电子反射效应与离子粘滞效应对磁化等离子体鞘层的影响

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等离子体鞘层存在于所有与等离子体相接触的壁的附近区域,近年来针对磁化等离子体鞘层的研究备受关注,该研究在磁约束等离子体边界层(如偏滤器附近)物理以及低温等离子体与材料表面相互作用等领域有广泛应用。该领域已有很多研究成果,但还存在不少有待深入探讨的问题。  以往在研究磁场与壁成一角度情况下的鞘层问题时,通常会假设鞘层内电子密度服从玻尔兹曼分布,但实际上电子沿磁力线向壁运动过程中受到鞘层负电势的排斥,一部分电子会被反射回主等离子体区,电子密度不再服从玻尔兹曼分布。对磁化等离子体鞘层进行研究时,通常使用一维空间、三维速度的流体模型,鞘层内会出现较大的速度剪切,由此呈现较强的剪切粘滞效应,这将对鞘层结构产生重要影响。此外,磁场与壁平行情况下的鞘层问题研究较少,有些流体模型得到的结论与预期的物理图像不一致。本论文针对这些问题开展工作。  本论文第二章使用了一维空间、三维速度的流体模型,研究了电子反射效应对斜磁场情况下磁化鞘层的影响。研究发现,离子垂直壁方向的入射速度(即临界马赫数,或广义玻姆判据)依赖于壁的偏压,这与前人研究结果—即临界马赫数与壁偏压无关—有很大不同,该速度随壁负偏压的增大而增大并逐渐趋于电子密度Boltzmann分布的结果。考虑电子反射情况下壁的悬浮电位以及鞘层厚度均比假定电子为Boltzmann分布的情况小,仅当壁负偏压足够高时两种情况的差别消失。此外,离子温度的升高和磁场强度的增强均使鞘层压缩。  论文第三、四章针对磁约束等离子体边界参数,分别研究了斜磁场情况下剪切粘滞与体粘滞效应对磁化鞘层的影响。研究发现,粘滞效应使磁化鞘层变窄,磁场的增强将缩小粘滞与非粘滞两种情况下鞘层结构的差别,但是离子温度的升高将增大这种差别。粘滞项的引入增加了边界条件的复杂性,离子速度除了须满足临界马赫数外,须另给出合理的速度剪切。研究也表明,在本文考虑的模型中,粘滞效应对临界马赫数没有影响,但是边界的电漂移和抗磁漂移速度将使临界马赫数降低。  论文第五章针对磁场平行壁的情况,建立双流体模型,探讨了流体模型描述磁化鞘层结构出现的问题。研究表明,在忽略电子惯性项情况下获得电子鞘的结果,但是等离子体密度往壁方向升高;在保留电子惯性项情况下获得离子鞘的结果。这些结果(包括前人在这方面的一些工作)与预期的等离子体密度往壁方向下降的电子鞘物理图像不符,指出流体模型在这种情况下需要斟酌。
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