双等离子体装置上离子声类孤立子信号的激发和传播特性精.docx
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双等离子体装置上离子声类孤立子信号的激发和传播特性精.docx
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双等离子体装置上离子声类孤立子信号的激发和传播特性精
双等离子体装置上离子声类孤立子信号的激发和传播特性
马锦秀,李毅人,肖德龙,郑尧邦,王道泳,李阳芳
中国科技大学近代物理系
本文使用栅网激发方式,研究离子声类孤立子信号的激发性质。
研究表明,在负偏压的栅网上加上升的斜波(ramp)信号容易激发离子波动模式,在上升时间和电压幅度合适时,所激发的信号演化成离子声类孤立子信号。
分析表明,在栅网上加上升时间较小的ramp信号时能产生速度较快的迸发离子,而在栅网附近预鞘区的局域离子束能激发离子声波。
迸发离子和离子声波通过逆Landau相互作用,在一定条件下使离子声波增长而发展成为类孤立子。
实验表明,由于等离子体存在扩散流,顺流激发的类孤立子速度比逆留激发大,则离子声孤立子与迸发离子发生共振的条件也有所不同。
本工作为国家自然科学基金资助课题(批准号:
10475075)。
一、研究背景
离子声波的激发:
70年代;Q-machine;doubleplasmadevice,
激发方式:
在栅网上加信号;在双筒上加信号。
通常为ramp信号
主要波模:
离子声波、离子束模、迸发离子模(ionburstmode)
迸发离子:
电压突然变化时鞘层结构的突变而迸发出的离子,
直接被探针收集成为一个信号。
离子束模:
预鞘中离子的定向运动激发的局域集体波动,
进入等离子体后发展成离子声波
问题:
迸发离子模不明显,等离子体非均匀性的作用很少研究
二、实验安排及栅网附近鞘层结构:
图1、实验装置示意图
等离子体:
源区放电、扩散到实验区。
SG:
激发栅网,CP:
接收探针。
双筒接地,隔离栅网G悬浮。
气压8.4*10-2Pa,ne~5*108cm-3,Te~1.2eV
图2、负偏压栅网附近鞘层结构以及离子种类示意图
I:
栅网上游,逆流激发区域。
II:
栅网下游,顺流激发区域。
三、
实验结果激发信号
图3、接收信号随激发信号上升时间的变化。
激发信号峰峰值固定在20V。
顺流激发,原始信号经50点FFT平滑。
图4、接收信号随激发信号峰峰值的变化。
激发信号上升时间固定在1.5微秒。
顺流激发,原始信号经50点FFT平滑。
图5、接收信号随激发信号上升时间的变化。
激发信号峰峰值固定在20V。
逆流激发,原始信号。
观察到的现象:
随τ的增大,信号A向信号B靠近,信号B几乎不动。
随Vpp的降低,信号A向信号B靠近,信号B几乎不动。
当信号A靠近B并开始重叠时,信号B幅度变大,且A随后消失。
信号A强烈依赖于激发信号,信号B传播速度几乎不受影响,说明信号B是离子声波信号,信号A为迸发离子信号。
信号A与B发生重叠时,发生相互作用,信号B被放大。
信号A速度略大于信号B,发生逆Landau阻尼相互作用。
当τ较大、Vpp较小时,信号A观察不到,说明此时不能产生迸发离子。
当信号B幅度较大时,速度也有所增大,说明是类孤立子信号。
图6、接收信号速度随激发信号上升时间的变化
图7、接收信号幅度随激发信号上升时间的变化
图8、接收信号速度随激发信号峰峰值的变化
图9、接收信号幅度随激发信号峰峰值的变化
图10、类孤立子信号速度与其幅度的关系
四、
分析
迸发离子模:
图11、鞘层结构改变和迸发离子产生示意图。
实线为原鞘层电位分布,虚线为激发栅网电位突然升高后的鞘层电位分布。
假如鞘层瞬时变化,则x点的离子出射后的速度为:
则迸发离子的最大速度为:
假如上升时间较长,则鞘层弛豫时间约为
则迸发离子的最大速度为:
这可以解释迸发离子速度随Vpp的增大而增大,随τ的增长而降低。
类孤立子模:
预鞘中存在定向运动的离子,同时由于激发栅网尺寸有限,也存在从侧面扩散进来的背景离子,因此预鞘是一个局域的束—等离子体系统。
当有扰动时,能激发离子速模,该模传播出预鞘进入等离子体就成为离子声波。
该波速度为离子声速,不随激发信号的变化而变化,但当幅度增长成为非线性波时,速度略有所增大。
孤立子速度:
理论:
实验:
当两类信号速度接近时,发生强烈波—粒子相互作用,逆Landau阻尼使类孤立子信号增大
五、结论
1、激发栅网负偏压,上升的ramp信号,可以产生迸发离子。
下降的ramp信号不行。
激发栅网正偏压不容易激发波动。
2、迸发离子的特征强烈依赖于激发信号。
离子声类孤立子信号几乎不依赖于激发信号。
3、当激发信号上升时间较短、峰峰值较大时,迸发离子速度远大于离子声波速度,波—粒子相互作用弱。
当上升时间和峰峰值和适时,迸发离子速度略大于离子声速,发生强相互作用,离子声类孤立子被放大。
4、顺流和逆流激发由于离子声速的不同,使得波—粒子相互作用的共振条件有所不同。
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