尘埃颗粒对直流辉光放电与火箭喷焰等离子体参量特性的影响

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尘埃等离子体是指包含大量纳米或微米量级尘埃颗粒的复杂等离子体系统。等离子体中尘埃颗粒的引入能显著改变等离子体的很多参量与物理性质,比如电子与离子密度、电子温度、空间电场分布以及电子能量分布函数等,并使尘埃等离子体展现出许多不同于普通等离子体的复杂动力学过程、波和不稳定性、特殊电势结构以及反常电磁特性等物理现象。通常情况下,由于人类的活动而形成的尘埃等离子体大多是弱电离尘埃等离子体,比如实验室与工业条件下通过气体放电产生的尘埃等离子体以及航空航天领域中固体火箭喷焰与再入飞行器鞘套等,研究其中尘埃颗粒对等离子体参量与性质的影响对解决很多尘埃等离子体中存在的相关问题具有重要的实际意义。基于此,本文以实验室直流辉光放电等离子体与固体火箭喷焰等离子体这两种典型的弱电离等离子体为载体研究了尘埃颗粒对等离子体一些主要参量与性质的影响。首先对不同等离子体与尘埃颗粒条件下尘埃颗粒的充电过程与带电特性进行了研究,然后以此为基础在直流辉光放电条件下分别建立了尘埃等离子体的流体模型与动理论模型,研究了不同放电条件与不同尘埃颗粒参数下尘埃等离子体的参量性质,最后将动理论模型应用于火箭喷焰尘埃等离子体的研究,分析了火箭喷焰中Al2O3颗粒对其电子能量分布函数和电磁参量的影响。主要研究内容包括:首先从尘埃颗粒充电的轨道运动受限理论出发,考虑尘埃颗粒电势之间的相互影响和尘埃等离子体准中性条件,得到了适用于不同等离子体和尘埃颗粒参数条件的尘埃颗粒充电模型,研究了离子密度以及尘埃颗粒密度和半径对尘埃颗粒带电特性的影响;考虑离子-中性分子电荷转移碰撞过程,分析并估算了不同等离子体碰撞强度下离子-中性分子碰撞对离子充电电流以及尘埃颗粒表面电势的影响;对尘埃颗粒表面电荷的涨落过程进行了理论分析并估算了实验室辉光放电条件下尘埃颗粒的充电特征时间尺度。考虑电子离子对尘埃颗粒的充电过程,并根据放电管径向尺寸的不同,分别建立了放电尘埃等离子体一维和二维轴对称流体模型,模型中包含粒子连续性方程、粒子通量的漂移扩散近似方程、电子能量守恒方程以及泊松方程,模型能够自洽地描述放电管中等离子体与尘埃颗粒参量的分布特征。在氩气直流辉光放电条件下,使用有限元方法对流体模型方程组进行求解,分别得到了不同尘埃颗粒参数下一维轴对称流体模型中电子密度、尘埃颗粒带电量、电子温度以及电场强度等参量的轴向空间分布特征,以及二维轴对称流体模型中相应参量的径向空间分布特征。基于电子玻尔兹曼方程,利用局域场近似模型和非局域方法两种手段进行化简,分别得到尘埃等离子体电子局域与非局域动理论方程,方程中考虑了电子与尘埃颗粒之间的弹性与非弹性碰撞过程。结合动理论方程与尘埃颗粒充电平衡方程,并使用有限差分方法进行求解,得到了不同等离子体与尘埃颗粒参数条件下的电子能量分布函数、有效电子温度、电子输运系数、等离子体电离率系数以及尘埃颗粒表面电势等参量的局域与非局域模型结果,并将局域与非局域模型的计算结果进行了对比分析。建立了固体火箭喷焰尘埃等离子体动理论模型,根据文献中相关火箭喷焰的仿真数据和结果,分析火箭喷焰的粒子成分与电子碰撞反应过程,并结合Al2O3颗粒的充电过程,求解得到了不同Al2O3颗粒密度下火箭喷焰中电子密度、电子能量分布函数以及相应的火箭喷焰相对介电常数、电导率以及衰减系数等电磁参量,并将所得结果与假设电子能量服从麦克斯韦分布时的计算结果进行了对比分析。
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