低温等离子体中微细颗粒物荷电特性粒子模拟

针对微细颗粒物在低温氩等离子体中的荷电过程,基于单元粒子法和蒙特卡罗混合法,进行粒子模拟.通过统计到达颗粒表面的电子和离子数目,确定其净电荷量,并获得带电粒子空间分布与自洽电场.仿真表明:半径为5μm的颗粒在等离子体中荷电量约为27800e,颗粒表面电势约为-8V,且在距表面20μm范围内迅速衰减至0V.在颗粒附近,离子数密度始终大于电子数密度.离子数密度在近壁处迅速增至无扰动区数密度,而电子数密度则相对较慢地增大至背景浓度.此外,颗粒荷电量与粒径成正比.     

离子发动机交换电荷离子返流的粒子模拟

 建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格对羽流中的交换电荷离子的分布进行了模拟,电场方程使用完全近似格式的代数多重网格方法求解。利用计算设备统一架构技术开发出一套基于图形处理器的3维并行粒子模拟程序。计算结果表明,交换电荷离子在径向扩张型电势结构下会向束流区外运动,一部分交换离子在电场力作用下会向发动机上游运动,从而形成返流。发动机上游区域的交换电荷数密度与束流等离子体数密度相比降低了3~4个数量级。通过降低电子温度可有效降低返流电流。     

离子推力器推力密度特性

离子推力器推力密度分布对航天器轨道维持和修正具有重要影响.采用粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法模拟束流等离子体输运过程,分析束流多组分粒子喷出数量和速度等微观参数,并计算得到单孔束流推力,结合放电室出口等离子体密度分布,进一步对推力密度分布特性分析,最后开展实验验证.研究结果显示:束流中单价离子、双荷离子以及交换电荷离子的推力贡献比分别为84.63%,15.35%和1.82%,可见推力主要来源于束流中的单价离子和双荷离子,交换电荷离子对推力贡献很小;推力密度分布具有较好的中心轴对称性,从推力器中心沿着径向先快速下降后趋于缓慢;与实验结果对比,经验模型相对误差约为4.1%,数值模型相对误差约为2.8%,相比经验模型,数值模型具有更好的准确性.研究结果可为离子推力器推力密度分布均匀性等优化提供参考.     

基于流体-磁流体-粒子混合方法的高空核爆炸碎片云模拟

提出了描述高空核爆炸碎片云运动的流体-磁流体-粒子(particle-in-cell, PIC)混合模型,相较目前的主流模型,该模型能够计算更加广泛的空间尺度.根据碎片云运动涉及的高温离子、低温离子和中性大气的不同性质,采用三种模型进行联合求解:高温离子用PIC粒子模型计算,低温离子用磁流体模型计算,中性大气用流体模型计算,并将三者之间的相互作用作为源项加入相应的控制方程.最后,计算了美国Starfish试验中碎片云的扩展情况,与试验结果进行了比对,并验证了求解方案的可靠性.此外,还给出了不同投影角度下碎片云形状随时间的变化,并分析了影响碎片云运动的主要因素,包括大气阻力、磁压、槽型不稳定性和霍尔电流等.     

极化效应对Bohr速度能区O5+离子在低密度氢等离子体中的能损影响

基于HIRFL加速器装置的低能束实验平台,实验测量了1.07 MeV(～66.9 keV/u)高电荷态O⁵⁺离子穿过中性氢气和部分电离的低密度氢等离子体靶后的能量损失,观测到等离子体中离子能损减小的新实验现象.分别考虑部分电离等离子体对炮弹离子的电荷屏蔽效应以及靶区原子的极化效应(Barkas修正),重新计算了离子能损,讨论了离子能损减小的可能物理机制.研究结果表明:在部分电离的低密度等离子体中,靶区的原子极化效应将显著影响Bohr速度能区离子的能量损失过程.     

HT-7 装置回旋质谱探测器边界离子诊断

介绍了回旋质谱探测器的原理和设计及其在HT-7 装置欧姆放电下对边缘等离子体中离子的诊断实验。探测器安装在限制器附近, 通过一小孔引进等离子体; 设置的前置偏压使电子和离子分离, 并使离子减速; 进入腔体内部的离子在射频电场和平行磁场的作用下发生回旋共振; 通过考察收集的离子电流信号中的共振峰可得到离子的荷质比、回旋频率等参数。实验中观察到荷质比为1、0. 5、0. 3333、0 . 1819 的离子共振峰。     

EAST上磁位形和杂质对束离子约束和加热影响的数值模拟

利用程序ORBIT和TRANSP/NUBEAM模拟研究全超导托卡马克实验装置(EAST)等离子体位形和杂质的特征参数Z_eff(有效电荷数)对束离子约束和加热的影响。结果表明：在等离子体位形中,随着最后一个封闭通量表面与中面外容器壁之间的距离(gapout)和环向磁场强度的增加,快离子的损失(包含瞬时损失和波纹损失)也随之减少,因此中性束的加热效率随着gapout的增加而提高。此外,随着背景等离子体杂质的增加(即Z_eff的增加),增加了束损失,导致最后束加热效率降低。选择合适的磁位形,同时降低背景的杂质含量可以增强快离子约束,提高束的加热效率。     

