场强度、角度以及离子进入鞘层的状态将共同决定 离子马赫数的取值.     

斜磁场作用下碰撞电负性等离子体鞘层的玻姆判据

采用流体模型研究了外加斜磁场作用下的碰撞电负性等离子体鞘层的玻姆判据, 讨论了负离子和磁场对鞘层玻姆判据的影响. 研究结果表明: 在电负性鞘层中, 正离子更容易进入鞘层, 负离子的存在只能影响离子马赫数取值的下限; 而外加磁场可以使离子马赫数的取值范围整体发生移动.     

电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘的影响

研究了鞘层中电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘玻姆判据和鞘层结构的影响.通过理论推导得到了考虑鞘层中电子和负离子的反射运动时鞘层玻姆判据表达式,并通过数值模拟得到了电子和负离子采用玻尔兹曼模型和反射运动模型时离子马赫数的下限随参数的变化曲线以及鞘层中带电粒子密度的分布曲线.结果表明,电子和负离子的反射运动模型和玻尔兹曼模型离子马赫数的上限完全相同,下限表达式不同,反射运动模型中下限还与基板电势有关,且随着基板电势值的增加而增大,达到与玻尔兹曼分布中相同值后保持不变,随着鞘边负离子浓度和温度的不同达到最大值的速度不同;离子马赫数的下限在玻尔兹曼和反射运动模型中都随鞘边负离子浓度的增加和温度的降低而减小,只是在反射运动模型中的最大值要小;两种模型中离子马赫数的下限都随鞘边电场的增加而增加,但在玻尔兹曼模型中增加得更快最终值更大;两种模型离子马赫数的下限都随碰撞参数或磁场角度的增加而降低,但在玻尔兹曼模型中降低更快,随着碰撞参数或者磁场角度的增加两种模型中离子马赫数的下限趋于一致;当基板电势值较小时,电子和负离子的反射运动对鞘层结构影响较大,当基板电势值较大时电子和负离子反射运动对鞘层中带电粒子密度分布的影响很小.     

尘埃颗粒与等离子体鞘层相互作用的数值模拟

通过求解一维稳态的尘埃等离子体鞘层模型,得到了等离子体鞘层势、正离子密度、电子密度和尘埃颗粒密度随一维横向的分布,Bohm判据及鞘层边界无量纲Bohm速度随尘埃密度的变化曲线,尘埃颗粒的带电量和尘埃密度的关系,尘埃颗粒的温度对尘埃颗粒自身在鞘层中分布的影响。结果表明,随着尘埃密度的增加,鞘层的厚度在减小,鞘层内的电子密度在下降,而且尘埃颗粒的带电量也在逐渐减少;随着尘埃温度的增加,鞘层的厚度减小,电子密度下降,而且鞘层附近的尘埃颗粒在逐渐增多。     

Theory of self-organized dust sheaths in edge plasmas

A concept of self-organisation is used to derive the structure of dust sheath close to the wall taking into account self-consistently dust charges and dust distribution together with electron, ion distributions and ion drift. It is shown that instead of Bohm criterion the dust sheath is determined by other criteria allowing Mach number to be in restricted value ranges. The total structure of the dust sheath in dimensionless variables is determined by the Mach number only. Dust sheaths can contain definite number of dust particles per unit area which are determined by the value of the Mach number. The dust sheaths change drastically the electrostatic potential distributions and are usually much thicker than the usual plasma sheaths. A theoretical model together with numerical computations gives all dust sheath parameter distributions and the global characteristics such as the total drop of the potential, the thickness of the sheath, the number of dust particles in the sheath and the criterion of dust levitation. The recent observations on “Textor 94” indicating the long time dust survival in edge region of the present tokamaks, the dust levitation and agglomeration in the volume of edge tokamak plasma are discussed.     

具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘的结构

很多关于等离子体鞘层的研究工作都是基于电子满足经典的麦克斯韦速度分布函数,而等离子体中的粒子具有长程电磁相互作用,使用Tsallis提出的非广延分布来描述电子更为恰当.本文建立一个具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘模型,理论推导出受非广延参数q影响的玻姆判据,离子马赫数的下限数值会随着参数q的增大而减小.经过数值模拟,发现与具有麦克斯韦分布(q=1)电子的碰撞等离子体磁鞘对比,具有超广延分布(q<1)和亚广延分布(q>1)电子的碰撞等离子体磁鞘的结构各有不同,包括空间电势分布、离子电子密度分布、空间电荷密度分布.模拟结果显示非广延分布的参数q对碰撞等离子体磁鞘的结构具有不可忽略的影响.希望这些结论对相关的天体物理、等离子体边界问题的研究有参考价值.     

Simulation study of the sheath region of a processing plasma with two-temperature electrons and charged nanoparticles

A four-fluid model is used to investigate the structure of a dusty plasma sheath with two species of electrons, i.e., cold and hot electrons. Numerical results show that, in the presence of hot electrons, regular fluctuations are developed in the spatial profiles of the sheath potential and number densities of the plasma and dust nanoparticles. The amplitude and spatial period of the fluctuations depend on the hot electron parameters. The sheath width shows a non-monotonic dependence on the temperature and number density of the hot electrons, as well as the density and Mach number of the nanoparticles.     

两种温度电子对稳态等离子体鞘层的影响

建立包含冷热电子的无碰撞等离子体鞘层的流体模型,利用数值模拟研究含有两种温度电子时等离子体鞘层的产生.结果表明:对于含有两种不同温度电子的稳态等离子体,冷电子的温度越低或者冷电子的含量越多,鞘边离子的马赫数临界值就越小,鞘层的宽度就变得越窄,沉积器壁的离子动能流也就越少.此外,研究不同种类的等离子体(Ar、Ke、Xe),鞘层厚度和离子沉积器壁动能流受冷电子的影响.     

等离子体中热阴极鞘层的结构

结合热阴极电子发射理论和等离子体鞘层流体方程研究了热阴极附近存在虚阴极结构时的等离子体鞘层问题,采用Sagdeev势的方法讨论了鞘层解和广义Bohm判据.结果表明,不同于普通的Bohm鞘,由于热阴极附近存在大量发射电子,影响整个等离子体鞘层结构,使得进入鞘层的离子临界Mach数不是独立的常数,而是与鞘层电位降等参数有关的物理量.临界Mach数随着鞘层电位降（从鞘边缘到虚阴极）先增大后降低,并且随着热阴极温度的升高单调增大.此外,在平板模型下有相当可观的残余热发射电子越过虚阴极鞘层进入等离子体. 关键词： 鞘层 热阴极发射 Bohm判据     

A fluid model of the current-voltage characteristics of an electron emitting electrode immersed in a two electron temperature plasma

The current voltage characteristics of a negatively biased electron emitting electrode immersed in a two-electron temperature plasma are analyzed by a simple one dimensional fluid model. Based on the assumption that the electron density in the pre-sheath region obeys the Boltzmann law the Bohm criterion is derived in the form of a transcendental equation for the Mach number, which can have up to 3 solutions. According to these solutions the ion velocity at the sheath edge can be determined either by the hot or by the cool electron temperature. When it is determined by the cool electron temperature and the hot electron temperature is high enough the critical electron emission current from the collector can have a very pronounced local maximum and a minimum when regarded as a function of the electrode potential. Because of that the current voltage characteristics of the electrode may exhibit up to 3 different floating potentials. This result is in good agreement with the experimental observations reported in [J. Appl. Phys. 63, 5674 (1988)].