磁阱中的低溫等離子體.pdf

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1、o,。oN第卷第期物理學(xué)報(bào)夕YNT年月SSN(,v1980研究簡(jiǎn)報(bào)磁阱中的低溫等離子體李家全(西南物理研究所)1979年4月23日收到要,,本文分析了在一個(gè)棒鏡線圈組合成的磁阱裝置中當(dāng)沿著鏡場(chǎng)軸線注人電子束電子束與,等離子體在該磁阱中的行為,中性氫分子碰撞電離產(chǎn)生等離子體時(shí)文中也介紹了對(duì)這種等離子體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果.、一引言圖1一給出了一個(gè)由棒鏡線圈組合而成的研究低溫等離子體的穩(wěn)態(tài)磁鏡裝置結(jié)構(gòu)示(,:。,一“,意圖裝置運(yùn)行指標(biāo)是中心磁場(chǎng)B~50高斯極限真空2x10托充氫氣時(shí)的運(yùn)行一`;:鄉(xiāng),;真空為2x10托電

2、子束的運(yùn)行指標(biāo)為電子束的流強(qiáng)z一20毫安引束電壓v~..,1200,;。0伏束半徑~5厘米高能電子束與中性氫分子碰撞電離產(chǎn)生等離子體等離子體被約束于磁阱中.磁2,3.阱場(chǎng)形如圖所示在注人平面內(nèi)磁場(chǎng)等強(qiáng)線的形狀如圖法拉第筒棒場(chǎng)線圈電子槍鏡場(chǎng)線圈真空室棒場(chǎng)線圈全寒冬一,一,州.一/}訂儀11互坦’’1、`”獷·,土戈幣6!「含今丫書l戶令儷咯.小八二`二甲翻山一藝不夕七甲!’-十-性】【:1匕}上{}},l匕幸~】不抓,.產(chǎn)}~4落`石二,卜一二一洲`l.}}ll{.一」七.~~~4~.公士軍一寸通幾七廳戶勸一{{)

3、—,萬。過{{粉炙、,又矛騰獷散呆圖1裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖2裝置磁場(chǎng)形態(tài)示意.現(xiàn)在首先來分析電子束和氫等離子體之間相互作用的情況,大家知道等離子體的朗謬爾振蕩頻率為。2。,峪~標(biāo)/m(1)1夕2物理學(xué)報(bào)2卷朗謬爾頻率的增長(zhǎng)率為。,二。,n西,2/(),,,。.m為粒子質(zhì)量。為粒子數(shù)密度b為束電子為等離子體中的電子式中腳標(biāo)腳標(biāo),在磁峰距為L(zhǎng)的兩個(gè)磁峰之間朗謬爾頻率的增.,,L。。2,為朗謬爾頻率增長(zhǎng)率。,為束電子長(zhǎng)量為/.速度,當(dāng),L/,,》1時(shí)等離子體的朗謬爾振蕩將迅速擴(kuò)展,電子束和等離子體間將發(fā)生契倫科夫效應(yīng)并使等

4、離子體加熱.,當(dāng)二L/。。蕊1時(shí)電子束和等離子體之間不會(huì)發(fā)生碰撞以外的相互作用.圖3,一o平面磁場(chǎng)等強(qiáng)線的形狀,:二對(duì)于圖1所示裝置和上述裝置運(yùn)行指標(biāo)有L/,.,,(1故等離子體為經(jīng)典的弱電離低溫等離子體對(duì)于這種等離子體可以采用經(jīng)典的方法來進(jìn)行處理.、二子溫度等離體的H旦和電子束碰撞電離時(shí)的行為決定.等離子體的溫度基本上可由中性氫分子設(shè)束電子在和H早碰撞前的能量為1。,伴。~—陰夕瓦2,.z:由于電子束軸向飛行其速度只有分量我們?cè)偌僭O(shè),l)電子束的快速電子最多只能和H旦碰撞一次而且碰撞以后束電子仍沿軸向運(yùn)動(dòng):`。

5、,2)H旦被碰撞電離后所產(chǎn)生的離子的能量m:等于電子的能量m尹二并且進(jìn)一李粵乙藝。..,`,rz云步假設(shè)和也只有分量腳標(biāo)為等離子體中的離子,,E電二下的碰為碰電量則下在上述假定撞過程一非彈性撞若將離能考慮進(jìn)去有述:能量守恒方程..,,:211二11.c夕,二。夕犯電離一。-丁夕奮,3m瓦~m乃二m巧個(gè)m云()一寧寧2222同時(shí)有動(dòng)量守恒方程。。.切尹b1~陰夕婦+陰洲+m聲`(4)若注意到2211``夕i,5咋m()—2陰一—2,。,.則解上面三式可得到,`,。bZ和并進(jìn)一步可得到等離子體中離子和電子的能量。`.

6、.對(duì)到邵~W~238電子伏本文所述條件可得:期李家全磁阱中的低溫等離子體、三子平衡方程的建立等離體,在裝置運(yùn)行時(shí)一方面中性氫分子不斷地被束電子碰撞電離產(chǎn)生等離子體同時(shí)等離..子體又要通過各種途徑而損失掉下面我們將對(duì)各種機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的討論1.子的等離體產(chǎn)生在單位時(shí)間內(nèi)H全被電子束碰撞電離產(chǎn)生的等離子體為。了d、,”””。“b,6戈麗習(xí)一al(),。...~W2E電6電子伏,基于W~38電子伏<蔽~13)故沒有二次電離現(xiàn)象2.子的失離損:子體的子下幾種損制等離中離有述失機(jī),l)H獷和H獷庫(kù)侖碰撞進(jìn)人逸出錐設(shè)離子碰撞后

7、在速度空間各向同性則只有進(jìn).入逸出錐那一部分離子才能因此而損失掉它為2,,iaZ;(7)一爭(zhēng)墩其中逃逸幾率p為,”一`一了咋,,`,R為軸向徑比庫(kù)侖散射截面可用大角度散射公式計(jì)算J,二,。eZ,2~80二(/。)一2為:)因離子在幾何空間的密度分布而形成的橫越磁場(chǎng)的擴(kuò)散損失(李、Jt/3。二,d愁、1d`了/3兒`“`又切“``,8一一萬夕()氣)/丁麗其中平均自由程又,1oZ,:*。`c,~/in一刀,口2夕,,OL`~B/m.,,.``。;為光速實(shí)表/沂~驗(yàn)明辦/3)H獷和HI彈性碰撞進(jìn)入逸出錐nd廠八;”

8、`乙9叭。)戈履丁少一一鞠內(nèi).P(4)電荷交換損失,,快H子和慢H旦電荷交換而形成慢HJ和快H呂因慢H獷的迅速逃逸而快H全又不受,.磁場(chǎng)的約束因而產(chǎn)生了離子的損失。Zd八.~·,”`刀?！癭。a`(10)又)一一麗4479卷5復(fù)合損失)了而八`夢(mèng),(11)叭、石丁夕一一.,式中為復(fù)合系數(shù),:以制可立子數(shù)根據(jù)上損失機(jī)建下述粒平衡方程”,2n,,/、,,。dl””刀。t,,a