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[博士论文] 王智君
光学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:EAST装置研制了一套高速真空紫外(VUV)望远镜成像系统,该系统主要由三个部分组成:两个(钼)Mo/(硅)Si多层膜反射镜组成的望远镜系统,微通道板(MCP)和高速CMOS可见光相机。Mo/Si多层膜反射镜可以选择性地测量中心波长为13.5 nm的等离子体辐射。对于EAST托卡马克,该波长主要对应于CVI (n=4→2)的线辐射。根据一维杂质输运程序,CVI线辐射的峰值主要分布在归化半径p∈(0.8,0.95)。因此,可以利用VUV成像系统来研究EAST边界等离子体(包括台基区)等离子体行为。本论文主要内容包括:对VUV成像系统的成像性能开展了系统分析;开发了专门应用于该成像系统的数据分析处理程序,并利用该程序分别对LHD装置和EAST装置上的实验数据进行了分析,并将分析结果与其它诊断结果进行了比较,验证了该程序的可靠性。
  VUV成像系统实验测得的图像数据里面包含很多有用的信息。其中,扰动数据的频率接近甚至低于噪声频率,奇异值分解(SVD)方法可以从噪声背景下分别提取出扰动数据在时间和空间上的信息。同时,快速傅里叶变法(FFT)可以用于获取扰动数据的频谱信息和等离子体模结构。
  由于VUV成像系统是线积分测量,为了获得局域的等离子体参数分布,必须借助于其它的数学处理手段,如层析重建和线积分测量数据合成。几何矩阵包含了诊断系统的所有信息,它计算的准确性与成像质量息息相关,它是重建/合成过程中的关键部分。本文提出了一种重建几何矩阵的方法:即基于三角网格的算法,该方法的主要思路如下:将磁面近似为有很多首尾相连的三角形组成,计算观测线和每个小三角的交点,从而可以估计出每个磁面对像素的贡献;此外,作为对比,本文还讨论了另外一种基于HINT2平衡程序的追踪磁力线算法,该方法将视线投影到目标平面上,把三维图像转换为二维图像。本文主要通过几何矩阵,假设合理的物理模型,可以获得不同的合成图像,与实验图像作对比,推断出局域的等离子体参数分布。
  通过ZEMAX光学软件,可以得到光学系统的点列图、调制传递函数等等,可对本文设计的光学系统作客观的性能评价。从ZEMAX分析和计算结果可以看出,该系统具有较大的观测视场,高质量的成像效果,满足了我们的设计要求。极向/环向模数m/n=2/1的MHD不稳定性是EAST中最常见的MHD不稳定性之一。VUV成像系统已经成功观察到了低频(~2.3 kHz)扰动,与磁探针的测量结果一致。通过对VUV成像数据进行SVD分析来获得时间(Chronos)和空间(Topos)扰动分量。通过比较合成图像和实验测量数据,可以推断测量的扰动模式为撕裂模。本文还介绍了升级后的LHD上的VUV成像系统观察到~1kHz,m/n=2/1MHD不稳定性。从Topos可以看出,MHD不稳定性的极向模数m=2。通过比较合成图像和实验测量数据,预测该扰动模式为交换模。本文还介绍了实验采集到的ELMs图像和等离子体破裂图像,这表明VUV成像系统可以成功地应用于各种放电条件下的等离子体测量。
  目前,EAST上VUV成像系统的主光轴平行于等离子体主半径,从低场侧垂直观测等离子体。为了更有效的测量边界等离子体行为,该VUV成像系统需要进行升级实现切向覆盖。本文还会讨论了光学系统的升级方案。
[博士论文] 李永春
等离子体物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:射频波电流驱动和加热对于托卡马克的稳态高约束运行至关重要。在驱动等离子体电流或对等离子体进行加热之前,波会先在边界和等离子体相互作用。尤其是用于电流驱动的低杂波对边界的密度要求更为苛刻,它的边界功率耦合和内部电流驱动都与边界的密度及其涨落有关,因此研究射频波与边界密度及涨落之间的相互作用对提高射频波加热和电流驱动能力具有十分重要的意义。全文主要根据低杂波天线探针测量的结果,围绕低杂波、离子回旋波对边界密度行为的影响开展相关的实验研究和模拟分析。主要内容如下:
  1)首次利用4.6GHz低杂波天线上、下探针研究了不同放电条件下(磁场方向、低杂波功率)天线附近的密度行为,发现了造成低杂波天线端口密度不均匀性和极向不对称性的决定因素。通过分析2.45GHz和4.6GHz天线探针数据和可见相机图像,对比两套天线附近密度分布上的异同,并进行了分析和模拟研究。低杂波功率引起的E×B对流效应会影响天线附近密度的输运过程,导致其密度分布的不均匀性和极向分布的不对称性。进一步分析了E×B的极向分量和径向分量、未扰动等离子体电势、中性气体电离等因素对密度分布的影响。模拟发现造成以上密度分布的决定性因素是E×B的径向分量,径向对流方向在波导中心两侧是相反的,导致了偏离波导中心的密度“峰”、“谷”结构。E×B的极向分量和未扰动等离子体电势不会对密度的分布造成决定影响,它只会对E×B径向分量导致的密度分布做出一定修正。考虑中性气体的电离后,天线端口的密度整体增加,上、下探针处的密度随功率的增加或减小的趋势不再对等,使模拟计算的结果更加接近实验测量结果。
  2)通过对探针离子饱和流、低杂波反射系数进行高阶矩统计、相干分析,研究H模放电对低杂波与等离子体耦合的影响。研究表明密度扰动和反射系数在高阶统计属性上(偏度)存在着反比关系;通过对离子饱和流进行相干分析,发现了不同ELMs形态造成耦合差异的原因:低频、大幅度ELMs的爆发使天线端口密度在单位时间内增加的更多,导致此时低杂波耦合比高频、小幅度ELMs和ELM-free时要好。这些分析为以前实验的统计结果提供了重要依据和数据支持。
  3)通过对离子回旋波加热时的探针离子饱和流进行高阶矩统计分析、相干分析和功率谱分析,首次对EAST上离子回旋波抑制间歇性爆发事件(“blobs”)进行了研究,确定了两套离子回旋天线抑制“blobs”的阈值功率范围。研究发现与探针有磁链接的I窗口ICRF天线抑制“blobs”的阈值功率小于0.5MW,此时密度相对涨落下降达到45%,离子饱和流的几率密度函数(PDF)接近于高斯分布;而与探针没有磁链接的B窗口ICRF天线抑制“blobs”的阈值功率大于1.0MW,在0.5-1.0MW的功率范围内,随功率的增加,密度相对涨落下降11%-30%,离子饱和流的PDF逐渐接近高斯分布。E×B剪切流可能是“blobs”被抑制的原因。
[博士论文] 许棕
