动力学阿尔文波的实验研究

动力学阿尔文波是垂直波长接近离子回旋半径或电子惯性长度的短波长色散阿尔文波,由于能在磁等离子体的丝化精细结构和带电粒子能化现象中起重要作用,一直是空间和实验室等离子体物理领域里具有广泛兴趣的研究课题.特别是1990年代后,由于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.这不仅在实验上进一步证实了动力学阿尔文波一系列重要的理论特性,也导致了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认识,并在从地面实验室等离子体到空间和天体等离子体的广泛领域里再次激发了对动力学阿尔文波的研究兴趣.在这篇综述性报告里,我们将着重介绍自上世纪90年代以来有关动力学阿尔文波实验研究的主要进展,包括在地面实验室大型等离子体装置上进行的实验研究、由科学卫星在空间等离子体中进行的实地测量证认、以及对太阳大气中动力学阿尔文波相关信号的遥测分析.这些实验研究覆盖了动力学阿尔文波物理的各个方面,涉及的内容从动力学阿尔文波的基本色散关系、电磁偏振状态、激发与耗散机制,到非线性相互作用和不同等离子体环境下湍动谱的特性等.这将有助于读者更加全面、完整地理解动力学阿尔文波的物理本质及其相关现象.     

尘埃等离子体中朗缪尔波的非线性调制

研究了尘埃等离子体中尘埃声波（ＤＡＷ）和尘埃离子声波（ＤＩＡＷ）对朗缪尔波的非线性调制。在小而有限振幅极限下,得到了朗缪尔波的包络孤立子。对于朗缪尔波与尘埃声波的非线性耦合,包络孤立子存在两个速度传播区;而对于与尘埃离子声波的耦合,只有一个传播区     

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。     

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。     

强碰撞磁化尘埃等离子体中的漂移波

研究磁化尘埃等离子体的波动机理,对相关实验、工业加工、天体空间探测等具有重要的价值.本文研究了非均匀磁化尘埃等离子体系统的线性和非线性波动特性.对处于均匀外磁场中的非均匀尘埃等离子体系统,存在密度和温度梯度的非均匀环境,考虑尘埃和中性粒子的强碰撞作用,得到了一个二维非线性磁流体动力学方程.通过线性化得到了色散关系,系统既有强碰撞引起的阻尼波,又有粒子漂移产生的谐波;典型的数值参量分析结果表明,量子参量修改了系统的尺度;实频与漂移频率成正比关系,而虚频与尘埃和中子间的碰撞频率有着比较复杂的关系,粒子的碰撞引起了系统的耗散效应.通过函数变换法,获得了漂移的冲击波和爆炸波的解析解.详细讨论了静电势随着主要物理量的变化,研究结果显示,静电冲击波的幅度和爆炸波的宽度都随尘埃密度和外界磁场强度的增大而增大,随着碰撞频率的增大而减小,随漂移速度而变化.当时空相位较小时,静电势变化很快,一旦足够大时,静电势将趋于稳定值,最终达到稳定的状态.最后对系统的稳定性问题进行了分析,发现尘埃电荷量、量子参量、漂移速度都出现在扰动解中.本文所得结果表明,强碰撞效应、量子效应、粒子漂移和外界磁场等主要物理量都对尘埃...     

量子尘埃等离子体中尘埃充电对尘埃声波的影响

采用流体动力学方程组和尘埃充电方程组成的自洽模型系统,对量子尘埃等离子体中的尘埃声波波动性质进行了研究。通过线性理论分析方法得到系统的尘埃声波波动方程及其色散关系,并对色散关系进行了数值分析。研究表明:充电效应定性地修正了尘埃声波的色散特性,引起尘埃声波的耗散,其耗散强度主要与尘埃等离子体的参数有关。最后,分析了引起尘埃声波耗散的物理原因。     

量子尘埃等离子体中尘埃充电对尘埃声波的影响

采用流体动力学方程组和尘埃充电方程组成的自洽模型系统,对量子尘埃等离子体中的尘埃声波波动性质进行了研究。通过线性理论分析方法得到系统的尘埃声波波动方程及其色散关系,并对色散关系进行了数值分析。研究表明：充电效应定性地修正了尘埃声波的色散特性,引起尘埃声波的耗散,其耗散强度主要与尘埃等离子体的参数有关。最后,分析了引起尘埃声波耗散的物理原因。     

