稳态等离子体发动机内电子与壁面相互作用机理及统计研究

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该论文以稳态等离子体发动机(SPT)为研究背景,着重分析SPT内等离子体与壁面的相互作用机理,在理论上深入分析了电子与壁面相互作用时在能量、动量上的交换,并重点推导了正交电磁场下,壁面发射电子和鞘层反射电子的运动方程,得到并深入解释了SPT内电子与壁面相互作用时发生轴向传导的两种物理机制及其对电子分布函数的影响.通过对电子与壁面相互作用时能量交换规律的理论推导,得到了SPT内壁面材料的二次电子发射系数.利用单电子运动规律与速度分布函数的概念,从理论上分析并推导了SPT内的主要宏观参数,并进一步利用微观与宏观的概念证明了蒙特卡洛方法求解基于单粒子运动的宏观规律的可行性.根据这一理论结果利用SPT壁面传导区的特征数据对无鞘层下壁面发射传导现象,进行了蒙特卡洛统计,并讨论了电磁场对壁面发射传导的影响.进一步分析了壁面粗糙度与壁面鞘层之间的定性关系,并引入折合角的概念.在此基础之上,依据电子与壁面相互作用所产生的两种传导机理,采用蒙特卡洛方法分别对微粗糙壁面下的壁面鞘层的涨落现象和过渡粗糙壁面宏观参数的变化规律进行了模拟统计,并对其中的形成机理进行了较为深入的分析.利用这些统计结果,对SPT内利用壁面粗糙度的改变,来测量壁面鞘层厚度的方法进行了理论分析,提出了测量壁面鞘层厚度时的壁面粗糙度构造方法及其计算方法,并与实验结果进行了对比分析.本文最后利用数值计算的方法对SPT环形结构下的电子运动进行了仿真,得到了环形结构下的环效应现象机制.通过对内外壁面发射电子的运动仿真,发现了外壁面电子传导强于内壁面电子传导的现象,利用蒙特卡洛方法对这种结构下电子的运动进行宏观统计,所得的宏观结果可以定性解释一些实验现象.
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