等离子体物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:将来聚变采用高参数、稳态和长脉冲运行时,等离子体芯部高Z杂质的聚芯必须要得到有效的控制。高Z金属杂质一旦聚芯就会对等离子体带来十分严重的危害。存在的高Z金属杂质不仅会稀释主离子的浓度,杂质聚芯还会导致大量的等离子体辐射能量损失,严重恶化芯部等离子体约束,并降低聚变反应功率密度,影响高参数、稳态和长脉冲的等离子体运行。
  高Z金属杂质行为的研究依赖于东方超环(EAST)装置上杂质相关的诊断系统的发展。本文重点介绍了EAST装置上新发展三套极紫外(EUV)光谱仪(EUV_Long/EUV_Shorrt/EUV_Long2),EUV谱仪可以给出等离子体中杂质高阶电离态辐射信息,是用于芯部高Z杂质输运研究的重要诊断,已经完成了波长和强度标定与谱线识别、二级库建设和数据共享。除此以外,EAST装置上新发展的滤光器(Filterscope)和多道光纤光谱仪(OSMA)可见光谱诊断系统可以用于研究边界的杂质行为,是研究杂质源项信息的重要手段;可见轫致辐射诊断(VB)可以给出等离子体有效电荷数Zeff,用于装置整体杂质水平的评价;辐射量热仪(Bolometer)和软X射线(Soft X-ray)等诊断系统可以给出等离子体中总的杂质辐射水平和分布;而依托这些诊断系统,通过分析研究等离子体中的杂质行为,有助于了解杂质输运的机制,从而找到用于控制杂质聚芯的有效途径,为高参数、长脉冲稳态等离子体运行创造条件。
  本文对EAST装置中性束(NBI)主导加热高约束模(H模)下的钨(W)杂质行为进行了分析研究。NBI加热总是会引入钨杂质,同时常常观察到钨杂质的聚芯并会严重影响H模的约束性能和参数分布。研究发现:钨杂质的浓度会随着射频波(RF)加热功率和边界局域模(ELM)频率的增大而降低;在有新经典撕裂模(NTM)的H模放电中,钨杂质聚芯程度大大减弱,但是等离子体的约束性能也同时受到限制,而存在边界密度扰动(EDF)的H模放电中,钨杂质浓度和聚芯程度得到了有效的控制并能维持很好的等离子体约束性能;EAST装置上集成型小ELM (ISE)H模作为新的运行模式,可以获得很好的约束性能,同时具备较低的杂质水平和钨杂质约束时间,将是高参数、稳态和长脉冲运行的一种理想模式。分析表明杂质输运与边界安全因子(q95)和总的加热功率密切相关,在高q95和高功率加热时,杂质输运明显增强。并在低q95实验中采用环向模数n=1的共振磁扰动(RMP),在相位差>180°时实现了对钨杂质浓度的有效控制。
  此外,本文首次在EAST装置上利用自发的瞬态杂质扰动研究了铁(Fe)和铜(Cu)在低杂波(LHW)加热条件下、无锯齿等离子体中的杂质约束特性。文中分别研究了欧姆和LHW加热低约束模(L模)的杂质约束时间对等离子体参数的依赖关系,结果表明LHW可以有效的降低杂质约束时间,并由此给出了符合EAST的杂质约束时间定标:42I0.32PB0.2t-0.43ne P-0.4total,比较发现这一定标关系更靠近法国的Tore Supra装置和欧共体的JET装置定标律。分析LHW加热的H模下的杂质约束时间发现在高再循环(HER)H模放电中,在边界存在~25 kHz的边界准相干模(ECM),这种放电条件下的杂质约束时间比较低,并伴随着较高的能量约束时间,这将是等离子体高参数、稳态和长脉冲运行的另一种理想模式。
[博士论文] 黄跃恒
等离子体物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:核聚变能是未来人类发展的理想能源,托卡马克是最有希望实现核聚变的磁约束聚变装置。为了实现托卡马克中等离子体的自持燃烧,对等离子体的约束和加热成为目前的关键。而辅助的电流驱动手段对于等离子体的约束也是非常必要的。波与粒子的相互作用是托卡马克中等离子体加热和电流驱动的重要物理机制,更是等离子体物理的一个重要课题。本文研究了带电粒子与静电波的相互作用过程中相空间的混沌输运现象,其中包括静电波相位对粒子在速度空间混沌扩散的影响,等离子体中电子与两支低杂波的相互作用,以及电子与低杂波谱的相互作用。
  本文研究了不同相位谱的静电波场中带电粒子在速度空间的混沌扩散。首先建立了多步的标准映射模型,然后,通过数值模拟,观察了相位对混沌扩散的阈值以及超过阈值后相位对混沌扩散的影响。并通过解析计算速度关联函数得到粒子在速度空间的混沌扩散系数,与数值模拟得到结果吻合得很好。研究发现,速度空间的混沌扩散对波的相位谱有很强的依赖性。对于有两个不同相位的周期相位谱,即使共振区重叠参数很大,很小的相对相位差也会导致实际的扩散偏离准线性扩散。在任意三支相邻的波相位不同的情况下,对于很大的共振区重叠参数,准线性近似是可以成立的。准线性的阈值可以比零相位的标准映射的阈值要高很多。
  用基于回旋动理学电子与全动理学离子的粒子模拟程序GeFi [Lin et al.,Plasma Phys.Control.Fusion 47,657 (2005)],研究了电子与两支低杂波的相互作用中扰动轨道的影响。这两支低杂波一个相速较低(vp1=3.8Vthe,其中Vthe是电子热速度)可以与足够的电子共振,另外一个相速较高(vp2=5.5 Vthe),不能与足够的电子共振。当非共振波的幅度足够弱时,两支波的共振区未重叠,共振波的幅度演化与O'Neil理论[O'Neil,Plasma of Fluid 8,12 (1965)]预测的结果十分相似。当提高波的幅度,两支波的共振区重叠,大范围的混沌出现,使得共振波的阻尼增强,这是由于捕获粒子轨道受到非共振波很强的扰动,导致粒子在相空间发生混沌输运,增强了波的阻尼。当共振区重叠到足够强的程度,非共振波的阻尼以及其非线性振荡行为也被观察到。由于混沌区域的速度范围变宽,速度分布函数的共振平台也有相应的展宽。
  用GeFi程序模拟了电子与多支低杂波组成的低杂波谱的相互作用,详细展示了波谱的演化以及电子在相空间的输运过程。研究发现,低模数以及中间模数的波增长起来,增长的原因是高速的电子通过相空间的混沌输运把能量传递给这些波。中间模数的波的增长可以将两个非重叠的共振区连接起来。对于单峰的波谱,可以看到峰波的粒子捕获效应并且在速度分布函数上出现共振平台。对于双峰波谱,当两峰的共振区轻微重叠时,由于波的阻尼导致共振区分离,速度分布函数上出现两个不同大小共振平台。当两峰的共振区重叠很强时,即使共振波被阻尼到很低的水平,由于中间模数的波的增长,速度分布函数上的两个共振平台还是融合为一个更长的共振平台。
