【摘要】：電子束等離子體因其能量利用率高,電子溫度低,易調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、航天、國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。具有千電子伏以上能量的電子束在中高氣壓氣體中傳輸時(shí)通過電離氣體產(chǎn)生等離子體,其能量沉積和電荷沉積過程決定了電子束等離子體的主要性質(zhì)。本文從模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面對連續(xù)注入狀態(tài)下針狀電子束等離子體的物理性質(zhì)開展研究,重點(diǎn)考察能量沉積和電荷沉積對電子束等離子體物理性質(zhì)的影響上。模擬部分分為兩部分。第一部分是將蒙特卡洛方法與等離子體連續(xù)性方程、泊松方程進(jìn)行耦合,模擬三維空間內(nèi)針狀電子束等離子體的時(shí)空演化過程。蒙特卡洛方法用于模擬電子束在氣體中的輸運(yùn)情況,得到的能量沉積和電荷沉積結(jié)果作為連續(xù)性方程和泊松方程的輸入?yún)?shù)。模擬結(jié)果表明,電子束等離子體空間電位隨時(shí)間的演化過程受到電荷沉積的影響,穩(wěn)態(tài)值卻僅與等離子體密度的空間分布相關(guān),是雙極擴(kuò)散的結(jié)果。在遠(yuǎn)端無邊界的情況下,空間電位在近電子束出口處為正值,在電子束射程末端達(dá)到最負(fù)。當(dāng)邊界小于電子束射程時(shí),整個(gè)放電空間的電位幾乎為正。遷移擴(kuò)散流的計(jì)算結(jié)果表明返回至電子束入射面的等離子體遷移擴(kuò)散流的穩(wěn)態(tài)值與入射的高能電子束流達(dá)到平衡,扮演著三維空間"回流"的角色。第二部分是針狀電子束等離子體普遍性質(zhì)的解析研究。蒙特卡洛模擬結(jié)果表明能量沉積和電荷沉積具有自相似特征,即不同初始能量的高能電子在不同氣壓下的能量沉積和電荷沉積在以電子束射程歸一化的空間內(nèi)具有相同的空間形狀因子。通過理論分析和推導(dǎo),建立了三參數(shù)空間(放電氣壓P、電子束初始能量T0、電子束流Ib)內(nèi)能量沉積和電荷沉積的解析表達(dá)式。從電子束等離子體的基本理論出發(fā),基于適當(dāng)假設(shè),分別得到密度和空間電荷演化的獨(dú)立模型,并給出解析解,建立它們與能量沉積、電荷沉積的解析依賴關(guān)系。利用自相似特征的數(shù)學(xué)表達(dá)式,最終建立等離子體密度、空間電位(電場)在三參數(shù)空間內(nèi)的解析表達(dá)式。這些定量依賴關(guān)系由本文首次給出,系統(tǒng)刻畫當(dāng)外界控制參數(shù)((T0、P、Ib)發(fā)生變化時(shí),等離子體主要宏觀性質(zhì)的變化,反映了針狀電子束等離子體的普遍性質(zhì),具有科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)部分分為三部分。第一部分是對裝置基本性能的介紹,重點(diǎn)介紹對裝置上原有差分裝置的改進(jìn)�；赟anteler提出的流導(dǎo)理論,經(jīng)過理論推導(dǎo)和計(jì)算,發(fā)現(xiàn)在一定情況下短管對氣流的阻礙作用與孔等同,據(jù)此重新設(shè)計(jì)了 3#差分孔。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新差分孔可以達(dá)到與原有系統(tǒng)一樣的氣壓差分效果,且具有不易燒毀、易定位等優(yōu)點(diǎn)。第二部分是對針狀電子束等離子體性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)測量。放電圖像與經(jīng)由蒙特卡洛模擬得到的等離子體形狀基本相同,靜電探針離子流空間分布的測量結(jié)果與蒙特卡洛得到的能量沉積在趨勢上一致。在邊界導(dǎo)體面Ⅳ曲線的測量中發(fā)現(xiàn)"最大電子流"和"正"懸浮電位,說明離子運(yùn)動受限,這是中高氣壓等離子體的重要特點(diǎn),對等離子體性質(zhì)有重要影響。同時(shí)觀察到"正"懸浮電位隨著氣壓升高而增大,這與第三章的理論結(jié)果在趨勢上一致。第三部分基于電子束流與等離子體密度時(shí)間關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)和模擬研究,建立小束流、中高氣壓下氬電子束等離子體中合適的動力學(xué)模型。利用電子束流波形中的特征頻率f1=20 Hz,從實(shí)驗(yàn)上獲得了探針離子流波形與電子束流波形之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)以及殘留密度與氣壓、密度等參數(shù)的關(guān)系。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,認(rèn)為小束流、中高氣壓下,氬電子束等離子體中激發(fā)態(tài)對等離子體密度的貢獻(xiàn)可以忽略。
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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O53

【參考文獻(xiàn)】

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1 黃浩;黃護(hù)林;張喜東;張義寧;劉振德;;基于電子束電離的高超聲速磁流體發(fā)電機(jī)[J];推進(jìn)技術(shù);2013年05期

2 李弘;蘇鐵;歐陽亮;王慧慧;白小燕;陳志鵬;劉萬東;;電子束產(chǎn)生大尺度等離子體過程的數(shù)值模擬研究[J];物理學(xué)報(bào);2006年07期

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本文編號：2317244