动力学阿尔文波及其在太阳和空间等离子体中的应用(英文)

动力学阿尔文波是短波长的色散阿尔文波,其色散主要是由于垂直波长接近离子回旋半径或电子惯性长度等微观粒子动力学特征尺度而引起的。在频率远低于离子回旋频率的低频条件下,其平行波长通常仍然远大于离子惯性长度,这导致动力学阿尔文波在电磁偏振和传播方向上呈现显著各向异性的重要特性,并因此使其在磁等离子体的粒子能化现象和结构丝化现象中起重要作用。动力学阿尔文波早期于1970年代由Chen和Hasegawa研究聚变等离子体加热问题时首先提出。随后,在1980年代受到空间等离子体、特别是电离层-磁层耦合与极光现象研究的广泛关注。进入1990年代后,由于在空间卫星探测技术和地面等离子体实验技术的不断发展,特别是一些高分辨空间等离子体探测仪器和地面大型等离子体实验设备投入工作以来,在动力学阿尔文波的实验研究上取得了一系列突破性的重要进展。这不仅导致对动力学阿尔文波在磁等离子体动力学现象中重要作用的重新估价和正视,并再次激发了对动力学阿尔文波理论及其在实验室、空间和天体环境下各类等离子体活动现象中应用研究的广泛兴趣。自1990年代中期以来,我们在中国科学院紫金山天文台的研究小组一直致力于动力学阿尔文波及其在太阳和空间等离子体粒子能化现象中应用的研究。这篇综述性报告主要介绍了有关动力学阿尔文波非线性孤波理论及其在空间和太阳等离子体粒子能化现象中应用的研究进展,也是我们这十几年来在这一领域研究工作的一个总结。报告的第0章简要介绍动力学阿尔文波的一些主要特征及其在磁等离子体动力学现象中的重要作用。然后,在第1章中利用等离子体的双流体方程、结合有关的实验观测,系统介绍了动力学阿尔文波的色散、传播、偏振等基本特性和在一维孤波与二维涡旋等非线性结构理论方面的研究进展。接下来的第2、3、4章将聚焦在动力学阿尔文波的耗散机制及其在太阳和空间等离子体粒子能化现象中的应用研究上,分别包括:动力学阿尔文孤波的耗散结构及其在极光高能电子加速现象中的应用(第2章);动力学阿尔文孤波中重离子的各向异性能化机制及其在延伸日冕中少量重离子反常加热现象中的应用(第3章);以及动力学阿尔文波的反常耗散机制及其在日冕磁等离子体结构非均匀加热现象中的应用(第4章)。最后的第5章是一个简要的总结和几点进一步发展的展望。     

动力学阿尔文波及其在太阳和空间等离子体中的应用

动力学阿尔文波是短波长的色散阿尔文波,其色散主要是由于垂直波长接近离子回旋半径或电子惯性长度等微观粒子动力学特征尺度而引起的。在频率远低于离子回旋频率的低频条件下,其平行波长通常仍然远大于离子惯性长度,这导致动力学阿尔文波在电磁偏振和传播方向上呈现显著各向异性的重要特性,并因此使其在磁等离子体的粒子能化现象和结构丝化现象中起重要作用。动力学阿尔文波早期于1970年代由Chen和Hasegawa研究聚变等离子体加热问题时首先提出。随后,在1980年代受到空间等离子体、特别是电离层-磁层耦合与极光现象研究的广泛关注。进入1990年代后,由于在空间卫星探测技术和地面等离子体实验技术的不断发展,特别是一些高分辨空间等离子体探测仪器和地面大型等离子体实验设备投入工作以来,在动力学阿尔文波的实验研究上取得了一系列突破性的重要进展。这不仅导致对动力学阿尔文波在磁等离子体动力学现象中重要作用的重新估价和正视,并再次激发了对动力学阿尔文波理论及其在实验室、空间和天体环境下各类等离子体活动现象中应用研究的广泛兴趣。自1990年代中期以来,我们在中国科学院紫金山天文台的研究小组一直致力于动力学阿尔文波及其在太阳和空间等离子体粒子能化现象中应用的研究。这篇综述性报告主要介绍了有关动力学阿尔文波非线性孤波理论及其在空间和太阳等离子体粒子能化现象中应用的研究进展,也是我们这十几年来在这一领域研究工作的一个总结。报告的第一章简要介绍动力学阿尔文波的一些主要特征及其在磁等离子体动力学现象中的重要作用。然后,在第二章中利用等离子体的双流体方程、结合有关的实验观测,系统介绍了动力学阿尔文波的色散、传播、偏振等基本特性和在一维孤波与二维涡旋等非线性结构理论方面的研究进展。接下来的第三、四、五章将聚焦在动力学阿尔文波的耗散机制及其在太阳和空间等离子体粒子能化现象中的应用研究上,分别包括：动力学阿尔文孤波的耗散结构及其在极光高能电子加速现象中的应用（第三章）;动力学阿尔文孤波中重离子的各向异性能化机制及其在延伸日冕中少量重离子反常加热现象中的应用（第四章）;以及动力学阿尔文波的反常耗散机制及其在日冕磁等离子体结构非均匀加热现象中的应用（第五章）。最后的第六章是一个简要的总结和几点进一步发展的展望。     