[博士论文] 李骏
粒子物理与原子核物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:原子分子碰撞过程与天体物理、等离子体物理等都有着紧密的联系。随着实验技术的不断发展,人类已经在天体环境、等离子体环境中测得了大量原子分子碰撞的实验数据,同时也需要大量的高精度理论原子碰撞数据来解释这些实验结果,因此研究天体环境与等离子体环境中的原子碰撞过程具有重要的实际意义。本论文首先采用R矩阵方法研究了天体环境中普遍存在的类氢离子(Li、Be+、B2+)的光电离过程,接着首次采用ECS方法研究了Debye等离子体环境中电子与氢原子的碰撞电离过程以及电子与类氢He+离子的散射过程(包括碰撞电离过程)。本论文的具体结构安排如下:
  第一章绪论首先概述了原子碰撞的基本背景。由于本论文的主要工作是用Debye等离子体模型势研究电子/光子与类氢离子在等离子体环境下的碰撞动力学过程,在引言中我们也简要介绍了一些等离子体的背景知识。本章的第二部分主要介绍了几种处理原子碰撞过程的主流理论计算方法。
  第二章利用含赝态R矩阵方法(MPS)研究了处于基态1s22s2Se的Li、Be+、B2+离子的K壳层激发阈值附近的光电离过程。K壳层激发阈值以上的光电离过程的特点是会形成核芯电子(K壳层电子)被激发的亚稳态2Po也被称作Auger态。本章工作计算了Auger态2Po的共振参数(位置与线宽)以及光电离截面,并与已发表的实验数据与理论结果做了比较。我们的结果与已发表的结果都符合得很好,并且与之前的理论结果相比B2+的共振参数结果和最新的高分辨实验数据符合得更好。本章工作还研究了低能电子与类氢离子He+、Li2+、Be3+的弹性碰撞过程并计算了碰撞过程中形成的共振态的共振参数,并发现相同共振态的共振宽度会随着核电荷数Z的增大而变大,我们也给出了合理的模型解释。
  第三章中首次采用外区复坐标变换(ECS)方法研究了低能电子与氢原子在Debye等离子体环境下的碰撞电离过程。等离子体中带电粒子间的相互作用采用Debye-Hückel作用势描述。本章给出了不同等离子体屏蔽长度下入射能量为15.6eV的电子与氢原子碰撞电离的三重微分截面(TDCS),计算针对三种共而且两出射电子能量均分的测量几何结构。结果表明随着屏蔽强度的增大,TDCS结构发生了显著改变,主要表现为不同共面结构下TDCS中的峰结构(位置与幅度)随着屏蔽长度发生显著变化。
  第四章在上一章工作的基础上采用ECS方法研究了低能电子与类氢He+离子在Debye等离子体中的弹性散射与碰撞电离过程。本章工作计算了不同屏蔽长度下He+的n=2激发阈值以下1s-1s弹性碰撞强度,碰撞过程中形成的He原子双激发态(共振态)结构会表现在碰撞强度结果中。我们发现共振态(2(1,0)+21Se,3Po,1De、2(0,1)+21Po)位置会随着屏蔽强度的增大先向高能量区域移动(蓝移),并随着屏蔽强度的继续增大,共振态位置又会向低能量区域移动(红移),这使得碰撞强度结构在Debye等离子体中发生了明显的改变。共振态位置的动力学变化行为可以用屏蔽Coulomb势中He+能级的变化及共振态的几何构型定性解释。本章还研究了不同屏蔽长度下入射能量为6Ryd的电子与He+的碰撞电离过程,结果表明三重微分电离截面会随着屏蔽长度的变化发生显剧改变。
  最后一章总结了本论文的工作并对后续可能的研究工作做了展望。
[硕士论文] 李凤舞
光学工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:激光诱导空气等离子体放电通道是受到了长久而广泛关注的一个领域。它可以用来引雷,避免重要场所遭雷击破坏;也可以传递高压电击,当作一种激光武器;还可以用作一种传能通道,远距离传输能量。这些在科研、军事和工业等方面的可能应用使它成为世界范围的一个研究热点。
  为了研究激光诱导空气放电的特性,本文搭建了高压电容充放电实验平台。实验中使用的电极为针状电极和圆形铜板电极。所采用的激光器为横向激励大气压(Transversly Excited Atmospheric pressure, TEA)CO2激光器,波长10.6μm,脉冲能量46.5±0.3 J,10%峰值全宽约5μs。
  聚焦光学系统是获得长等离子通道的关键。我们设计了离轴抛物面聚焦镜、圆锥聚焦镜和圆环线聚焦器,并完成了前两种聚焦装置的制作。利用 Fresnel-Kirchhoff衍射积分方程对聚焦特性进行了分析,结果显示,圆锥聚焦镜及圆环线聚焦器,对功率均匀分布的平面波,能够获得设计长度500 mm的聚焦线,但对高斯光束或者稳定腔产生的高阶模式光束,只能获得一小段的高功率密度聚焦线;对实验中选用的激光束,这两种聚焦装置获得的最大功率密度离空气击穿阈值的下限还有一定差别,因此实验研究主要由离轴抛物面聚焦镜完成。
  实验获得的最长等离子体放电通道达到106 mm。通过改变激光能量、放电电压、电极间距等实验条件,获得了放电特性的变化趋势。对不同实验条件下的放电延时及抖动进行分析,发现相同放电电压下,放电延时和抖动会随电极间距的增加而增加,在最长放电等离子体通道106 mm时,放电延时约12μs左右;采用二阶振荡电路模型对放电电流进行拟合得到了激光诱导等离子体放电通道的阻抗,该阻抗会随着电极电压增加略有减小,但受等离子体通道长度的影响并不明显;利用等离子体光谱分析手段,对放电启动前后的激光等离子体和放电等离子体电子密度进行了分析,最高电子密度达到1019/cm3,比飞秒激光等离子体通道高2个数量级,尽管放电启动时等离子体辐射显著增强,但等离子体密度近乎单调下降;最后,我们进行了等离子体通道的电能传递实验,没有单向开关时,能量传输效率为25%,与欠阻尼振荡的理论预期一致。
[硕士论文] 丘汉标
电气工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:与低压微波等离子体相比,大气压微波等离子体有许多独特的优点:例如,密度大、活性高及生产装置简单等。因此,大气压微波等离子体在实际生产应用和科学研究中获得广泛的关注。然而,在大气压条件下,流注放电为微波放电的常见表现形式,因此,在这样的环境下为了获得理想的微波放电需要提供很高的激发入射功率,基于此,大气压微波放电的实现代价较高,实际应用较困难。针对大气压低功率微波放电难于实现的科学技术难题,以大气压低功率表面波等离子体(SWP)射流为研究对象,采用等离子体与微波相互作用的共振耦合放电方法,借助表面波等离激元(SPP)局部加强电场便于触发气体放电的优越性,研究SPP激励SWP射流放电机制。通过构建放电实验,诊断放电过程,辅以数值模拟,分析得出SPP激励SWP射流的放电机理。本文将揭示大气压低功率微波SWP射流的电离发展过程,解释大气压微波流注气体放电的时空物理参量演变机制。本文的主要研究内容总结如下:
