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本论文主要研究在实验上观察到的各种尘埃等离子体斑图,包括在小粒子阶段形成的尘埃空洞和尘埃云斑图,大粒子阶段形成的尘埃晶格和尘埃团簇,以及施加外磁场时的磁化尘埃等离子体斑图。本文还利用分子动力学模拟方法研究了尘埃等离子体系统的结构和动力学行为,部分模拟结果与实验现象一致。
在实验方面,本文是在一个电容耦合射频放电系统中利用活性气体在放电中进行化学反应来产生尘埃颗粒的。随着放电的进行,尘埃生成物有一个由小到大的生长过程。本文研究了在尘埃各个生长阶段观察到的尘埃斑图。主要实验现象如下:在小颗粒阶段,我们在二维平面和三维空间观察到各种形状的尘埃空洞和复杂的尘埃云斑图及其随时间的演化过程;当颗粒长大后观察到粒子形成规则排列的尘埃晶格和尘埃团簇,并分析了尘埃晶格的结构和动力学以及尘埃团簇的演化过程。由于尘埃颗粒是带电的,因此本文还从实验上研究了施加磁场时的尘埃等离子体行为,观察到了几类旋转现象,如刚体旋转,剪切旋转,涡旋旋转,周围粒子绕内部粒子集团的旋转等。
针对实验上形成的尘埃晶格和尘埃团簇现象以及施加磁场时观察到的尘埃涡旋现象,本文还借助分子动力学模拟进一步研究了在二维径向约束势下尘埃系统的结构和动力学行为。主要模拟了约束势强度,系统温度,杂质粒子,以及施加外磁场对尘埃粒子系统的影响。通过粒子的运动轨迹,粒子的均方位移,两体相关函数,粒子位形和最近邻键来表征系统的结构和动力学特征。