离子温度梯度模湍流的带状流最小自由度模型

在离子温度梯度模(ITG)湍流背景中,通过最小自由度模型中模耦合方式产生带状流,对此模型做了动力学稳定性分析及数值求解.并在此基础上初步探讨了湍流中漂移波与带状流的能量转移,以及雷诺协强与带状流的关系. 关键词： 等离子体 离子温度梯度模 湍流 带状流     

磁场剪切对离子温度梯度模带状流产生的影响

对离子温度梯度模湍流非线性流体方程进行了解耦处理,得到包含磁场剪切效应的带状流与漂移波相互作用的非线性动力学方程.采用调制不稳定性的四波相互作用模型,研究了磁场剪切对带状流产生的影响.研究表明,在k_//值较小的范围内,当|k_//|增加时,带状流的增长率也呈增加的趋势. 关键词： 托卡马克等离子体 离子温度梯度模湍流 带状流 磁场剪切     

托卡马克离子温度梯度湍流输运同位素定标修正中杂质的影响

托卡马克实验发现,在不同参数条件下,等离子体能量约束经验定标律会有或大或小的修正.为解释这种修正现象发生的原因,应用回旋动理学方法,对含重(钨)杂质等离子体离子温度梯度(ITG)(包括杂质模)湍流输运的同位素效应进行了数值研究.结果表明钨杂质效应极大地修改了同位素定标律和有效电荷效应.随着杂质离子电荷数Z和电荷集中度f_z的变化,同位素定标律在较大范围内变化. ITG模最大增长率定标大约为M_i~(-0.48→-0.12),杂质模的定标为M_i~(-0.46→-0.3),其中, M_i表示主离子质量数.在ITG模湍流中,有效电荷数越大,关于M_i的拟合指数偏离-0.5越远,表现为同位素质量依赖减弱.在两种模中,杂质电荷集中度越大,同位素质量依赖越弱.研究了杂质效应使定标关系发生偏离的原因,证实杂质种类、杂质电荷数和杂质浓度的不同,是引起同位素质量依赖发生改变的重要原因.结果证实并解释了不同参数条件下托卡马克同位素定标的差异性.研究成果可以为ITER实验安排及杂质相关输运实验中选择装置材料、工作气体和设置其他参数提供理论参考.     

环流器等离子体压强分布关于理想磁流体气球模的最佳化

大家知道,环流器等离子体关于气球模的稳定性条件对等离子体比压值给出了最严厉的限制,对圆戳面环流器,典型的按体积平均比压值仅为(1—2)％,远低于反应堆的设计要求。许多人已对提高这一临界比压值的各种可能性进行过讨论,最近的研究指出,动力效应对于气球模不稳定性的阈值影响甚微,不过可使不稳定性的增长率降低很多。可是,我们曾发现,可以存在比压值很高的平衡位形,它们对于局部Mercier模是稳定的。这类平衡位形的特点是其q-剖面由等离子体中心向边缘下降。本文目的为验证这类位形相对于最危险的磁流体模式,即气球模的稳定性。     

磁约束等离子体中杂质离子的输运方程

以非平衡态统计理论为基础,从福克尔-普朗克动理学方程出发推导出了各种杂质离子、氘离子和电子的输运动力学方程,即特殊的多组分等离子体输运方程。各级电离过程中形成的带不同电荷杂质离子的输运动力学过程以及不同粒子间碰撞相互作用的贡献在文中进行了系统的分析。此外,在重新推导并优化的基本方程组基础上,得到了各种杂质离子的输运动力学方程。     

等离子体形变对边界局域模的作用研究

在磁流体模拟代码BOUT++剥离气球模三场模块框架下研究了等离子体形变参数(拉长比和三角形变)对边界局域模的影响。研究表明,在线性阶段,拉长比主要作用于剥离气球模中气球模成分,抑制了环向模数较高的气球模不稳定性;而三角形变则对剥离气球模中剥离模成分和气球模成分均有抑制作用。在非线性阶段,拉长比导致边界E×B剪切率增加,迫使压强扰动的正值部分向等离子体芯部发展,导致边界局域模的能量损失增加;三角形变则导致边界E×B剪切率降低,使得压强扰动可以向等离子体边缘发展,台基向等离子体芯部的崩塌减弱,从而对边界局域模起到缓解作用。     

黏滞等离子体中双撕裂模不稳定性的数值模拟研究

本文采用磁流体力学模型,数值研究了平板位形下双撕裂模线性增长率关于等离子体电阻η和黏滞v的定标关系.结果表明,对于有理面间距较大的情况,线性增长率关于电阻和黏滞的指数定标率随着黏滞的增加逐渐由γ∝ η3/5v0的定标变化到γ∝η5/6v-1/6的定标;而对于有理面间距较小的情况,其指数定标率随着黏性的增加从γ∝η 1/3 v0的定标逐渐变化到γ∝η2/3v-1/3的定标.本文还给出了初始阶段对称的双撕裂模的非线性演化,发现在非线性阶段对称的双撕裂模将转化为反对称的双撕裂模,并解释了相应的物理机理.     

