聚變等離子體鞘層中塵埃顆粒的特性研究.pdf

1、磁約束托卡馬克等離子體與面壁材料相互作用產(chǎn)生的塵埃，一方面影響托卡馬克裝置的安全問(wèn)題，另一方面影響等離子體約束性能的提高。鞘層是聯(lián)系等離子體與面壁材料表面相互作用的重要紐帶。對(duì)塵埃顆粒在等離子體鞘層中的特性研究，有助于對(duì)塵埃在邊界等離子體中輸運(yùn)的認(rèn)識(shí)、更好地理解塵埃與等離子體的相互作用。本文用流體模型研究了聚變等離子體鞘層中塵埃顆粒的特性。
　　進(jìn)入等離子體中的塵埃顆粒受到電子離子的作用而帶電，利用軌道限制理論研究了塵埃顆粒在等離

2、子體中的充電特性。結(jié)果顯示若不考慮塵埃表面的電子發(fā)射，在中性等離子體區(qū)域，塵埃帶負(fù)電，并且塵埃顆粒的半徑越大，等離子體的密度越小以及電子的溫度越高，都將導(dǎo)致塵埃顆粒充電達(dá)到平衡的時(shí)間越短。塵埃顆粒半徑和等離子體中離子質(zhì)量數(shù)越大，都會(huì)導(dǎo)致充電平衡時(shí)塵埃攜帶更多的電荷數(shù)。通過(guò)對(duì)聚變等離子體鞘層中不同尺寸塵埃顆粒穿越鞘層時(shí)間和充電弛豫時(shí)間的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)納米量級(jí)的塵埃顆粒進(jìn)入鞘層時(shí)，穿越鞘層的時(shí)間遠(yuǎn)小于塵埃顆粒在鞘層中任意位置的充電時(shí)間，進(jìn)入

3、鞘層后塵埃帶電量可被視為常數(shù);而微米量級(jí)的塵埃穿越鞘層的時(shí)間遠(yuǎn)大于在鞘層中任意位置的充電時(shí)間，進(jìn)入鞘層中不同位置充電攜帶電量則滿足局域平衡。
　　對(duì)于穿越鞘層的時(shí)間遠(yuǎn)大于充電弛豫時(shí)間的塵埃顆粒，采用一維坐標(biāo)空間三維速度空間的流體模型研究了塵埃顆粒在鞘層中的特性。結(jié)果顯示塵埃顆粒進(jìn)入鞘層后，磁場(chǎng)力和重力對(duì)塵埃顆粒的影響很小，在鞘邊主要受離子拖拽力作用，遠(yuǎn)離鞘邊則主要受電場(chǎng)力的影響，并且電場(chǎng)力在鞘層中大部分空間占主導(dǎo)地位。處于鞘層中的

4、塵埃顆粒，沿鞘層空間的密度逐漸增加、速度逐漸減小。離子到達(dá)鞘邊的速度越大以及離子的溫度越高，都將使得鞘層中塵埃顆粒速度變小、密度增大。
　　對(duì)于穿越鞘層的時(shí)間遠(yuǎn)小于充電弛豫時(shí)間的塵埃顆粒，研究了兩種正離子的等離子鞘層結(jié)構(gòu)以及塵埃顆粒在其中的懸浮特性。在兩種正離子的等離子體鞘層中，質(zhì)量數(shù)相對(duì)越大的正離子的存在，將會(huì)導(dǎo)致鞘層寬度和器壁臨界二次電子發(fā)射增加、器壁電勢(shì)和沉積到器壁的離子動(dòng)能流降低;當(dāng)含有另外一種質(zhì)量數(shù)相對(duì)較小的正離子，給鞘

5、層空間參數(shù)帶來(lái)的影響與質(zhì)量數(shù)較大的正離子則相反。結(jié)合兩種正離子等離子鞘層的特點(diǎn)，以氫等離子體中含有氬離子為例，用單粒子模型研究了塵埃顆粒由鞘邊進(jìn)入兩種正離子鞘層中的特性。結(jié)果顯示，氫等離子體中氬離子的存在，導(dǎo)致塵埃顆粒能夠攜帶更多的負(fù)電荷。通過(guò)對(duì)進(jìn)入鞘層中的塵埃顆粒的受力分析，發(fā)現(xiàn)只有攜帶負(fù)電的塵埃能夠懸浮于鞘層空間，并且半徑越小的塵埃顆粒懸浮的位置越靠近鞘邊，半徑較大的塵埃懸浮于鞘層中間，緊靠器壁位置沒(méi)有能夠懸浮的塵埃顆粒。在氫等離子