  1.首先,微波放电是一种相对较新的技术,它需要科研工作者具备一些微波工程和等离子体工程的相关知识。所以先介绍微波放电理论中的一些基本概念,然后研究探讨现有的各种类型的等离子体发生装置。因为了解这些现有等离子体源的优点和问题,有助于新型等离子体源的开发和设计。
  2.其次,由于微波放电的不稳定性,以及微波放电的影响因素至今还未研究透彻,对于如何在大气压条件下开发大规模、高效节能、均匀的微波等离子体仍有待研究。因此,本文设计了三种类型的同轴谐振器,并获得了2.45GHz共振频率的微波。然后向谐振器通以流动的氩气,在只有5W的微波驱动功率下分别在周围空气中产生不同形貌的等离子体射流。
  3.最后,由于与直流放电和射频放电不同,微波放电的电压、电流不能直接测量。通常,需要使用复杂的系统对微波放电的正向和反射功率进行测量。因此这对于微波放电的诊断和分析是一个巨大的障碍。而本文绕开这一障碍,基于传输线理论模型,探讨了同轴谐振器的工作机制;并利用HFSS和COMSOL仿真软件建立电磁模型和流体模型,进一步探讨了同轴谐振器的放电机理。
[硕士论文] 杨少飞
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着航天航空技术的跨越式发展,高超声速飞行器的速度不断提高,可以达到十几甚至几十马赫,此时飞行器与周围空气剧烈摩擦,气体温度及压强急剧升高,进而发生局部电离,最终形成一层包覆飞行器的高超声速绕流流场。绕流流场具有等离子体特征,因而又被称为等离子体鞘套。等离子体鞘套严重影响光/电磁波的传输特性,其主要表现为激波、边界层以及鞘套内部湍流结构对光/电磁波的衰减、折射以及散射等,这将对飞行器的天地无线通讯系统造成恶劣影响。本论文针对等离子体鞘套湍流结构造成的光/电磁波随机起伏问题,从等离子体鞘套湍流基本理论,等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性,等离子体鞘套湍流相位屏模拟以及等离子体鞘套湍流对光通信性能的影响四个方面开展等离子体鞘套湍流中光/电磁波的传输特性研究。论文主要工作包括:
  1.等离子体鞘套湍流的基本概念、基本参数以及研究方法。等离子体鞘套湍流是一种典型的随机介质,光/电磁波传输过程中振幅和相位随机起伏,只能借助经典的随机介质波传播理论开展相关研究。本文在高超声速湍流分形度量实验结果的基础上,结合经典湍流功率谱模型,推导等离子体鞘套湍流的标度因子和频谱指数,建立了等离子体鞘套湍流功率谱。结果表明:等离子体鞘套湍流折射率起伏功率谱满足4/5标度律,且三维频谱指数为19/5。
  2.基于随机介质中高斯波束的传输理论,利用等离子体鞘套湍流功率谱,推导等离子体鞘套湍流中高斯波束的二阶矩,并据此计算等离子体鞘套湍流中高斯波束的平均强度、波束展宽以及到达角起伏和波束漂移,分析等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性。结果表明:折射率起伏方差越大,等离子体鞘套湍流对波场特性的影响越剧烈;等离子体鞘套湍流的外尺度越大,对波场特性的影响越弱。
  3.基于带限分形函数和等离子体鞘套湍流功率谱模型,建立等离子体鞘套湍流分形相位屏模型,分析等离子体鞘套湍流结构参数对电磁波衍射强度分布的影响。最后依据距离-多普勒成像算法,仿真分析了等离子体鞘套湍流对高超声速飞行器机载合成孔径雷达成像的影响。结果表明:等离子体鞘套湍流造成的回波相位失真,引起成像结果分辨率明显降低,目标无法完全聚焦。
  4.为了提高高超声速飞行器通信链路性能,将飞行器通信频率提高到光波段,介绍自由空间光通信系统基本理论和副载波强度技术,推导等离子体鞘套湍流中光波的闪烁指数,并在此基础上对等离子体鞘套湍流影响下的自由空间光通信系统误码率进行仿真计算。结果表明:随着折射率起伏方差的增大,误码率增大;随着外尺度的增加,误码率下降。
[硕士论文] 张维全
等离子体物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:通常,在对惯性约束聚变进行探究过程中,往往需要借助 X射线能谱信息来辅助分析。由于等离子体产生的光信号蕴藏了许多与等离子体自身相关的重要信息,这些信息有助于理解其互作用。这部分信息中涵盖了等离子体的旋转速度与离子温度等参数,只要对这些信息进行解析便能得到这些参数。经查阅相关文献得知,当前大多使用椭圆弯晶谱仪来获得初始的 X射线能谱信息。这部分信息主要由椭圆弯晶谱仪中的图像采集部分来获取,因此图像采集部分直接影响谱仪的性能,也是谱仪出获取准确的信息必要前提。所以,对于研究分辨率高且噪声低的采集系统对于椭圆弯晶谱仪来说具有实际意义,这也是本文的研究重点。
  本文利用CPLD作为核心控制器件,CCD作为感光器件,上位机作为数据传输通道,小波变换作为图像去噪算法设计了图像采集及处理系统。主要由CCD及其外围电路、AD(模数转换)、CPLD驱动产生及逻辑控制、电源和软件系统等模块组合而成。首先,要使硬件系统能有正常的输出需要稳定的硬件电路及匹配驱动时序。本文以 ICX285AL作为系统的感光器件并详细分析其原理、工作条件并设计其驱动电路。在AD转换部分,采用可编程的AD9979作为模数转换模块的核心进行设计。在PCB布局中注重布局布线的合理性、抗干扰处理、模拟与数字地之间的隔离,通过USB传输协议传输采集到的图像数据。然后结合采集到的图像中的噪声的特点并分析各种去噪算法的优劣,最终选择小波变换作为图像去噪的核心算法。通过对软件系统和硬件系统各个部分的测试并对结果进行分析得出,该系统采集到的图像中含有很少的噪声,通过采用小波变换去噪以后可以有效的消除图像中的噪声,同时还具有高分辨率实时处理的特点,更能满足实际的需求。
[博士论文] 高丽娜