反应等离子体中尘埃空洞形成的实验研究

利用气体合成（乙烯和硅烷，氩气是载气）的方法，产生尘埃粒子，并在此基础上研究了悬 浮在射频等离子体鞘层上方的尘埃云及尘埃空洞.实验结果给出了尘埃云和尘埃空洞与射频 功率和气压等参数的关系曲线. 关键词： 尘埃等离子体 尘埃空洞 尘埃云     

强耦合尘埃等离子体中正电扰动下的尘埃声激波

研究了强耦合尘埃等离子体的尘埃声波的线性色散关系和尘埃声孤波的非线性传播。考虑一个包含电子、离子、正电扰动尘埃颗粒的完全电离的三成分模型等离子体。假定其电子、离子数密度服从玻尔兹曼分布,而大质量的尘埃成分用一组经典流体方程描述,对系统方程进行线性化,得到了尘埃声波的线性色散关系,发现离子的集中参数对色散关系的影响很大。用约化摄动法对系统方程进行展开,得到了描述小振幅孤波的伯格斯方程。基于伯格斯方程研究了尘埃声孤波的基本特性,发现尘埃颗粒的强耦合效应对尘埃声孤波有很大的修正作用。该研究结果有助于理解尘埃空间等离子体中局域波的一些特性。     

低混杂波电流驱升与等离子体平衡

本文研究了低混杂波电流驱动与等离子体平衡问题．考虑了感应电场，得到了自洽方程组，并把它应用于托卡马克工程实验混合堆电流驱升阶段的某一时刻，研究了该时刻低混杂波电流驱动与ＭＨＤ平衡。计算中采用了一个较宽的波谱，得到了电流与安全因子ｑ的分布。     

非热离子对非均匀碰撞热尘埃等离子体中三维孤波的影响

从理论上研究了非热离子、外部磁场、碰撞对非均匀热尘埃等离子体中三维非线性尘埃声孤波的影响。运用约化摄动法得到描述三维非线性尘埃声孤波的非标准的变系数Korteweg-de Vries(KdV)方程。然后把非标准KdV方程变为标准的变系数KdV方程,并且得到了标准的变系数KdV方程的近似解析解。由此解析解可以看出,非热离子的数目、碰撞、非均匀性、波的斜向传播、尘埃颗粒和非热离子的温度对三维非线性尘埃声孤波的振幅和宽度有很大的影响。外部磁场对三维非线性尘埃声孤波的宽度有影响,而对其振幅没有影响。此外,波的相速度与非热离子、波的斜向传播、尘埃颗粒的温度和非均匀性有关。     

尘埃等离子体中非线性波的叠加效应及稳定性问题

研究了小的有限振幅的无磁场尘埃等离子体中的非线性波.在一维情况下由Kortewegde Veries(KdV)方程来描述,考虑了二维情况下尘埃等离子体中尘埃颗粒上电荷的变化效应以及双温度离子效应后,尘埃等离子体受到横向高阶扰动后动力学方程由Kadomtsev-Petviashvili(KP)方程来描述.在此基础上,研究了以任意夹角传播的两个及三个孤立子的相互作用问题,考虑非线性效应后振幅相等的双孤立子在相互作用区域内振幅最大值是单个孤立子振幅的4倍,振幅相等的三孤立子在相互作用区域内振幅最大值是单个孤立子振幅的9倍.研究还表明波的传播方向受到横向高阶扰动后是稳定的.     

尘埃等离子体中非线性波的叠加效应及稳定性问题

研究了小的有限振幅的无磁场尘埃等离子体中的非线性波.在一维情况下由Korteweg de Veries (KdV)方程来描述,考虑了二维情况下尘埃等离子体中尘埃颗粒上电荷的变化效应以及双温度离子效应后,尘埃等离子体受到横向高阶扰动后动力学方程由Kadomtsev-Petviashvili(KP)方程来描述.在此基础上,研究了以任意夹角传播的两个及三个孤立子的相互作用问题,考虑非线性效应后振幅相等的双孤立子在相互作用区域内振幅最大值是单个孤立子振幅的4倍,振幅相等的三孤立子在相互作用区域内振幅最大值是单个孤立子振幅的9倍.研究还表明波的传播方向受到横向高阶扰动后是稳定的.     

