六硼化镧(LaB6)在场排列的磁化等离子体以及中性气体边界的输运

时间: 2024-02-16 23:34:01 |   作者; 雷火竞猜官网首页

  磁化等离子体和中性气体之间沿约束磁场方向存在的边界层的物理特性，这项研究在巨大环形等离子体装置 (ETPD) 中进行的，

  这项装置涉及使用六硼化镧 (LaB6) 阴极和半透明阳极创建磁化、无电流氦等离子体，等离子体终止于中性氦气，不接触任何壁，将探针插入等离子体中以测量基本等离子体参数并研究 NBL 中的传输。

  实验在弱电离极限下进行，其中等离子体密度 (ne) 远小于中性密度 (nn)，具体来说，ne/nn 5%，NBL 的特点是场对准电场始于等离子体压力与中性气体压力平衡的点，超过这个压力平衡点，电子和离子由于与中性气体碰撞而失去动量并停止。

  为了维持无电流终止，自洽地建立电场，平衡不同物质在中性气体中的终止速率，与各种碰撞和德拜长度相比，所得电场表现出具有显着空间尺度的碰撞准中性鞘层的特征。

  使用双流体、无电流、弱电离传输模型应用中性边界层中等离子体终止的广义理论，这项实验和模型通过等离子体参数的缩放进行了验证，并且这些发现对于研究其他系统中的 NBL 具有更广泛的相关性，例如极光的大气终止或分离的气体偏滤器。

  等离子体和中性气体之间的相互作用在物理学中至关重要，这些相互作用通过种种类型的碰撞发生，导致能量和动量的交换，了解这些过程对于理解等离子体如何在中性气体上终止至关重要。

  非弹性碰撞涉及带电粒子（电子和离子）与中性气体原子或分子之间的能量和动量交换，而没有一点显著的能量转移，这些碰撞会导致带电粒子的散射及其速度的重新分布。

  在电离碰撞中，电子与中性原子或分子碰撞，导致电子从中性物质中去除，将其转化为离子，这样的一个过程对于通过维持电离和复合之间的平衡来维持等离子体至关重要，重组碰撞涉及离子捕获自由电子，从而形成中性原子或分子，该过程有助于降低等离子体中的离子密度。

  激发碰撞涉及能量从带电粒子转移到中性原子或分子，导致后者进入激发态，随后，中性物质在返回基态时可以发射光子，当离子从中性原子或分子捕获电子时，就会发生电荷交换碰撞，导致产生激发离子和中性物质。

  在等离子体-中性气体相互作用的背景下，弹性中性碰撞频率（表示为 ναn）是对以其热速度移动的 α 种粒子与气体中的中性粒子碰撞的频率的度量，它量化带电粒子（电子和离子）与中性物质之间的能量和动量交换率。

  物质 α 在温度 Tα 下与数密度 nn 的中性气体相互作用的碰撞率 ναn 可以表示为，να = nn * σα * (kBTα / ma)，nn 是中性气体粒子的体积数密度。

  σαn 是物质 α 与中性粒子之间弹性碰撞的能量无关截面，k_B 是玻尔兹曼常数，Tα 是物种 α 的温度，mα 是物质 α 的质量，横截面 σαn 表示物种 α 的粒子作为与中性气体粒子碰撞的目标的有效面积。

  它是粒子碰撞时发生相互作用的概率的度量，对于低于 10 eV 的温度，该横截面的典型值约为 5 × 10^(-15) cm^2。

  在电场存在的情况下，弹性中性碰撞会改变等离子体中粒子的运动，影响其电导率，电导率对于描述带电粒子如何响应电场并在等离子体中携带电流至关重要。

  场对准电导率 (σα,k)：场对准电导率描述了沿磁场方向的电导率，它是根据方程中定义的弹性中性碰撞率（ναn）推导出来的，物质 α 的场对准电导率由下式给出，σa,k = (nα * e^2) / (2 * ma * ναn) 。

  nα 是物种 α 的数密度，e 是基本电荷，mα 是物质 α 的质量，跨场电导率 (σα,⊥) - 佩德森电导率，存在垂直电场时沿磁场方向的电导率称为佩德森电导率。

