单端磁镜场中螺旋波等离子体源的低混杂波加热研究

摘要

螺旋波等离子体电推进系统是一种新型推进装置，其推力小、比冲高、使用寿命长，适用于长寿命深空探测和卫星动力系统，具备较高科学价值和广泛应用前景。目前国际上广泛使用的离子回旋加热要求较强的背景磁场，技术实现难度较大。论文提出低混杂波加热，其作为主要的辅助加热手段之一，已广泛应用于托卡马克的电流驱动系统中。若能将低混杂加热技术作用于螺旋波等离子体电推进装置中，可大大降低磁场强度，工程上容易实现。
　　论文针对单端磁镜场中低混杂波对螺旋波等离子体源的加热过程、加热规律、加热效率及其影响因素进行理论分析和数值模拟研究。首先，基于磁流体力学，通过色散方程求解得到单端磁镜场中低混杂波的共振与截止条件，并进一步探讨了螺旋波等离子体源各项参数对共振区与截止区的影响；然后，采用粒子-磁流体混合模拟方法对低混杂波加热过程进行了模拟研究。为螺旋波等离子体电推进器中低混杂波加热的实验研究和工程应用提供理论和技术支持。
　　论文主要研究结果如下：
　　低混杂波可以对单端磁镜场中的等离子体加热，但是由于截止区的存在，低混杂波在到达等离子体中心区域前被阻尼，无法对该区域进行加热。
　　波频率、磁场强度、数密度和离子成分对共振区与截止区均有显著影响。波频率和磁场强度变化明显影响共振区宽度。数密度可以改变截止区的宽度从而影响加热效率，但对共振区影响不大，可以通过磁场强度、波频率等参量共同影响共振区。在加热效果相近的情况下，双离子模型所需的磁场强度低于单离子模型，所需的低混杂波频率高于单离子模型。
　　低混杂波加热效果显著，离子速度和温度均有明显增加。但在z轴上各个离子的加速程度不同，强磁场侧的离子，其速度分量Vx高于弱磁场侧的离子，速度分量Vz则要低于弱磁场侧的离子。此外，离子水平方向的温度增量高于垂直方向。当系统中加入3%的杂质H+离子时，通过分析相位角的变化可知，离子在z方向存在左旋运动，即磁声波在单端磁镜场中传播时不仅能够波模转换成低混杂波，还能转换成左旋偏振波。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 论文研究背景介绍

1.2 国内外研究进展

1.3 论文研究意义

1.4 论文主要研究工作及内容安排

第二章 单端磁镜场中共振区与截止区理论分析

2.1 等离子体波色散方程

2.2 共振条件与截止条件

2.3 磁镜场

2.4 磁镜场中低混杂波的共振与截止条件

2.5 小结

第三章 单端磁镜场中低混杂波加热共振区与截止区特性研究

3.1 单离子模型

3.2 双离子模型

3.3 本章小结

第四章 单端磁镜场中低混杂波加热数值模拟

4.1 等离子体描述方法

4.2 混合模拟方法

4.3 模拟结果分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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