阿尔文波亚回旋共振加热等离子体的粒子模拟

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为了应对日益严峻的能源危机,科学家们正在研究欧姆加热、中性束加热、射频加热等各种加热手段使受控热核聚变装置中的等离子体达到理想的点火温度。阿尔文波加热(AWH),作为射频加热法中的一种重要方法,受到了研究者们越来越多的关注。本文采用粒子模拟(PIC)方法,模拟研究了沿背景磁场传播的Alfvén波与均匀磁化等离子体亚回旋共振相互作用的过程,模拟结果表明:亚回旋共振加热过程中,在平行和垂直于背景磁场的方向上,质子温度均得到增加;但在垂直方向上,温度增加更为明显。另外,不同的波频率影响粒子的共振加热效果,共振加热比非共振加热效果更为显著。粒子经随机加热所获得的动力学温度极限值与波频率无关,仅仅与波的相速度相关。本文还详细比较了Alfvén波亚回旋共振加热与随机加热过程。由于Alfvén波在垂直方向上捕获质子,致使在Z-Vx相空间内,质子呈现周期性分布。质子间在沿波的传播方向上产生相位差使得质子得到加热,这种相位差是由平行方向的热运动产生。这一过程要归咎到波所引发的引导中心的运动与回旋运动的非线性耦合。这个模型不仅可以解释实验室等离子体加热过程,还可以解释天文物理环境中的高速带电粒子现象。通过对不同相位差的两支Alfvén波亚回旋共振加热粒子的研究,结果表明当两支左旋波与质子同时发生亚回旋共振相互作用时:(1)、在垂直磁场方向上,粒子首先得到加热,一段时间后粒子在平行方向的温度超过垂直方向的温度,粒子的加热出现很大各向异性。(2)、等离子体中会出现一个很大的粒子速度流,速度流的增速有一个先增大后减小过程。
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