  ωcα 是物种 α 的回旋频率，霍尔电导率 (σα,∧)，霍尔电导率描述了粒子在垂直于限制磁场和电场的方向上的运动，它是回旋加速器频率 (ωcα) 的另一个函数，物质 α 的霍尔电导率由下式给出，σ,∧ = σ,k * (ναn * ωα) / (μα * (ναn + ωα)^2)。

  非弹性碰撞，例如电离和电荷交换，涉及带电粒子（例如电子和离子）与中性原子或分子之间的相互作用，这些过程的横截面强烈依赖于相互作用粒子的种类和能量。

  比如对于氦气电离过程，电子在能量 E 下对氦的电离截面由右轴上的虚线表示，横截面显示，当相互作用电子的能量超过氦的电离能（24.6 eV）时，电离变得显着。

  左轴实线所示的电离产生速率代表温度为 Te 的麦克斯韦等离子体的电离速率，尽管氦的电离能为 24.6 eV，但由于麦克斯韦分布函数中存在快尾电子，在低于此阈值的能量下仍有几率发生电离，这些高能电子虽然相对罕见，但即使在较低能量下也能促进电离。

  离子-中性电荷交换是另一个非弹性过程，其速率由 Brown (1959) 计算，这样的一个过程涉及离子和中性粒子之间的电荷交换，电荷交换速率取决于相互作用粒子的特性，例如它们的碰撞截面和能量。

  巨型环形等离子体装置 (ETPD) 中的等离子体源基于辐射加热的六硼化镧 (LaB6) 阴极，LaB6 阴极是一块 18 cm x 18 cm 的平铺板，由位于其后面 2 cm 的石墨加热器加热至 1650°C 的发射温度，石墨加热器采用从实心石墨板切割而成的蛇形图案，由 32 kW（80 V，400 A）功率加热。

  LaB6 阴极固定在石墨框架中，周围有墙壁和屏蔽层，以抑制热量并防止产生电弧，由 70% 透明钼网制成的阳极位于阴极前方 1.6 m 处，阳极和阴极均与周围的壁电隔离。

  为了产生等离子体，每秒在阳极和阴极之间施加一次偏压，维持的时间长达 100 毫秒，等离子电流由 3 F 电容器组驱动，该电容器组通过绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 网络快速开关，其设计类似于 Pribyl & Gekelman (2004) 的设计。

  500 V、50 A 电源在等离子体放电之间持续为电容器组充电，该电源上的电压设置组电压，进而设置放电期间的阳极-阴极偏置。

  实验装置中，等离子体长度相对较短 (30 m)，可以在几毫秒内达到平衡，每次放电期间等离子体仅持续 20 毫秒，研究中获取的数据包括等离子体的稳态参数，这些参数是在等离子体关闭之前测量的。

  使用六硼化镧 (LaB6) 作为巨型环形等离子体装置 (ETPD) 中的等离子体源具有多种优势，特别是在提供可定制的高功率密度光束方面，以下是与在 ETPD 中使用 LaB6 的优势相关的一些关键点。

  LaB6 可提供高功率密度电子束，使其适合放电过程中的高能离子通量，通过调节 LaB6 阴极的温度能控制和定制可用的电子电流，这种控制在实验设计中至关重要，因为它使等离子体足够热且密度足以充当电离源。