外加磁场微波等离子体喷流对平面电磁波衰减的实验研究

采用空间透射波测量方法,实验研究透波密闭石英玻璃容器内等离子体喷流对垂直和水平极化电磁波的衰减,在有和无外加磁场条件下分析实验参数对等离子吸波效应的影响,分析等离子体的吸波机理.实验结果表明在非磁和本实验条件下,平面电磁波在等离子体中的衰减机理为碰撞吸收;在有磁和本实验条件下,平面电磁波在磁等离子体中的衰减机理同样为碰撞吸收,但是外加磁场的存在有限地改善了等离子体的吸波效应.为了使磁等离子体最有效地吸收电磁波,应该提高磁场感应强度,把高频混杂频率提高到测试微波频率范围内,或降低微波测试频率至本实验中的高混 关键词： 等离子体相互作用 电磁波 电磁波在等离子体中的传输     

背景气体对激光等离子体和外磁场界面上槽纹不稳定性的影响

等离子体在外磁场中膨胀产生的抗磁腔和不稳定性是空间物理和聚变物理中的重要现象.本文实验研究了激光产生的等离子体在外磁场中膨胀时在抗磁腔表面产生的槽纹不稳定性,数据分析显示实验中观察到的不稳定性属于大拉莫尔半径槽纹不稳定性.实验发现充入稀薄背景气体能够显著抑制槽纹不稳定性的发展,背景气体气压超过50 Pa时(约为抗磁腔表面等离子体密度的1%),槽纹不稳定性几乎被完全抑制.动理学分析表明离子-离子碰撞是抑制不稳定性发展的主要因素.这些结果对磁场辅助激光聚变和爆炸空间物理现象等领域有重要参考价值.     

离子束-等离子体系统中的参量不稳定性

本文研究了外pump电场E_0在离子束-等离子体系统中所激发的静电低频参量不稳定性。导出了这种低频波的一般色散关系,并用数值方法分析了一维质子束-等离子体系统的参量不稳定性的激发过程。结果表明:离子束对等离子体中参量不稳定性的激发有极重要的影响。当没有离子束时,只能激发一种模式的波;一旦将离子束引入等离子体中,就可以在系统中激发两个波长较长的低频波。     

垂直磁重联平面的驱动流对磁岛链影响的模拟

近20年来,大量的磁岛链现象从空间、天体物理到磁约束实验室等离子体中被观察到,并且有关磁岛链现象的许多物理特性可以直接被计算机模拟结果所证实.磁岛链理论在磁重联理论中的重要进展为快速磁重联的发生机制提供了更加具有说服力的解释.本文采用二维三分量的磁流体力学模型,数值研究了不同宽度和不同强度的垂直平面驱动流对磁重联中磁岛链不稳定性的影响,并分析了导向场和垂直平面的驱动流对磁岛链的共同作用.研究结果表明:垂直平面驱动流的宽度越宽或强度越强,越容易产生磁岛链结构.电流片中的小磁岛个数及重联率随着垂直平面驱动流宽度及强度的增加而增加.另外,导向场会改变重联平面内磁岛链的对称性.相同导向场情况下,驱动流强度越大,小磁岛的增长速度越快.     