托卡马克等离子体中动力剪切阿尔芬波不稳定性的数值研究

用积分本征模方程研究了在托卡马克等离子体中包含全部动力学效应的动力剪切阿尔芬波模 (无论是否存在温度梯度). 引入了一个新的积分变量，将实平面的积分解析延拓到复平面. 这样可以同时研究增长模和阻尼模. 结果表明，在有离子温度梯度(ITG)的情况下，激发动 力剪切阿尔芬不稳定性所需的等离子体压强梯度比激发理想磁流体动力学气球模不稳定性的 阈值低得多，没有ITG时两者相同. 与动力无碰撞气球模结果不同，当有限ITG存在时，剪切 阿尔芬模存在第二稳定区. 关键词： 动力剪切阿尔芬模 磁流体气球模 阈值压强梯度     

托卡马克中漂移不稳定性的回旋动理学二维本征模方程

从弗拉索夫方程出发,导出了托卡马克等离子体中漂移不稳定性的回旋动理学二维本征模积分方程组。该方程组保留了离子的动理学效应,包括沿磁场的运动、磁场梯度和曲率漂移以及有限拉莫半径效应。与传统的采用气球模表象得到的一维回旋动理学方程(其只能给出不稳定模沿磁场线的结构)不同,该方程组不仅能给出托卡马克等离子体中漂移不稳定模的径向结构,同时还考虑了由离子的环形性漂移引起的相邻极向模之间的线性耦合,进而得到模的极向结构。该结果为相应的数值模拟研究提供了理论基础。     

痕量挥发性有机物的高场不对称波形离子迁移谱研究

高场不对称波形离子迁移谱(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry,FAIMS)技术是一种快速、高灵敏的痕量物质检测技术.利用自制的高场不对称波形离子迁移谱仪分别对丙酮、苯和甲苯样品进行了检测,结果表明三种挥发性物质在谱图中的分离效果优于传统离子迁...     

InGaN合金中LO声子-等离子激元耦合模的研究

分别采用532,488 nm可见光和325 nm紫外光激发,对金属有机化学气相沉积法在蓝宝石衬底上生长的六方相InGaN/GaN薄膜样品在室温和78 K低温下的拉曼散射谱进行了研究。在可见光激发时,E₂模和A₁(LO)模的散射信号主要来自GaN层;采用紫外光激发时,A₁(LO)模向低频方向移动且共振增强,此散射信号来自InGaN层。在可见光激发的情况下,在A₁(LO)模的高频方向观察到一个宽峰,此宽峰为InGaN的LO声子-等离子激元耦合模,根据耦合模频率得到InGaN层中的电子浓度为n_ｅ＝1.61×1018 cm-3。紫外光激发时,没有观察到耦合模,A₁(LO)模散射信号主要来自样品表面耗尽层,由此估算样品中的耗尽层宽度大约在40 nm。此外,还对比分析了在室温和78 K低温下LO声子-等离子激元耦合模的散射强度的变化规律,计算了不同温度下等离子激元的屏蔽波矢。这些结论对于了解InGaN材料的基本性质以及氮化物光电器件的开发利用都有重要参考价值。     

半圆形容器等离子体源离子注入过程中离子动力学的两维PIC计算机模拟

利用两维particle-in-cell方法研究了半圆形容器表面等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化规律. 详尽考察了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布规律,离子在鞘层中的运动轨迹和运动状态,得到了半圆容器内、外表面和边缘平面上各点离子注入剂量分布规律,获得了工件表面各点注入离子的入射角分布规律. 研究结果揭示了半圆容器边缘附近鞘层中离子聚焦现象,以及离子聚焦现象导致工件表面注入剂量分布和注入角度分布存在很大不均匀的基本物理规律. 关键词： 等离子体源离子注入 鞘层 两维particle-in-cell方法 离子运动轨迹     

强激光与高密度气体相互作用中电子和离子加速的数值模拟

在现有的一维粒子模拟程序的基础上发展了带光电离和碰撞电离及蒙特卡罗两体碰撞的模拟程序(1D PIC-MCC). 用此程序模拟研究了短脉冲激光与He气靶相互作用时电子和离子的加速过程. 研究表明当强激光与过临界密度的微米厚度的平面靶相互作用时，靶前表面物质将被激光脉冲前沿迅速离化；新生的电子被激光场有质动力加速成为高能电子，这些电子穿入到靶内，通过电子碰撞电离离化靶内物质；一部分高能电子穿透靶后，会在靶的后表面形成强的电荷分离场，该场迅速离化靶后表面物质，同时使得后表面离子得到加速. 部分穿透靶的超热电子将被电荷分离场重新拉回靶内，在靶的前后表面振荡. 一些振荡电子在此过程中得到电荷分离场加速，离开前表面，在前表面也形成电荷分离场，使前表面离子得到加速. 关键词： 激光等离子体 光电离和碰撞电离 电子加速 离子加速     