  LaB6 足够坚固，能处理高能离子流，使其适合高功率等离子体实验，这种坚固性确保了等离子体的稳定运行，并最大限度地减少了放电过程中对阴极的潜在损坏。

  实验要求等离子体与中性气体在中性边界层（NBL）处相互作用，为实现这一点，使用大的中性填充压力来使等离子体停止在适当的距离处。

  等离子体需要足够热和足够密，才能充当电离源，使其可以通过压力梯度从电离区对流出来，并与中性气体相互作用，而不可能会受到初级电子的显着附加影响。

  改变 LaB6 温度和放电电流的能力至关重要，如果从 LaB6 阴极发射出额外的初级电子，则会在电离区局部产生更热、更致密的等离子体，而不会穿透得更深。

  这种局部的、更热、更密集的等离子体能更加进一步对流到中性气体中，从而增加等离子体长度，经过控制 LaB6 温度和放电电流，可以优化等离子体长度以满足实验标准。

  实验中中性边界层 (NBL) 中典型的相关等离子体参数，NBL 是等离子体柱末端的区域，其特征是场对准终止电场。

  在整个放电过程中，放电电压保持恒定在 220 V，其他时间轨迹中看到的等离子体平衡时间相比，放电电流的上升和下降时间很快，远小于 1 ms。

  这表明等离子体末端中性边界层的建立是一个渐进的动态过程，具有反馈效应，与快速的放电电流上升和下降时间相比，需要更长的时间才可以做到平衡。

  巨大环形等离子体装置 (ETPD) 有四个可调节旋钮来控制整个实验，放电电压（初级能量），该旋钮决定施加到等离子体放电的电压，该电压影响等离子体的初级能量。

  LaB6 温度/放电电流（初级通量），LaB6 温度或放电电流控制进入等离子体的粒子（主要是电子）的初级通量。

  限制磁场强度，该旋钮控制限制等离子体的磁场强度，减小磁场会增加等离子体损失并缩短等离子体长度。

  中性填充压力，中性填充压力设定腔室中中性气体的密度，增加中性填充压力也会增加等离子体损失并影响等离子体长度。

  这四个可调变量独特地决定了各种等离子体特性，包括密度、电势、电子和离子温度、等离子体流量和电流，ETPD 等离子体长度由功率平衡参数决定。

  这意味着总功率输入一定要通过功率损耗来平衡才可以做到平衡，通过调节这四个旋钮，研究人能极大地改变等离子体参数和长度。

  ETPD使用六硼化镧 (LaB6) 阴极和半透明阳极创建磁化、无电流氦等离子体，并将其终止于中性氦气，无需接触任何壁，在实验中，研究人员插入探针到等离子体中以测量基本等离子体参数并研究NBL中的传输过程。

  实验在弱电离极限下进行，确保等离子体密度 (ne) 远小于中性密度 (nn)，即ne/nn 5%，NBL的特点是场对准电场始于等离子体压力与中性气体压力平衡的点，在超过这个压力平衡点后，电子和离子会因与中性气体碰撞而失去动量并停止运动。

  为了维持无电流终止，系统要自洽地建立电场来平衡不同物质在中性气体中的终止速率，所得电场表现出与等离子体参数具有非常明显空间尺度的碰撞准中性鞘层的特征。

  研究中使用了双流体、无电流、弱电离传输模型来描述中性边界层中等离子体终止的物理现象，并通过等离子体参数的缩放做验证，这些研究发现具备更广泛相关性，适用于研究其他系统中的NBL，例如极光的大气终止或分离的气体过滤器。

  该实验装置的四个可调节旋钮控制整个实验，放电电压 (primary energy)，LaB6 温度/放电电流 (primary flux)，限制磁场强度，以及中性填充压力，这四个参数唯一地决定等离子体的密度、电势、电子和离子温度、等离子体流量和电流，ETPD等离子体长度由功率平衡参数决定。

  参考文献：【1】《极光电离层电动力学的数值模拟》。【2】《等离子体物理与控制聚变》。【3】《干涉测量和反射测量》。【4】《毫米波等离子体诊断中的外差方法》。【5】《等离子体物理学的基础数据》。