等离子体与聚变物理的新进展

受控热核聚变是有长远意义的大型综合性的研究课题,其最终目标是获取轻核聚变释放的能量,从而根本解决能源问题.受控热核聚变是在高温等离子体状态下进行的,热核等离子体物理是当前等离子体物理的主要研究领域.现阶段聚变研究的中心任务,是掌握高温等离子体的规律.以寻求实现热核点火的方案.目前主要通过两种不同的途径进行探索:一种是磁约束方法,这是主要途径,其中最重要的是托卡马克型装置;另一种是惯性约束方法,利用激光或高能粒子束实现聚变.等离子体物理的另一个重要研究领域是空间及天体等离子体物理. 一、新型托卡马克与通向点火之路…     

不均匀等离子体中电磁波与Langmuir波的相互作用

通过理论研究与数值计算,不均匀等离子体中Langmuir波与电磁波的相互作用及其线性模式转换规律得到了充分的展示.导出了不均匀等离子体中的电磁色散关系,研究了入射电磁波或Langmuir波在通过不均匀等离子体的过程中发生转换的物理过程,以及波的传播矢量随空间坐标变化的关系,并对电磁波与Langmuir波相互作用的机理进行了讨论.研究结果对密度梯度所驱动的等离子体波产生电磁辐射的研究具有重要意义. 关键词： 电磁波 Langmuir波 不均匀等离子体 线性模式转换     

电子回旋波驱动的托卡马克芯部等离子体极向旋转

提出了一个驱动托卡马克芯部等离子体极向旋转的新途径：用电子回旋波产生芯部等离子体极向旋转.物理机制如下：在高功率的电子回旋波加热的托卡马克等离子体中，共振局域化现象将产生极向电场从而形成极向外高内低的离子密度分布；这个极向离子的积累可以克服来自磁泵的阻尼而使等离子体极向旋转退稳定.从流体力学方程和漂移动力学方程中，得到了等离子体旋转退稳的判别式.结果表明现有的电子回旋波加热功率水平可以驱动芯部等离子体的极向旋转. 关键词：     

二维相对论运动等离子体的介电率张量

定义了相对论性运动等离子体的物理模型.利用荷流体的微扰理论，研究了该系统二维扰动现象及背景离子下的束-波互作用问题，导出了该系统的介电率张量.研究表明，相对论运动等离子体系统属复杂的色散荷流体介质并呈复杂的空间电磁不均匀性.数值模拟计算给出了相对论运动等离子体系统的介电率对波频率、电子能量以及空间坐标的响应. 关键词： 等离子体 荷流体 介质 电磁理论     

量子等离子体中波的色散关系以及朗道阻尼

利用动理学理论研究量子等离子体中波的色散关系和电子朗道阻尼.从电子的量子流体动力学方程和动理学描述下的光子运动方程出发,研究量子效应对光子朗道阻尼的修正.研究发现量子效应只对纵波模式,即电子等离子体波的色散关系有修正,对横向电磁波的色散关系没有影响.量子效应减小了朗道阻尼,起着朗道增长的作用. 关键词： 量子等离子体 朗道阻尼 电子等离子体波 色散关系     

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.     

同轴枪正、负脉冲放电等离子体特性的对比

同轴枪脉冲放电产生的等离子体具有高速度、高密度的特点,在核聚变、空间推进、天体物理领域具有很高的应用价值.本文针对不同放电方式对等离子体特性的影响进行了理论实验研究,通过调换脉冲电源整流二极管的方向改变充电电流方向实现正、负脉冲放电,采用光学、电学、磁探针等诊断手段,研究了正、负脉冲放电产生的等离子体性能;通过高速相机观察到正脉冲等离子体的分团现象,使用了图像处理技术,量化对比了等离子体发光强度.结果表明在相同工作气压和放电电压下,负脉冲等离子体拥有更高的密度,流速稍小但性能趋稳;而正脉冲等离子体具有更高的射流速度,也易产生明显的分团现象,所得实验结果与理论分析相一致.     