环位形下鱼骨模驱动快离子输运的数值模拟研究

考虑包含动理学效应的鱼骨模结构,使用导心轨道程序 ORBIT,在磁面坐标下研究了不同的扰动模 幅度、频率对快离子再分布的影响,并分析了粒子与扰动发生共振的条件。模拟得出,鱼骨模扰动会使快离子在 实空间、相空间中发生再分布,芯部( ψ_p/ψ _w≤0.2 ,ψ_p 为极向磁通,ψ_w 为最后一个闭合磁面的磁通)快离子密 度下降约 20%,中间磁面位置上( ψ_p/ψ _w≥0.2,ψ_p/ψ _w≤ 0.6)的快离子密度增加约 7%;通过扫描频率发现,相空间中快 离子的再分布对模式频率敏感,并分析了快离子与鱼骨模扰动共振的条件。     

离子液体在甲烷等离子体转化中作用机理的光谱研究

在直流等离子体甲烷转化反应体系中分别引入C₆MIMBF₄,C₆MIMCF₃COO,C₆MIMHSO₄三种离子液体,采用光谱在线技术检测反应中活性物种的种类和光谱谱峰相对强度的变化,研究了离子液体在气液等离子体甲烷转化反应中的作用机理。结果表明：向甲烷等离子体体系中引入离子液体可得到稳定的气液界面,并提高了甲烷转化率和C₂烃产物收率,C₆MIMCF₃COO和C₆MIMBF₄有助于提高C₂烃选择性,而C₆MIMHSO₄则导致C₂烃选择性下降。在气液等离子体甲烷放电体系中检测到了C,C₂,C₃,CH,H等活性物种的发射光谱,与未引入离子液体时相比大多数活性物种的谱线强度均有增加。核磁共振研究表明反应后离子液体C₆MIMBF₄结构稳定,可认为离子液体作为液体导电介质提高了等离子体放电强度,促进等离子体区气相反应过程,同时离子液体在气液表面反应过程起催化作用。     

磁化非均匀等离子体中模转换机制对电磁波吸收的数值研究

用数值方法研究磁化非均匀等离子体(磁场与密度梯度垂直)中模转换机制对p极化电磁波的吸收效应,重点考虑磁场对吸收率的影响,结果表明:与非磁化等离子体相比,磁场的加入使得吸收率曲线相对入射角的分布发生小的偏移,吸收率为零的位置不是发生在零度入射(即垂直入射)时.而是在一个负的入射角位置,垂直入射时有不为零的吸收率,且正角度范围与负角度范围的峰值吸收率不相等,磁场提高了正入射角范围内的峰值吸收率而降低了负角度范围内的峰值吸收率(或反过来,这取决于磁场方向).     

混合载气高场不对称波形离子迁移谱中He‐N2 比例对挥发性有机物混叠峰分离的影响研究

载气混合是提高高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）离子分离能力的一个重要方法,在生物大分子质谱研究领域已得到广泛应用,但缺乏在环境小分子领域的研究。选取挥发性有机物（VOCs）中芳香烃、醇、烷烃、酸、酮类中的五种物质（邻二甲苯、异丁醇、正己烷、乙酸、丙酮）为研究对象,研究了混合气体中He-N₂比例对VOCs中单体-二聚体离子混叠峰峰位置、分离度及总离子通过率的影响。实验结果表明,随着FAIMS载气中He比例的增加,5种VOCs中单体及二聚体离子峰峰位置发生偏移,且单体峰与二聚体峰偏移程度不同,单体峰偏移量先增加后减少,而二聚体峰峰位置偏移量逐渐增加;随着FAIMS载气中He比例的增加,五种VOCs离子混叠峰的分离度逐渐增加并趋于饱和,邻二甲苯、异丁醇、正己烷、乙酸、丙酮5种样品的混叠峰分离度达到饱和时对应He比例分别是：20%,30%,10%,40%和20%;随着FAIMS载气中He比例的增加,邻二甲苯、异丁醇、正己烷、丙酮的离子信号强度无明显变化,乙酸的离子信号强度下降明显。该研究为提高FAIMS对环境小分子的分离能力提供了一种可行的方法。同时,也验证了高电场下布朗定律在小分子离子应用上的有效性。