電子束產生開放空間電漿物理過程研究

《電子束產生開放空間電漿物理過程研究》是依託中國科學技術大學，由劉萬東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電子束產生開放空間電漿物理過程研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉萬東
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

在大氣及空間產生大尺度、較高密度的電漿是人類值得期待的重要技術開發方向。由於電子束碰撞產生電漿具有能量利用率高、密度、尺度易於調節等優點，因此是產生開放空間電漿最可能得到套用的方式。本項目通過對電子束電漿邊界效應研究，給出滿足開放空間近似的實驗條件。在開放空間條件下，系統的改變束流的能量、束流的流強、氣壓參數，研究給出電子束碰撞產生電漿參數的定標率。實驗研究電子束電漿的空間電勢分布、電子回流分布，得到電子束電漿的空間電荷效應。通過測量電漿參數的時空振盪特性，研究開放空間電子束電漿形成過程中的動力學行為及其演化規律。在總結實驗基礎上，提出電子束產生開放空間電漿物理過程的理論模型。給出電子束電漿系統中，電子回流與電漿參數、束流參數、氣壓參數的內在聯繫。

結題摘要

電子束電漿具備能量利用率高、易調控等優點，在航天、國防等重要領域套用廣泛。本項目主要對針狀電子束電漿的多參量時空演化物理過程開展了模擬和實驗研究，取得了系統的研究成果，具有重要的學術和實際套用價值。主要內容及成果如下：（1）建立了將蒙特卡洛方法與連續方程、泊松方程相耦合的三維數值模擬程式，用於研究三維空間針狀電子束電漿的時空演化過程，得到了不同階段影響空間電位的關鍵因素，並首次給出空間電荷隨時間演化的二維圖像。結果表明，空間電位的建立演化過程與電子束的電荷沉積相關，穩態的空間電位則由雙極擴散過程決定，僅與電子束的能量沉積相關。在遠端無邊界條件下，在近電子束出口處電位為正，隨著電子束的深入，電位逐漸降低並變負，在電子束射程末端達到最負；當邊界小於電子束射程時，整個放電空間的電位均為正值。（2）從電子束輸運的自相似特徵出發，建立了能量與電荷沉積的解析表達式，最終得到了電子束電漿主要參數與電子束初始能量、束流強度、背景氣體壓強等主要系統參數的定標關係。利用數值模擬對部分定標關係進行了驗證。這些定標關係刻畫電子束電漿在三參數空間的系統性質，具有科學和套用價值。（3）改進了電子束電漿實驗裝置，開展了針狀電子束電漿特性實驗。發現了在氣壓較高情況下，離子運動受限效應起作用，表現為空間電位均為正值的現象，與理論結果在定性一致。同時，實驗研究了電子束與所產生的電漿之間的時間關聯現象，套用動力學模型模擬，發現在小束流、中高氣壓氬電漿情況下，激發態對電漿密度的貢獻可以忽略，可以大大簡化動力學模型。