粒子物理与原子核物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:在相对论重离子对撞机(RHIC)和大型强子对撞机(LHC)能区的高能重离子(核-核)碰撞系统中,形成了超高温、超高密的环境和条件。在这样极端的条件下,在碰撞系统的演化过程中,会产生一种存在时间十分短暂的新物质,即夸克-胶子等离子体(QGP)。由于QGP在碰撞系统的演化过程中存在的时间十分短暂,所以它是不能在实验中被直接观察及测量到的。但是,在高能碰撞的过程中会产生许多的带电粒子和中性粒子,它们携带着丰富的演化信息。末态产物的赝快度、快度和横动量谱是高能碰撞实验中非常重要的观测量,对这些末态粒子的多种谱进行研究,可以推断出QGP的性质和部分子之间的相互作用机制。
  本篇论文应用不止一种理论模型和统计方法,对高能碰撞末态产物的不同分布进行了系统的描述和研究。本文完成的主要工作包括以下三方面内容:
  (一)将多源思想引入Landau流体动力学模型,从而对该模型进行了改进。改进后的Landau流体动力学模型由一个可以用Landau流体动力学模型来描述的足够大的中心源,和两个在各自静止系各向同性发射粒子的靶源和射弹源组成。利用蒙特卡洛方法,对高能区金-金(Au-Au)、铜-铜(Cu-Cu)、铅-铅(Pb-Pb)、氘-金(d-Au)、金-乳胶(Au-Em)、质子-乳胶(p-Em)、质子-质子(p-p)和质子-反质子(p-(p))碰撞过程中产生的末态粒子的赝快度分布进行描述,得到了与国际合作组实验数据相符合的结果,提取出了声速参数的平方值(c2s)。得到的中心源的声速参数的平方值的范围在1/3到1/2之间,靶源和射弹源的声速参数的平方值则一直小于1/3。这意味着,在碰撞系统的演化过程中,中心源经历了从强子气态到QGP液态的一个相变过程,而靶源和射弹源一直停留在强子气体的状态。
  (二)同样应用改进的Landau流体动力学模型,即对中心源、靶源和射弹源分别用高斯分布进行描述后再加权叠加,利用解析的方法来描述超级质子同步加速器(SPS)能区p-p、铍-铍(Be-Be)碰撞过程中产生的带负电介子的快度分布,和从交变梯度同步加速器(AGS)到RHIC能区Au-Au、Pb-Pb碰撞过程中产生的(净)质子的快度分布,得到了与国际合作组实验数据符合的结果。特别地,研究了声速平方对能量的依赖关系,即声速平方的激发函数。结果表明,声速平方的激发函数在8.8GeV处出现局域最小点,此即核态方程的软点之一。这个局域最小点与寻找出现夸克退禁闭以及QGP相变的临界点紧密相关。对由整个参加者区域贡献的(净)质子的快度分布宽度而言,本文没有根据Landau流体动力学模型提取声速平方,因为整个参加者区域的(净)质子需要满足重子数守恒,而这超出了模型的使用范围。
  (三)应用双组分的Erlang分布与双组分的Schwinger机制,对LHC能区p-p、质子-铅(p-Pb)和Pb-Pb碰撞中产生的J/ψ介子和Υ介子的横动量谱,以及RHIC能区Au-Au碰撞中产生的φ介子、Ω超子和带负电粒子的横动量谱进行了描述,得到了与国际合作组实验数据符合的结果。特别地,由Erlang分布与Schwinger机制分别得到了每个部分子贡献的平均横动量及两个部分子之间的作用弦张力,研究了参数们的激发函数,计算出了LHC能区相互作用部分子之间的极限最小距离。基于Ω超子谱得到的作用弦张力的激发函数表明,核态方程在7.7GeV处出现软点,这和基于声速平方分析得到的8.8GeV接近,也与其他方法预测的4-9GeV一致。计算出的LHC能区部分子之间的极限最小距离在0.03-0.06fm之间,这个距离约为核子尺寸的百分之几,说明在LHC能区的碰撞中核子是会完全穿透对方的。
[硕士论文] 韦晟之
等离子体物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:空间尘埃等离子体中粒子种类和分布不同,引起复介电系数值的改变,使得电磁波通过该空间的衰减量有明显的改变。在本论文中,通过CST建立空间尘埃等离子体模型研究电磁波在其中的衰减特性,对黑障现象有了初步的认识。通过雷达探测极区中层夏季回波的结果和D层空间的吸收现象,以及对探空所得的ECT02数据开展的数值计算,得到复介电系数大小将改变电磁波相关传输特性的数值。通过对尘埃等离子体周期分层结构、递增分层结构、递减分层结构的仿真,说明了复介电常数虚数部分改变会引起电磁波在空间尘埃等离子体中回波损耗的改变。本文的主要内容如下:
  1、首先对空间尘埃等离子体中重要基础知识进行阐述,如定义,碰撞频率等。然后说明有空间等离子体分布不同出现的黑障现象、D层正常与异常吸收现象,以及PMSE的相关情况。D层正常与异常吸收现象是通过雷达在甚高频(Very High Frequency)与特高频(Ultra High Frequency)频段对2007年7月12日的观察结果,具体分析D层正常与异常现象中电子密度的含量。
  2、通过CST建立模型进行电磁波入射仿真。首先建长方体均匀与非均匀尘埃等离子体模型,通过观察电磁波入射的衰减系数,发现电子密度越大,越不利于电磁波在其中传播;随入射频率增加,传输的衰减量就会变少。然后建立均匀椎体与非均匀椎体尘埃等离子体模型,发现入射波的角度变化对其衰减有很大影响,由于设计的模型非规则性,在衰减特性随电磁波的变化中,在频率相对低的频段出现了波动。
  3、通过雷达对高度在82Km-90Km空间尘埃等离子体的粒子密度及种类的变化观测,推演复介电常数的数值,并通过对此高度范围进行分36层,进一步的计算了在频率50MHz至1300MHz的回波损耗。说明了TM波在频率50MHz至1300MHz的回波损耗是在60dB到200dB之间,但绝大多数是在60dB到160dB之间。设计分层结构仿真模型,首先研究电磁波的入射角度改变对横磁波(Transverse Magnetic Wave)与横电波(Transverse Electric Wave)传输系数的影响。然后,选取垂直入射尘埃等离子层,对周期结构、递增结构、递减结构的TM与TE波回波损耗进行研究,发现在复介电常数虚数部分变化为10%,每层变化1%的情况下,回波损耗变化超过20dB。
[硕士论文] 陈双琴
理论物理 山西大学 2017(学位年度)
摘要:由相对论简并电子和非相对论离子所构成的等离子体称为相对论简并等离子体。相对论简并等离子体存在的真实物理环境之一就是以白矮星、中子星为代表的致密
  天体。由于对电子数密度的苛刻要求,在很长一段时间里关于相对论简并等离子体的研究都限于上述极端天体物理环境。基于“天体物理现象和过程的机制与等离子体中的波动和不稳定性有关”的出发点,本论文在相对论量子力学框架下建立描述致密天体等离子体的动理学和磁流体动力学模型,通过研究线性波在致密天体等离子体中的传播特性来考察相对论效应、简并压力、Bohm势对致密天体等离子体基本物理过程的影响,揭示致密天体等离子体的相对论量子物理本质,明确相对论量子等离子体存在的真实物理环境。
