《磁化電漿物理中的幾何相位現象研究》是依託中國科學技術大學，由劉健擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：磁化電漿物理中的幾何相位現象研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉健
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
幾何相位現象普遍存在於物理學各個分支,其在電漿物理研究中也有著深遠的理論意義和重要的實際套用。我們的前期工作對磁化電漿中幾何相位相關理論問題作了初步研究,其中包括經典帶電粒子迴旋運動中的幾何相位、電漿波在非均勻磁化電漿中傳播時產生的幾何相位、法拉第旋轉角中包含的幾何相位等問題。在本項目中，我們計畫繼續對磁化電漿中的幾何相位現象進行更加深入的理論研究，並進行相應的實驗驗證和套用。本項目主要研究內容包括：研究帶電粒子在非均勻磁場中運動的不完整性,討論迴旋運動中的幾何相位與迴旋動理學的關係；在強磁場條件下,迴旋運動系統從經典系統過渡到量子系統過程中的幾何相位特徵；非均勻磁化電漿中電漿波Cotton-Mouton效應中的幾何相位；法拉第旋轉角度中幾何相位的測量；利用法拉第旋轉角中幾何相位的性質改進用偏振儀診斷電漿的方法。以上幾點都是極有價值但尚未解決的問題。
結題摘要
在磁化電漿領域推進幾何相位現象研究具有重要的理論和實踐意義。本項目的研究內容是採用理論分析、數值計算以及實驗調試測量等手段，深入研究磁化電漿中幾何相位現象的相關問題，具體包括：深入研究帶電粒子在不均勻磁場中運動的不完整性，揭示幾何相位現象同迴旋動理學理論之間的深刻聯繫；研究在極強磁場條件下，迴旋運動中的幾何相位在從經典系統過渡到量子系統過程中的性質、朗道能級的幾何相位同經典迴旋運動中幾何相位的對應關係、以及朗道能級中幾何相位引起的效應等一系列問題；研究Cotton-Mouton效應中幾何相位的問題，繼而從理論上解決幾何相位對一般電漿波在非均勻磁化電漿中傳播時偏振狀態變化的影響；利用動力學相和幾何相位性質的差別，從實驗上將法拉第旋轉角的動力學相位部分分離出來，然後用其計算磁化電漿參數，從而改進用偏振儀進行電漿診斷的精度。 本項目的重要結果包括理論、模擬和實驗三個方面：（1）理論方面：研究了迴旋動理學理論的規範性質，並探索了將其套用於非線性射頻波物理模擬的方法；對於具有顯著幾何相位現象但同時不滿足迴旋動理學假設的托卡馬克逃逸電子物理過程進行分析，並首次提出無碰撞新經典散射的物理現象；研究了帶電粒子量子系統朗道能級的幾何相位，及其與經典幾何相位的關聯；完成對磁化電漿中Cotton-Mouton效應中幾何相位的理論研究；（2）模擬方面：為更好的研究電漿電磁波和帶電粒子系統中的幾何相位現象，相應發展了保辛、保體積等一系列先進幾何算法，包括：適用於電漿電磁波第一性原理模擬的正則辛、非正則辛和變分辛Particle-in-Cell算法，揭示了Boris算法的長期守恆性質來源於其保持相空間體積的性質，並繼而採用分裂方法構造出與Boris算法類似、具有不同階數和計算複雜度的適用於帶電粒子系統的保體積算法，利用這些先計算法針對射頻波非線性過程和逃逸電子多尺度過程進行了研究；（3）實驗方面：升級了EAST裝置遠紅外偏振干涉儀系統，針對該系統對幾何相位診斷測量進行了參數模擬，並設計了相應的幾何相位實驗測量方案。
