尘埃等离子体是由电子、离子以及一些带电的尘埃颗粒组成的复杂等离子体,它广泛地存在于星际空间以及地球上各种气体放电实验中。研究尘埃等离子体的产生以及它的物理特性不仅对等离子体技术在半导体芯片加工、磁约束核聚变、空间探测等领域的应用有着重要的参考价值,同时它能够揭示等离子体物理学以及其它相关领域中新的物理现象。因而,在最近二十多年里,这一研究领域极大地吸引了众多科学家的兴趣,并成为等离子体物理学乃至整个物理学领域一个研究热点。特别是在气体放电实验室中,尘埃粒子的存在会产生一些令人惊奇的发现,如尘埃晶格的形成、尘埃空洞的形成、外磁场作用下尘埃晶格的旋转、强耦合尘埃等离子体声波、激光束诱导尘埃等离子体中的马赫锥现象等。 本文主要研究在实验室放电条件下射频等离子体鞘层的物理特性、尘埃颗粒在射频等离子体鞘层中的悬浮、充电和运动规律,并揭示尘埃颗粒在鞘层中的非线性振荡、尘埃晶格形成和旋转、马赫锥(波)等现象产生的内在物理机制。 在第一章,简述了尘埃等离子体在自然界中的存在、实验室尘埃等离子体中发生的一些物理现象、以及对这些现象开展的相关理论与实验研究进展等。 在第二章,考虑到在典型的气体实验中带电尘埃颗粒都是悬浮在电极上方的鞘层区域,而且鞘层的物理特性会对尘埃颗粒的运动和尘埃晶格的形成产生重要的影响,所以分别建立了自洽的一维和二维碰撞射频等离子体鞘层模型,以及二维磁化射频等离子体鞘层模型,详细地研究了这些射频鞘层的动力学演化过程,尤其是研究了电极的表面拓扑结构对鞘层电场分布、离子流密度分布的影响,以及E×B引起的环向离子流效应。 在第三章,系统研究了单个尘埃粒子在射频鞘层中的充电、受力、悬浮及运动过程。特别是研究了在扰动探针作用下单个尘埃粒子在射频鞘层中的非线性共振,结果不仅成功地再现了Ivlev等人[Phys.Rev.Lett.,85,4060(2000)]的实验观察,同时还从理论上揭示了尘埃粒子发生倍频共振和迟滞现象的物理原因以及放电气压、扰动探针的参数对这些现象的影响。 在第四章,研究了大量相互作用着的尘埃粒子在射频等离子体鞘层中的悬浮、运动及形成尘埃晶格的过程。首先在二维鞘层模型的基础上,研究了鞘层中由径向约束引起的二维尘埃晶格的形成过程及其结构变化,并发现对于含有少量尘埃粒子的库仑团簇,其结构随着尘埃粒子个数的变化有着明显的周期性。其次进一步分析了穿越鞘层边界的离子流产生的尾流效应与三维尘埃晶格的形成机制,发现尾流效应会在尘埃粒子下方引