  本文主要工作如下:
  首先,利用非相对论量子磁流体模型研究磁化量子等离子体中线性波的传播特性,考察量子效应对等离子体基本物理过程的影响。结果发现,不论有无磁场,不论波矢量与磁场方向平行还是垂直,量子效应都会影响静电波在等离子体中的传播特性。对电磁波而言,量子效应只影响垂直于磁场传播的非寻常波的色散关系,不影响寻常波、左旋波、右旋波的传播特性。
  其次,利用基于协变Wigner函数方法的相对论量子磁流体动力学模型研究致密天体等离子体中线性波的传播特性。研究发现相对论效应和量子效应对线性波在致密天体等离子体中传播的色散关系有修正,当选取脉冲星磁层等离子体特征参数做数量级估算时,相对论量子修正项比较显著。
  本论文研究课题是等离子体物理领域一项前沿性的研究工作,是对现阶段量子等离子体研究的有效完善,对研究白矮星、脉冲星、磁星等致密天体有一定的理论指导意义。
[硕士论文] 刘宇
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:在超短超强激光与等离子体相互作用的过程中,位于临界密度附近的粒子通过各种吸收机制将能量沉积到背景等离子体,产生大量具有相对论性能量的高能粒子。无论是在惯性约束聚变,还是在 X射线成像技术等实际应用研究中,这些高能粒子的产生、输运及能量沉积都具有重要的研究价值和意义。
  本文模拟研究在超短超强激光与高密度等离子体相互作用的背景下,在临界密度附近的粒子吸收激光能量,当粒子的能量达到一定值时会变成高能粒子,然后这些高能粒子从低密度等离子体区输运到高密度等离子体区的过程中与背景粒子发生库伦碰撞,可以把一部分能量转移成背景粒子的动能,能量沉积在了背景等离子体中。同时高能粒子束在输运时会激发等离子体波,通过集体效应(即等离子体振荡),会将一部分能量沉积在背景等离子体中。
  本论文围绕Reduced PIC/MCC算法及其数值模拟激光与高密度等离子体相互作用展开工作,主要内容为:
  1.对高能粒子的产生、输运和能量沉积的数值模拟模型进行了综述、对比和总结,通过比较阻止本领模型、Flokker-Planck模型、PIC/MCC模拟模型和Reduced PIC/MCC模拟模型,得出Reduced PIC/MCC模拟模型不但能完整准确地模拟高能粒子的产生、输运和能量沉积这三个过程,而且能大大节约计算资源。
  2.对Reduced PIC/MCC算法进行了推导,其中包括电磁场的求解、背景电流密度的求解、电荷密度的求解、运动方程的求解、电子温度的求解、以及归一化理论。介绍了 Reduced PIC/MCC程序的模拟流程图和各个求解模块。
  3.利用Reduced PIC/MCC程序模拟了激光与高密度等离子体相互作用,得到了大量的数据信息。详细分析了模拟过程中的system1和system2的粒子密度、快电流密度和场随时间和空间的变化;分析了system2的电子温度随时间和空间的变化。
[硕士论文] 尹娟
光学 贵州大学 2017(学位年度)
摘要:表面等离子体是局限于金属表面的一种电磁波,表面等离子体的能量集中分布在金属表面,沿金属表面的方向传播,能量发生衰减,传播距离有限。表面等离子体在许多方面都有广泛的应用,设计器件控制表面等离子体在金属表面传播,是十分有意义的。在本文中,为了控制表面等离子体,利用表面全息法在金属表面设计凹槽结构将金属表面的等离子体波耦合到自由空间中的任意一点,实现表面等离子体散射到自由空间的控制。另外,我们也考虑了面内等离子体波的控制,为了设计更加简单的全息结构,高效地控制表面等离子体的传播,提出在金属表面设置凸出的全息线结构,耦合等离子体到金属表面任意点。主要工作如下:
  1.表面等离子体耦合到自由空间中。应用表面波全息法设计结构控制表面等离子体波耦合到自由空间中的光波。模拟金属表面等离子波束与自由空间中目标光束的标量叠加,得到干涉光强。在光强极大值的地方刻蚀凹槽,获得凹槽结构。当表面等离子波入射到设计的结构中,凹槽散射等离子体波并在自由空间中进行叠加,得到所需的光束。利用此原理,在金属表面设计了两个结构,将传输的等离子体波耦合到自由空间中,汇聚于指定的一点或者两点。利用时域有限差分法模拟验证了此原理的可行性。这种耦合方式可以作为解决表面等离子体集成光路中探测问题的一种方案,将传输的表面等离子体信号耦合到自由空间,然后利用传统光电探测设备探测。
  2.简单的单根全息线有效控制表面等离子体。在以往的研究中,研究学者们提出的方案通常是在金属表面刻蚀复杂凹槽来控制SPPs的传播,这种结构比较复杂,而且效率不高。为了简化全息结构,并且提高SPPs的耦合效率,在本文中提出了利用单根全息线来控制SPPs波传播。单根全息线只是金属表面的一根凸出的金属结构,利用时域有限差分法模拟全息过程,结果表明全息线成功将SPPs耦合到金属表面一个点或两个点,并且耦合效率效率高达55%,高于普通的全息方法。
[硕士论文] 王艳珊
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,由于在太阳能捕获,热辐射器,军事隐身等多领域的广泛应用,电磁波吸收体吸引了越来越多研究者的研究兴趣。迄今为止,一系列基于不同材料和结构组成的吸收体已经被设计和报道。窄带吸收体可应用于选择性热辐射和传感等领域。在太阳能捕获,海水淡化,军事隐身等领域,则需要在宽波频区域或多频区具有高效吸收性能的宽带吸收体或多频带吸收体。然而,大多数宽带吸收体的制备工艺需要比较昂贵实验仪器(如电子束光刻,聚焦离子束),且不易大面积制备。因此,基于简单工艺制备的宽带吸收体极具发展潜力。为此,本文以实现宽带吸收为主要目标,我们利用磁控溅射分别在平面衬底和图案化衬底上研究一种改良后的金属/介质/金属等离子宽带吸收体。
  首先,将传统的金属/介质/金属层状吸收体的上层金属薄膜用金属纳米颗粒层替换,改良后吸收体的上层金属纳米颗粒层是利用磁控溅射装置自由沉积形成的。主要利用不同形状尺寸的金属纳米颗粒激发不同频率范围内等离子体模式的杂化现象,实现拓宽吸收带宽的效果。研究了在光滑和粗糙平面衬底上介质层厚度和金属纳米颗粒层的名义厚度对吸收体吸收性能的影响。实验结果显示,随着介质层和金属纳米颗粒层的厚度单独变化时,两种衬底上吸收体的总吸收效率具有一致的变化规律,即介质层厚度(金属纳米颗粒层的名义厚度)一定时,总的吸收效率随金属纳米颗粒层的名义厚度(介质层厚度)增加呈现出现先增加后减小的变化趋势。在两种衬底上,介质层厚度和Ag纳米颗粒层的名义厚度分别为90 nm和5.4 nm时,得到在300-1000 nm波长范围内总吸收效率分别为89.8%和90.4%的宽带吸收体。随后,在抛光Al片上,直接沉积介质层和金属纳米颗粒层,实现了在300-1000 nm波长范围内总吸收效率为91.2%的宽带吸收体,介质层厚度和金属纳米颗粒的名义厚度分别为90 nm,5.4 nm。