空间物理学

认识空间和征服空间是人类由来已久的愿望.空间是一个规模宏大的天然物理实验室.它包含着数目巨大的各种分子、原子、离子,具有不同能量的质子和电子,从极低频到r射线这样宽广的频谱的电磁波、各种类型的磁流波和声重波,太阳和银河宇宙线、微流星、气溶胶以及磁场、电场和重力场.在空间,存在着波的激发、波-粒相互作用、粒子沉降、光化与电离反应,大气热力动力过程等重要的物理现象.对这些复杂的物理现象的研究,构成了近代自然科学理论研究的一个重要方面;空间物理学成为近代天体物理学、高能物理学、等离子体物理学、力学、原子和分子物理…     

平板约束下激光诱导等离子体的动态仿真

为深入认识空间约束增强的物理机理,采用二维可压缩流体模型,建立平板约束下激光诱导等离子体动力学行为的数值模拟模型,计算了平板约束下等离子体的演化过程,得到的一系列时间分辨的温度分布结果与实验结果基本一致.揭示了平板约束下,反射激波对等离子体的压缩作用导致等离子体温度升高的机理.对不同激光能量和不同约束板间距对等离子体温度增强效果和增强时刻的影响进行了研究,两板间距增加,增强时刻明显延迟,等离子体温度的增强效果削弱.     

柱形等离子体辐射场和阻抗的数值计算

由柱形非磁化等离子体色散关系，得到信号沿柱形等离子体传输波矢空间分布，再根据天线方程推导得到柱形等离子体在轴向密度均匀、不均匀情况下辐射方向图、辐射阻抗与增益等参数.理论计算结果与实验都证明了柱形等离子体辐射方向图随等离子体参数变化而改变，同时实验结果表明，重新得到的数值计算结果更加精确，更加符合实际测量结果，这对等离子体作为天线传输具有重要的参考价值. 关键词： 柱形等离子体 辐射阻抗 辐射方向图     

һ�ֵ�����������ʵ�����ݷ�������������Ӧ��

针对磁约束聚变等离子体边缘湍流中非线性能量传递过程的问题,开发了数据分析程序.该程序基于数字谱分析技术来求解波耦合方程,进而计算与三波相互作用相关联的线性和非线性耦合系数以及能量转移.介绍了算法设计和程序开发的主要思想,并对程序进行了仿真测试.然后应用该程序分析了反场箍缩装置实验的一次放电实验数据,观察到湍流之间的波耦合和能量级联现象,发现或证实了聚变等离子体湍流激发与增长的一种内在机制.     

高气压氩气辉光放电条纹等离子体的形成和演化

辉光放电等离子体正柱区内的自组织条纹现象是气体放电物理中的基础性问题,涉及电子动力学、输运过程、放电不稳定性、非线性现象等丰富的物理内容,是基础物理及其应用中备受关注的重要课题.本文报道了一种在千帕量级气压下产生的氩气辉光放电条纹等离子体,重点关注了条纹等离子体的电学、光学及电离波传播特征,从物理上分析了氩气条纹等离子体的产生及消除机制.研究结果表明,在此气压下产生的氩气条纹等离子体,其条纹长度约为1.5 mm,且随气压减小;电离波波速为1.87 m/s,频率为1.25 kHz.发射光谱诊断证实,条纹等离子体的产生与丰富的亚稳态原子密切相关,亚稳态原子导致的分步电离过程会引起电离不稳定性,这种不稳定性以电离波的形式传播,使得等离子体参数发生纵向调幅,从而形成明暗相间的条纹等离子体.加入氮气可有效猝灭亚稳态氩原子,调整电子能量分布函数,这使得等离子体的不稳定性条件被破坏,因此,条纹等离子体消失.本工作可为人们进一步认识和理解高气压下辉光放电条纹等离子体的形成及消除机制提供新的思路和实验依据.     

等离子物理的前沿和展望

 以物质第四态作为研究对象的等离子体物理学是一门正在蓬勃发展的新兴学科.尤其是最近十几年中,等离子体物理在许多方面都取得了重要进展,在国际科学界越来越受人瞩目.人造卫星等航天器为空间物理和天体物理研究提供了空前未有的先进探测实验手段,也为等离子体物理学提供了更广阔的研究领域;前景十分诱人的受控核聚变研究极大地推动了等离子体物理的发展.     

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式|层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多|在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.