双麦克斯韦分布尘埃等离子体中尘埃粒子的充电研究

根据充电方程和电荷守恒条件,导出了双麦克斯韦分布的弱电离尘埃等离子体充电频率(电荷弛豫速率),给出了充电电流的计算公式. 对结果分析表明,定向运动速度大小对充电电流和充电频率有一定的影响,充电频率随着定向速度增加而减小,当定向速度远远小于电子的热速度时,充电频率与文献给出的表达式一致. 关键词： 尘埃等离子体 双麦克斯韦分布 充电频率     

碰撞对尘埃等离子体鞘层中尘埃颗粒影响

在一维平板鞘层中应用流体模型研究了尘埃等离子体鞘层中碰撞对尘埃颗粒密度和带电量的影响。 研究所涉及的碰撞主要有电离碰撞,电子、离子分别与中性粒子的碰撞,以及电子、离子分别与尘埃颗粒的碰撞。通过采用四阶龙格库塔法,得到了数值解。结果表明,随着电离碰撞或者电子、离子分别与中性粒子碰撞的频率 增加,都将导致鞘层中尘埃颗粒的数密度增大,数密度的极值位置向鞘边位置靠近,尘埃颗粒带电量增多。电子、离子与尘埃颗粒的碰撞,使得尘埃带电量减小。此外,从研究的结果来看,由离子产生的碰撞要比电子产生的碰 撞对尘埃颗粒的影响明显得多。     

等离子体鞘层中尘埃粒子的分布特性

采用柱槽状电极的流体模型，数值模拟了等离子体鞘层及鞘层中尘埃粒子的分布结构. 研究了尘埃粒子数、粒子大小、电极尺寸等因素对尘埃分布结构的影响. 研究表明：当等离子体密度较高时，鞘层较薄，反之鞘层较厚；当尘埃粒子数少时，尘埃分布形成一层结构，反之则形成多层结构；随电极尺寸的不同，尘埃粒子形成一些复杂而又有趣的结构. 关键词： 尘埃粒子 等离子体鞘层 电极     

非均匀磁场尘埃等离子体中颗粒的复杂运动

本文研究了在非均匀磁场尘埃等离子体中不规则尘埃颗粒的复杂运动, 包括圆滚运动、尖头圆滚运动、圆周运动以及波浪运动等. 放置在电极上的圆柱形磁铁的主要作用是改变鞘层的径向分布, 进而对颗粒产生径向约束, 使尘埃颗粒悬浮于圆柱形磁铁周围, 其磁场并不足以磁化颗粒使其做圆滚运动. 通过与球形尘埃颗粒的对比实验发现, 圆滚运动是不规则尘埃颗粒在等离子体中特有的一种运动. 我们提出了一种新的机理: 由于不规则颗粒的自旋而引起的横向反Magnus力对颗粒的圆滚运动起了重要的作用. 文中通过受力分析定性地对实验中观察到的非球形颗粒的各种运动给出了合理的解释.     

非均匀尘埃等离子体中孤子的传播

运用约化摄动法研究了非均匀尘埃等离子体中孤子的传播情况. 在低阶近似下, 对于小的、但有限振幅的长波振动, 当分界面不连续变化时,孤子在不连续点的反射波与透射波均可由 KdV 方程来描述, 并给出了低阶近似情况下, 对于小的、但有限振幅的长波振动, 当入射波为单孤子时, 反射孤子与透射孤子的个数及其大小;当分界面是有限长度并连续变化时,对于小的、但有限振幅的长波振动, 尘埃声孤波由KdV型方程来描述,并由此给出了准孤子振幅、传播速度等参量在传播过程中的变化. 关键词： 尘埃等离子体 孤子 KdV方程 约化摄动法     

绝热电荷扰动对非均匀热尘埃等离子体中三维孤波的影响

尘埃颗粒上不断有电子流和离子流的出入以及二次电离、光电离等因素,所以尘埃颗粒上的带电量不是一个常量而是随着时间和空间变化的,因此尘埃电荷成为尘埃等离子体中的一个新的动力学变量,研究其对等离子体中各类非线性过程的作用成为尘埃等离子体物理中的一个重要课题.当今对于非均匀尘埃等离子中非线性波的研究大多数都集中于一维,对于三维非线性波的研究非常少.基于这种情况,在考虑非均匀性、尘埃颗粒绝热电荷扰动以及外部磁场等物理因素的情况下,运用约化摄动方法得出描述三维孤波的变系数的Korteweg-de Vries(KdV)方程.由结果可以看出,非均匀性、电荷扰动、外部磁场、斜向传播、尘埃温度对三维非线性波的传播有着极大的影响.利用适当的变换,得到了变系数方程的近似解.