  其次,在图案化衬底上,研究了改良后的金属/介质/金属层状吸收体。在柔性图案化蛾眼衬底上,提出了一种300-1100 nm波长范围内总吸收效率为95.6%的柔性、广角、高效宽谱吸收体,其介质层和金属纳米颗粒的名义厚度分别为96 nm和5.4 nm。实验得到柔性宽带吸收体对介质层SiO2的容忍度很大,介质层为0 nm时高效吸收体在300-1100 nm波长范围内总的吸收效率为84.3%。不同入射角度下吸收效率测试表明柔性吸收体对入射角度不敏感,特别地,总吸收效率为95.6%的样品在60°斜入射时,总吸收效率依然为90.2%。柔性性能测试结果表明具有极佳的柔性弯曲性能,当弯曲次数为10000次时,高效吸收体的吸收性能为原来的98.7%。利用有限时域差分法和有限元法模拟计算的结果显示,入射光可以通过 Ag金属纳米颗粒层到达波纹状的介质层结构中,我们设计的高效吸收体在柔性光伏器件、光伏建筑一体化、便携式电源等领域具有很大应用潜力。我们还在U-AAO衬底上对上述层状吸收体下层金属膜的厚度进行了研究。结果显示,在650-1100 nm波长范围内,随底层金属的增加,吸收效率减小。
  最后,总结了全文,并对未来的研究提出了展望。
[硕士论文] 王莉
理论物理 西北师范大学 2017(学位年度)
摘要:激光在等离子体中的传播在激光驱动等离子体加速器、高次谐波产生、X射线激光以及快点火方案等领域起着非常重要的作用.近年来,高斯激光在预等离子体通道中的传播尤其是电磁孤立波引起了许多学者的研究兴趣.最近,在实验研究中发现了一种与高斯激光强度分布有偏离的q-高斯激光束.本文通过考虑了相对论自聚焦效应、通道聚焦效应和有质动力自通道效应,主要用变分法研究了q-高斯激光束在预等离子体通道中的传播特性,主要内容如下:
  第一章简要介绍了激光与等离子体的基本概念、激光在等离子体中的导引和传播以及变分法.
  第二章用变分法研究了q-高斯激光束在预等离子体通道中的传播.通过考虑相对论自聚焦效应、通道聚焦效应和有质动力自通道效应,我们得到了q-高斯激光束的焦斑半径的演化方程.然后,通过理论和数值分析光斑半径的演化方程,得到了q-高斯激光束在抛物预等离子体通道中以恒定焦斑半径、周期聚焦振荡和周期散焦振荡等行为传播时的初始激光与等离子体参数,并与高斯激光束的结果进行了比较.结果显示,在预等离子体通道中传播时,q-高斯激光束与高斯激光束的传播行为相似;在同一预等离子体通道中传播时,q-高斯激光束的聚焦功率比高斯激光束的低,即q-高斯激光束比高斯激光束更容易聚焦.
  第三章研究了q-高斯激光束在预等离子体通道中传播的电磁孤立波,并与高斯激光的电磁孤立波进行了对比.结果表明,q-高斯激光束在预等离子体通道中有两种电磁孤立波解,即聚焦电磁孤立波解和散焦电磁孤立波解.在相同的激光振幅和同一等离子体背景下,低q值的激光束的聚焦电磁孤立波的振幅较大,数值稳定性较差,而散焦电磁孤立波与之相反.
  第四章总结了本文的研究结果,并对该领域的研究前景进行了展望.
[硕士论文] 吴启鑫
等离子体物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:磁流体湍流是等离子体中普遍存在的一种非线性物理现象。在天体和空间等离子体物理中磁流体湍流的研究具有重要的物理意义。太阳风,地热能的激发,以及一些新型能源发电和星际介质扩散都是的磁流体湍流的行为。本论文通过对不可压缩霍尔磁流体模型(等离子体双流体模型的一种近似模型)的研究来探索磁流体湍流中的一些物理性质。相较于双流体模型来说,不可压缩霍尔磁流体模型的优势在于它可以用来研究双流体效应但不存在复杂的计算问题,且可以用于研究小尺度物理行为。不可压缩霍尔磁流体方程组具有复杂的非线性特性,而我们已知行波法是求解非线性问题的一种基本有效方法。因此由我们行波法得到了不可压缩理想霍尔磁流体的行波精确解,发现速度和磁场垂直于波矢的分量是螺旋波,垂直于波矢量速度分量的幅度与波数和圆频率相关,而平行于波矢方向的波动速度和磁场分量是任意常数。且由于等离子体的抗磁性,外磁场是无法进入等离子体的。但等离子体中存在着行波的传播,沿传播方向存在磁场,这个磁场是由等离子体自身产生的。因此均匀外磁场是否存在,对不可压缩理想霍尔磁流体的行波解的形式没有影响。然后在精确行波解的基础上,我们计算了不可压缩理想霍尔磁流体的统计平衡。
[硕士论文] 何攀
电子与通信工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:再入飞行器或者临近空间高速飞行器以10~25马赫速度返回大气层时,空气受到机体的挤压从而形成激波,并且与周围的空气产生剧烈的摩擦。空气分子由于高温发生电离,在飞行器表面包裹着一层等离子鞘套。等离子鞘套会使通信质量恶化,严重时导致信息链路中断。这就是著名的“黑障”现象。由于等离子鞘套边界层的湍流现象,以及飞行器的不同姿态,轨迹等使得等离子鞘套呈现一种复杂的动态性。动态等离子鞘套的动态特性会给通信信号带来幅度衰减(幅度噪声)和相位抖动(相位噪声),这就是寄生调制效应。即使电磁波能够穿透等离子鞘套,寄生调制效应引入的幅度噪声和相位噪声严重降低通信质量。本文主要针对寄生调制效应对调相信号的影响,提出新型判决方法,本文主要研究内容如下:
  1.介绍了等离子体的一些基本理论和调相信号的相关概念,解释了动态等离子体对通信信号产生双重寄生调制效应的形成机理,推导出了电磁波经过动态等离子体的透射系数呈特殊的类螺旋线关系。并从理论分析了寄生调制效应对调相信号的影响。利用实验室的等离子体产生装置,进行实验验证寄生调制效应对调相信号的影响,对实验结果频谱图、眼图和星座图进行了分析,同时也进行了仿真,仿真结果与实验结果基本保持一致,均证明了动态等离子体会对调相信号造成星座图的畸变,旋转,造成通信障碍。
  2.从有监督学习角度,针对再入飞行器弹载接收问题,根据动态等离子信道反射波与透射波的强相关性的特点,利用反射电波的测量来预测信道特性,选取幅度和相位两个特征参数,提出基于支持向量机的新型判决算法,为了提高判决准确性,同时利用自相关奇异值分解法和矩估计法对信道信噪比进行估计,从而提高判决准确度。仿真结果显示判决算法准确度较高,具有一定的有效性。
