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带电粒子与磁化二份量等离子体相互作用的线性介电响应理论研究

作　者: 王琼
导　师: 王友年
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 介电响应理论 磁化二份量等离子体 有限拉莫尔半径效应 尾流效应 阻止本领
分类号: O53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


带电粒子与等离子体相互作用这一研究课题一直以来都是人们研究的热门话题,这主要是由于其在材料表面改性、重离子驱动惯性约束聚变及磁约束聚变中中性束加热等领域的重要应用。特别是当中性束加热作为一种加热、电流驱动、回旋驱动等手段被成功地应用到托卡马克中时,入射粒子与磁化等离子体的相互作用得到了更深入地研究。本文就是以中性束加热为背景,研究高能带电粒子与磁化二份量等离子体的相互作用。本文首先考虑了电子、离子的极化效应,在假设平衡态粒子满足麦克斯韦分布的情况下,利用粒子的未扰动轨道积分方法和傅立叶时-空变换求解了线性化的伏拉索夫-泊松方程组,从而给出均匀磁化二份量等离子体中介电函数的表达式。接着,分别采用介电响应理论研究了有、无拉莫尔半径效应情况下、质子以任意速度进入均匀磁化的二份量氢等离子体中产生的尾流效应和能量损失。文章重点关注入射粒子在低速、强磁场情况下,离子的动力学极化效应对阻止本领的贡献,以及入射粒子有限拉莫尔半径对尾流效应和能量损失的影响。研究结果表明：入射粒子在磁化二份量等离子体中产生的阻止本领沿着速度的分布上有两个极大值,分别由等离子体离子、电子的集体激发而引起,位于离子热速度和电子热速度附近,被称为离子阻止和电子阻止。在低速u/vTe<1区,强磁场使等离子体离子的动力学极化效应明显增强,这时入射粒子的能量损失也主要来源于离子阻止。而对于高速u/vTe>1区,当磁场较弱时,入射粒子的能量损失主要来源于电子阻止,且随着磁场增加阻止本领增大；但强磁场仅使电子峰值向低速区略移。电子阻止和离子阻止均随等离子体密度的增加而增大,但随其相应温度的增加而显著降低。同时,本文还进一步研究了入射粒子速度、磁场强度、等离子体参数等对感应电势的影响。结果表明,入射速度越接近阻止本领取得最大值的速度,感应电势振幅越大。磁场强度和等离子体密度均使尾流效应增强。电子温度使高速入射粒子产生的感应电势变小,低速入射粒子产生的感应电势振幅增大；离子温度则产生了相反的效果。最后,本文还重点研究了入射粒子有限拉莫尔半径对尾流效应和能量损失的影响。结果表明,有限拉莫尔半径使尾流效应和阻止本领都变弱。且无论是强磁场还是弱磁场,离子阻止总是大于电子阻止,且随着磁场的增加,二者均增大。感应电势的最大峰值位于入射粒子的拉莫尔半径x=a处,这与忽略入射粒子拉莫尔半径时的位置x=0不同。此外,有限拉莫尔半径效应还使电子阻止峰值随着电子温度的增加向高速区移动、随着离子温度增加向低速区移动。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-17
  1.1 带电粒子与磁化等离子体相互作用的研究背景  10-11
  1.2 带电粒子与磁化等离子体相互作用的研究进展  11-16
    1.2.1 带电粒子的能量损失  11-13
    1.2.2 带电粒子的尾流效应  13-15
    1.2.3 介电响应理论  15-16
  1.3 本文的研究内容及章节安排  16-17
2 介电响应理论  17-35
  2.1 引言  17
  2.2 模型建立  17-20
    2.2.1 线性化的伏拉索夫方程  17-19
    2.2.2 泊松方程  19
    2.2.3 平衡状态下的粒子分布  19-20
  2.3 公式推导  20-26
    2.3.1 未扰动轨道积分求解伏拉索夫方程  21-24
    2.3.2 泊松方程求解  24-26
  2.4 介电函数  26-33
    2.4.1 无量纲化  27-28
    2.4.2 介电函数对频率和波矢的依赖  28-32
    2.4.3 等离子体参数对介电函数的影响  32-33
  2.5 小结  33-35
3 带电粒子在磁化二份量等离子体中的尾流效应和能量损失  35-46
  3.1 引言  35
  3.2 模型描述及公式推导  35-37
  3.3 数值计算结果与分析  37-44
    3.3.1 尾流效应  37-40
    3.3.2 能量损失  40-44
  3.4 小结  44-46
4 入射粒子的有限拉莫尔半径对尾流效应和能量损失的影响  46-57
  4.1 引言  46
  4.2 模型描述及公式推导  46-49
  4.3 数值计算结果与分析  49-56
    4.3.1 无穷级数的收敛  49-51
    4.3.2 尾流效应  51-53
    4.3.3 阻止本领  53-56
  4.4 小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-61
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  61-62
致谢  62-63

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 等离子体物理学
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