非线性等温与绝热电子等离子体尾波的研究

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自从等离子体物理开始研究以来,就认为电子等离子波在任何等离子体中是普遍存在的,并且也进行了广泛地研究。大部分非线性的电子等离子体波的研究都是基于微扰分析,因此可能存在的大幅度振荡等离子体波动通常被忽视。另一方面,描述冷热电子等离子体的流体方程也有一些波的解的存在。在该论文中,我们更详细地讨论了电子流体方程的准静态波解的问题。我们也研究了运动的带电物体所激发的电子等离子体波,考虑相对论情况下的电子等离子波以及绝热情况的电子等离子体波。   等温情况下电子流体方程的解说明任意幅度、速度的准静态电子等离子体波是存在的。除了这些波的解之外,还发现了以超热速度传播的很大幅度的非中性电子等离子体波。利用非相对论的热流体理论可以得到陡峭但很平滑的准静态电子等离子体波和孤波的结构。在稀薄等离子体中,这些波的结构可以产生带正电的区域(主要是离子的质量很大,可以认为离子是静止不动的),在这些地方几乎没有电子。   我们还讨论了运动的带电物体或带电粒子脉冲在等离子体中激发了完全非线性的准静态的等离子体尾波。所激发的等离子体尾波的性质主要取决于波与带电粒子脉冲之间发生的共振。在一定条件下,几乎没有尾波,也可能激发只有几个振荡的高度局域化的等离子体波包。我们还讨论了在等离子体中加上两个带电粒子脉冲时所激发的等离子体尾波的性质。在两个一起运动的带电粒子脉冲的驱动下,可以产生只有很小振荡的局域等离子体尾波结构。当两个带电粒子脉冲中心之间的距离满足一定规律时,这种局域化的等离子体波的结构就会出现。这时两个脉冲被屏蔽了。   我们也讨论了考虑相对论效应时,运动的带电粒子脉冲或带电物体所激发的非线性的电子等离子体尾波。相对论效应对等离子体尾波的性质有很重要的影响。由于即使在脉冲速度比较小时,电子振荡的幅度和速度与波的共振可能很大,所以相对论效应对等离子体尾波的性质有着很重要的影响。在研究中发现了和带电粒子脉冲一起运动的陡峭且平滑的准静态等离子体尾波。还发现了类似孤波结构的局域波的解。然而,由于考虑相对论效应时,电子的质量会随着运动速度的增加而增加,因此相对论效应一定程度上对孤波的形成有阻碍作用。还讨论了超大幅度的等离子体尾场密度波作为高能宇宙射线事件的源方面的应用。   我们还讨论了绝热情况下的电子等离子体中大幅度的电子等离子体波。在这种情况下,电子等离子体波的性质与等温情况下非常相似。
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