  3.从无监督学习角度,根据动态等离子体对调相信号星座图造成的特殊旋转聚集特点,提出基于谱聚类的自适应判决方法,谱聚类具有一定的流形学习能力,仿真和实验判决结果表明,该方法大部分情况具有较好的判决效果。但对于调相信号星座图发生相交叠的时候,判决算法是失效的。
  本文从机器学习得到启发,将智能算法应用在动态等离子体下通信解调领域,提出两种新型自适应判决算法,仿真和实验结果表明具有一定的有效性。从而为解决黑障问题,实现等离子鞘套下信息可靠传输提供了新的思路。
[博士论文] 白小燕
等离子体物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:电子束等离子体因其能量利用率高,电子温度低,易调控等优点在工业、航天、国防等领域得到了广泛的应用。具有千电子伏以上能量的电子束在中高气压气体中传输时通过电离气体产生等离子体,其能量沉积和电荷沉积过程决定了电子束等离子体的主要性质。本文从模拟和实验两方面对连续注入状态下针状电子束等离子体的物理性质开展研究,重点考察能量沉积和电荷沉积对电子束等离子体物理性质的影响上。
  模拟部分分为两部分。第一部分是将蒙特卡洛方法与等离子体连续性方程、泊松方程进行耦合,模拟三维空间内针状电子束等离子体的时空演化过程。蒙特卡洛方法用于模拟电子束在气体中的输运情况,得到的能量沉积和电荷沉积结果作为连续性方程和泊松方程的输入参数。模拟结果表明,电子束等离子体空间电位随时间的演化过程受到电荷沉积的影响,稳态值却仅与等离子体密度的空间分布相关,是双极扩散的结果。在远端无边界的情况下,空间电位在近电子束出口处为正值,在电子束射程末端达到最负。当边界小于电子束射程时,整个放电空间的电位几乎为正。迁移扩散流的计算结果表明返回至电子束入射面的等离子体迁移扩散流的稳态值与入射的高能电子束流达到平衡,扮演着三维空间“回流”的角色。第二部分是针状电子束等离子体普遍性质的解析研究。蒙特卡洛模拟结果表明能量沉积和电荷沉积具有自相似特征,即不同初始能量的高能电子在不同气压下的能量沉积和电荷沉积在以电子束射程归一化的空间内具有相同的空间形状因子。通过理论分析和推导,建立了三参数空间(放电气压P、电子束初始能量T0、电子束流Ib)内能量沉积和电荷沉积的解析表达式。从电子束等离子体的基本理论出发,基于适当假设,分别得到密度和空间电荷演化的独立模型,并给出解析解,建立它们与能量沉积、电荷沉积的解析依赖关系。利用自相似特征的数学表达式,最终建立等离子体密度、空间电位(电场)在三参数空间内的解析表达式。这些定量依赖关系由本文首次给出,系统刻画当外界控制参数(T0、P、Ib)发生变化时,等离子体主要宏观性质的变化,反映了针状电子束等离子体的普遍性质,具有科学和应用价值。
  实验部分分为三部分。第一部分是对装置基本性能的介绍,重点介绍对装置上原有差分装置的改进。基于Santeler提出的流导理论,经过理论推导和计算,发现在一定情况下短管对气流的阻碍作用与孔等同,据此重新设计了3#差分孔。实验结果表明新差分孔可以达到与原有系统一样的气压差分效果,且具有不易烧毁、易定位等优点。第二部分是对针状电子束等离子体性质的实验测量。放电图像与经由蒙特卡洛模拟得到的等离子体形状基本相同,静电探针离子流空间分布的测量结果与蒙特卡洛得到的能量沉积在趋势上一致。在边界导体面Ⅳ曲线的测量中发现“最大电子流”和“正”悬浮电位,说明离子运动受限,这是中高气压等离子体的重要特点,对等离子体性质有重要影响。同时观察到“正”悬浮电位随着气压升高而增大,这与第三章的理论结果在趋势上一致。第三部分基于电子束流与等离子体密度时间关联的实验和模拟研究,建立小束流、中高气压下氩电子束等离子体中合适的动力学模型。利用电子束流波形中的特征频率f1=20 Hz,从实验上获得了探针离子流波形与电子束流波形之间的时间关联以及残留密度与气压、密度等参数的关系。将数值模拟结果与实验结果进行对比,认为小束流、中高气压下,氩电子束等离子体中激发态对等离子体密度的贡献可以忽略。
[博士论文] 戴宗良
等离子体物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:湍流输运是磁约束等离子体研究的重要课题之一。准线性理论很好地预言了一些情况下系统的输运。然而在更多的非线性情况下,由湍流导致的系统输运,在理论上仍然很难处理。随着计算机技术的发展,数值模拟已经在等离子体湍流输运研究中扮演着越来越重要的角色。
  本文首先介绍了基于全新的数值李变换方法所开发一维无碰撞Vlasov系统的模拟程序。新的程序以I-变换理论为基础,数值上结合了连续性方法以及特征线方法,即避免了粒子模拟存在较大系统噪声的问题,又兼具了特征线方法较强的数值稳定性的特点,在模拟中能采用比较长的时间步长。计算中,我们利用多步变换的方法,在数值上完美地解决了微扰方法在粒子俘获问题上固有的困难,使得程序能够准确地模拟系统线性阶段以及非线性阶段的演化。在一维Landau阻尼问题以及双峰不稳定性问题的算例中,新程序的计算结果与传统方法得到的结果一致。
  然后我们利用新程序分析了随机电场扰动问题以及双峰不稳定性问题中粒子在速度空间的输运。相较于传统的模拟方法,新的基于微扰理论的模拟方法其中间变量与输运系数有着直接的关联,在数值计算中能够方便地得到系统的输运系数。模拟的结果显示,在系统受到随机场扰动和线性阶段的湍流扰动时,利用新的模拟方法得到的输运系数与实际的结果吻合。而在湍流的非线性阶段,由于大尺度结构的存在,新方法以及准线性方法所计算得到的输运系数与实际的结果有了较大的偏差。
  接着我们利用数值李变换程序计算了一维无碰撞系统演化过程中的熵产生。与传统数值上用于计算熵的公式不同,我们采用了理论上广为接受的利用粗网平均分布函数来计算系统熵产生的方法。在随机扰动场算例,线性Landau阻尼算例和双峰不稳定性算例中,我们发现随着粗网平均长度的增加,计算所得的熵产生是收敛的,并且当分布函数与麦克斯韦分布接近时,我们计算所得到的熵产生,与热力学定义的熵产生是一致的。我们还讨论了上述情况中粗网平均长度的选取对计算所得熵产生的影响以及非麦克斯韦分布对熵计算的影响。
  最后,讨论了基于数值李变换方法发展的环位形非线性回旋动理学模拟程序NLT非线性调试中的守恒性问题和滤波问题的处理方法。
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