杂环分子-吗啉在同步辐射真空紫外光下的光电离解离研究

本文采用同步辐射真空紫外光电离质谱法和理论计算方法,研究了吗啉单体的光电离、解离及随后的裂解反应.实验测得吗啉单体的垂直电离能为8.37 eV(±0.05),与理论计算值8.41 eV相当吻合.实验观察到荷质比为86、57和29的吗啉碎片离子.实验和理论结果表明:荷质比为86的碎片是通过失去氢原子而产生的,而荷质比为57的碎片是通过开环消除CH_2O而形成的;荷质比为29的碎片是通过消除C_2H_4从碎片离子(C_3H_7N)~+(m/z=57)进一步解离而产生的.这一发现为研究脂肪族化合物的光损伤提供了有价值的见解,可能被转化为活细胞和其他生物系统.     

高空核爆炸能量在大气层中的沉积规律

建立了高空核爆炸X射线辐射能和碎片动能在大气层中沉积的计算模型,利用该模型模拟了美国和苏联的4次大威力高空核爆炸试验(Checkmate, Starfish, K3, K4)的能量沉积情况,分析了碎片动能在海拔100—200 km的沉积规律.计算结果表明,与X射线沉积区相比,碎片动能沉积区范围较小,能量密度较大;碎片动能沉积在较短时间内(约0.5 s)完成,在爆心附近和海拔115 km附近存在两个吸收峰;动能沉积区在水平截面大体上为椭圆形,爆炸纬度越高,椭圆偏心率越小,水平截面积随海拔高度的增加而增大,随爆高的增大而减小;距爆点较远、远离磁泡时,动能沉积峰值点在穿过爆心的地磁场磁力线附近;距爆点较近、磁泡内部的动能沉积峰值点在爆心投影点附近.     

电子回旋共振等离子体密度均匀性的数值研究

基于漂移扩散近似,在轴对称假设下,对电子回旋共振等离子体源腔室内的等离子体建立了二维流体模型.采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽数值模拟,得到了等离子体密度均匀性随时间演化的数值结果.通过对数值结果的分析,研究了背景气体压强、微波功率和磁场线圈电流对等离子体密度均匀性的影响.研究表明,在电离初期,电子密度的均匀性好于离子密度的均匀性.在电离后期,离子密度的均匀性好于电子密度的均匀性.随着背景气体压强的增大,电子密度和离子密度的均匀性都在增加,且离子密度的均匀性增加的更快.随着微波功率的增大,电子密度和 关键词： 等离子体密度均匀性 背景气体压强 微波功率 磁场线圈电流     

高空核爆炸碎片云早期扩展规律研究

利用磁流体力学理论建立了描述碎片云运动的壳层模型,采用该模型模拟了美国Starfish高空核爆炸试验碎片云的运动参数,通过与文献模拟结果的比对,验证了所建模型的正确性.针对典型大当量和小当量核爆的不同,重点模拟了千吨级利百万吨级核武器在100,400和1500 km高度爆炸时碎片云运动扩展情况,分析了当量的差异引起的扩展规律的不同.结果表明:高空核爆炸时不同爆炸条件和大气环境对碎片云的扩展规律有着显著的影响,不同方向上碎片云的环境参数差异明显.     

中等质量碎片的内部激发对同位素核温度的影响

利用费米气体模型和区域密度近似分别计算单粒子能级密度,通过单粒子能级密度求得中等质量碎片(IMF)的内部配分函数. 计算表明,热核衰变过程中发射的中等质量碎片的内部激发对同位素核温度的测量结果有很大的影响.     

线型离子阱中空间电荷效应的理论分析

线型离子阱中的离子在射频场作用下做宏观的久期运动,久期运动频率与实验参数有关.但当离子阱中囚禁大量同种电荷的离子时,空间电荷效应会导致离子间存在相互排斥的库仑力,使离子的运动频率发生漂移.本文通过求解泊松方程计算了空间电荷产生的附加电场的解析表达式,在小振动近似下理论计算了该附加电场对久期运动频率的影响,模拟了不同离子云中心密度下久期频率的漂移,讨论了离子云的数目、温度与实验参数之间的关系.对用离子阱进行的频标实验、碰撞实验和其他方面的研究都具有重要的指导意义.     

介质阻挡均匀大气压辉光放电数值模拟研究

通过数值求解一维电子、离子连续性方程和动量方程，以及电流连续性方程，计算了氦气介 质阻挡大气压辉光放电电子、离子密度和电场在放电空间的时空分布，以及放电电流密度和 绝缘介质板充电电荷密度随时间的变化. 分析讨论所加电压频率、幅值及介质板性质等对均 匀大气压辉光放电性质的影响. 当外加电压频率足够高时，大量离子被俘获在放电空间，空 间电荷场又引起足够多的电子滞留在放电空间. 这些种子电子使得在大气压下发生汤森放电 ，放电空间结构类似于低气压辉光放电，即存在明显的阴极位降区、负辉区、法拉第暗区和 等离子体正柱 关键词： 大气压辉光放电 介质阻挡 数值模拟 等离子体     

