磁场对螺旋波等离子体波和能量吸收影响的数值研究

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.3(2014)035203磁场对螺旋波等离子体波和能量吸收影响的数值研究成玉国y程谋森王墨戈李小康(国防科学技术大学航天科学与工程学院,长沙410073)(2013年8月22日收到;2013年9月29日收到修改稿)本文考察在径向电子数密度呈抛物形分布的情况下,外加稳恒磁场,射频通过螺旋波天线在等离子体中4激发电磁波的传播性质.采用线性扰动波假设,数值求解Maxwell方程组,得到80—800G(1G=10T)磁场条件下等离子体中径向电、磁场强度及能量沉积密度的分布情形.计算结果表明,磁场

2、增大(80!800G)时,螺旋波受到的阻尼较小,可深入等离子体传播;Trivelpiece-Gould(TG)波受到的阻尼增大,在等离子体-真空边界处衰减增强;整体的能量吸收向边界集中.磁感应强度小于100G时,TG波可深入主等离子体区传播,等离子体径向能量吸收相对均匀.关键词:螺旋波,等离子体,磁场,数值模拟PACS:52.50.Qt,41.20.Jb,52.70.Ds,02.60.–xDOI:10.7498/aps.63.035203化(m=1),右旋圆极化(m=1)或双环型对称1引言极化(m=0)射频天线激发具有电磁性质,波长较大,衰减

3、缓慢的螺旋波和具有静电性质,波长较小,螺旋波等离子体源具有无电极腐蚀、工质选择衰减较快的TG波,通过波与粒子的相互作用加热范围广等优点,是继霍尔推力器[1,2],脉冲等离子体等离子体.等离子体中的电子为能量吸收的主要介推力器[3]之后,近年来探索的新型电磁推力器的重质,并通过碰撞阻尼等机理将能量传递给离子和中要组件,如变比冲磁等离子体推力器、射频辅助法性气体.无磁场约束时,波动对介质的影响尺度由拉第加速推力器等[4−7].趋势深度决定,引入外部约束磁场,波动能够深入对于螺旋波等离子体源推力器,射频加热段产等离子体内部,可增强能量吸收的均匀性,同

4、时,在生的等离子体能量及其分布特性对推力器性能有较大影响[4,5].早期研究通常认为等离子体中朗道低气压放电情形下,由于绕磁场的回旋运动,造成阻尼导致能量的沉积[8,9],但当波长较小、相速度等离子体局部电荷分离,产生感生电场,影响碰撞速率的有效速率是漂移速度而非热运动速度,等离远大于电子热运动速度时,朗道阻尼沉积机理不再成立.Shamrai等[10]对均匀密度等离子体分析后子体介电常数随之变化.因此,磁场对两种波的影认为,螺旋波天线激发等离子体过程中,除产生螺响需进一步讨论.旋波之外,在等离子体-真空边界处产生具有静电本文针对气体工质弱电离后

5、被射频继续加热性质的TG波,且能量沉积主要由TG波耗散引起.的稳态过程,考察径向电子数密度非均匀分布条件这一结论逐渐成为研究人员的共识[11−14].下,不同强度磁场对能量沉积过程及径向分布的螺旋波等离子体电离时,射频能量经左旋圆极影响.国家自然科学基金(批准号:11305265)资助的课题.†通讯作者.E-mail:hlcyg@126.com©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn035203-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.3(2014)03

6、5203式中,µ0为真空磁导率,J~d为位移电流密度.估计2计算模型位移电流密度所占份额为J~ωE~ωE~d将等离子体源段近似为无限长柱形源的一段,c2c2=k~k~E~图1和图2给出了等离子体源简化结构,图2中标J~p+J~drB~ω注电流方向的曲线表示螺旋波天线,coil1和coil2k2为Helmholtz线圈,在电离段产生较为均匀的稳恒010−4,(3)k2磁场.根据边界条件的不同,螺旋波天线激发的式中,ω为等离子体激发角频率,k为等离子体轴向电磁场可分为三个区域:区域⃝1为与真空舱毗邻波数,k0为真空波数,k0=ω/c,c

7、为光速.因此,位的真空区域,区域⃝2为与等离子体毗邻的真空区移电流对等离子体中能量沉积功率的影响可忽略域,区域⃝3为等离子体区域.图1中,等离子体半不计.(1)式可表示为径R=4cm,天线半径Ra=4.5cm,真空舱半径[()]1Rc=10cm,天线长度La=20cm,天线为右旋圆Pabs=RerB~
E~µ0[()]极化m=1构型.ω=Re"p
E~
E~,(4)c2኎ሏߕʹ᣸ႍ式中,"为介电张量ܹጳҖ᭧pᄾቇᓎҖ᭧SiD0"p=iDS0,(5)aRRc00PR(5)式中S,D,P表达式如下:↑22←ωpe(ω+iν)

8、₧S=12,(6)ω(ω+iν)(ω+iν)ωce2ω2peωceD=,(7)(ω+iν)(ω+iν)2ω2图1等离子体放电腔横向截面ceω2