电磁监测试验卫星离子漂移计探测技术

依据电磁监测试验卫星的任务要求,自主研发了等离子体分析仪,用于探测电离层等离子体的离子密度、温度、成分、漂移速度和密度的涨落.等离子体分析仪由阻滞势分析器、离子漂移计和离子捕获计组成,其中离子漂移计用于探测离子垂直轨道方向的漂移速度.通过分析电离层等离子体的离子漂移速度特性,确定仪器的性能指标.离子漂移计传感器采用多层栅网压紧结构,栅网材料选用铍铜,各层栅网之间采用聚酰亚胺绝缘.依据技术指标,详细设计了离子漂移计传感器的窗口尺寸、传感器几何高度和收集极半径.在电子学电路设计时通过前放电路三个可调量程的设计,保证了电路测量范围和精度,并通过实验进行验证.在此基础上,借助意大利国家天体物理研究院行星际物理研究所的地面等离子体环境,完成了离子漂移计的等离子体环境测试.测试结果表明,离子漂移计垂直轨道方向漂移速度测量结果的变化趋势与转台设定值变化趋势一致,且测试精度指标满足设计要求,能够满足电磁监测试验卫星的任务需求.     

尘埃粒子电势对等离子体电导率的影响

本文通过提出电势影响因子的概念描述了尘埃粒子与背景等离子体之间的电势差对等离子体电导率的影响. 电势影响因子与尘埃粒子的电荷数、数密度、半径以及背景等离子体电子数密度成正比, 而与背景等离子体电子温度成反比. 在考虑尘埃粒子电势影响下, 推导和完善了尘埃等离子体的复电导率模型. 选取火箭喷焰为典型实例, 分析比较了微波和近红外波段范围内, 考虑和不考虑电势差影响两种情况下的复电导率. 结果表明, 在给定的尘埃等离子体参数条件下, 随着入射电磁波频率的增大, 电势差对复电导率的影响在减小, 当入射频率增加至给定的近红外区域时, 电势差对复电导率虚部的影响可以忽略.     

飞秒强激光作用下线性等离子体层中光场和电子密度的自洽分布

自洽求解了圆偏振的飞秒强激光作用下线性等离子体层中光场和电子密度的分布.研究发现在激光有质动力的作用下，电子密度分布严重偏离离子密度分布，甚至出现了一系列的“电子岛”和“电子空腔”.由于电荷分离，等离子体内形成了很强的静电场，一部分激光能量转化为等离子体内的静电能.线性等离子体层储存静电能的大小随着入射激光强度的增加而显著上升. 关键词： 飞秒激光 相对论等离子体 电子密度 有质动力     

钡和铯释放的电离层扰动效应对比

碱金属或碱土金属在电离层释放后,迅速在太阳辐射作用下发生光电离,产生正离子和电子,形成人工等离子体云团.本文基于三维双成分流体模型,考虑释放区域水平风场的影响,探讨了钡和铯在电离层释放后的时空演化规律,并对钡和铯的电离层扰动效应进行了对比.模拟结果表明,不考虑中性风场时,生成的等离子体云团逐渐沿磁场被拉伸成椭球形结构,同时,膨胀的等离子体云会推开背景氧离子,在释放中心形成氧离子密度空洞,并在两侧产生两个对称的密度尖峰;水平风场的存在会使得生成的离子云逆风侧的密度梯度变陡,释放物质对背景氧离子的扰动也更大;对比钡与铯的释放结果发现,由于铯的扩散系数较小,钡云的膨胀更为迅速,Ba+云团的覆盖区域更广;而由于光电离率较大,释放相同质量下铯的离子产率更高;此外,Cs+的扫雪机效应比Ba+扫雪机更强,氧离子密度空穴和凸起处的扰动也更大.     

用集团运动的观点来研究回流离子问题

建立在单粒子运动学基础上的回流离子理论预测: 强流电子束轰击在 辐射转换靶上可能产生正离子. 这些离子在电子束空间电荷场作用下 回流, 会造成电子束过聚焦, 改变焦斑大小, 从而影响X光机的照相分辨率. 然而大量的实验没有发现相关的现象. 本文分析认为, 电子束 打靶时, 在靶表面可能会形成离子鞘层过渡区. 该区域可以抵消束流空间 电荷场对回流离子的驱动作用, 因此, 回流离子可能以等离子体集团扩散的 方式运动. 这种物理图像得到的结论是离子对聚焦的影响可忽略, 和已有的 实验结果相吻合.     

三探针方法脉冲放电等离子体特性

基于三探针方法开展了脉冲放电等离子体特性研究,实现了单次脉冲放电等离子体参数的时变特性诊断。采用金属罩屏蔽、示波器锂电池供电等方法降低了电磁信号干扰,利用Labview编制了特定的程序进行三探针诊断数据处理。根据脉冲放电等离子体具有多电荷态离子成分、离子超声速运动等特点,对三探针理论进行相应修正。诊断结果表明,整个放电脉冲内高压引出界面电子温度Te处于2~4eV之间,离子密度ni处于1017~1018 m-3量级之间,与Langmuir单探针诊断结果吻合。