双等离子体装置上离子声类孤立子信号的激发和传播特性(精)

1、双等离子体装置上离子声类孤立子信号的激发和传播特性马锦秀，李毅人，肖德龙，郑尧邦，王道泳，李阳芳中国科技大学近代物理系本文使用栅网激发方式，研究离子声类孤立子信号的激发性质。研究表明，在负偏压的栅网上加上升的斜波（ramp）信号容易激发离子波动模式，在上升时间和电压幅度合适时，所激发的信号演化成离子声类孤立子信号。分析表明，在栅网上加上升时间较小的ramp信号时能产生速度较快的迸发离子，而在栅网附近预鞘区的局域离子束能激发离子声波。迸发离子和 离子声波通过逆Landau相互作用，在一定条件下使离子声波增长而发展成为类孤立子。实验 表明，由于等离子体存在扩散流，顺流激发的类孤立子速度比逆留激发大

2、，则离子声孤立子 与迸发离子发生共振的条件也有所不同。本工作为国家自然科学基金资助课题（批准号：10475075）一、研究背景离子声波的激发：70年代；Q-machine；double plasma device,激发方式：在栅网上加信号；在双筒上加信号。通常为ramp信号主要波模：离子声波、离子束模、迸发离子模(ion burst mode)迸发离子：电压突然变化时鞘层结构的突变而迸发出的离子，直接被探针收集成为一个信号。离子束模：预鞘中离子的定向运动激发的局域集体波动，进入等离子体后发展成离子声波问题： 迸发离子模不明显，等离子体非均匀性的作用很少研究1、实验安排及栅网附近鞘层结构:OCP

3、TARGET |fIgasinto pumpA .mag ng口口口SOURCE图1、实验装置示意图等离子体：源区放电、扩散到实验区。SG:激发栅网，CP:接收探针。双筒接地，隔离栅网G悬浮。气压8.4*10-2Pa, ne5*108cm-3，Te1.2eVmacroscopic plasma flow图2、负偏压栅网附近鞘层结构以及离子种类示意图I:栅网上游，逆流激发区域II:栅网下游，顺流激发区域Grid图3、接收信号随激发信号上升时间的变化。激发信号峰峰值固定在20V顺流激发，原始信号经50点FFT平滑。三、实验结果激发信号V(t) = Vppt/T for t TBBVt图4、接收信号

4、随激发信号峰峰值的变化。激发信号上升时间固定在顺流激发，原始信号经50点FFT平滑。ABB1.5微秒-0.000020.000000.000020.000040.000060.000080.00010-0.000020.000000.000020.000040.000060.000080.00010-0.000050.000000.000050.000100.000150.00020图5、 接收信号随激发信号上升时间的变化。激发信号峰峰值固定在逆流激发，原始信号。Ou-TPXA Y0.008etrT SIX A Y0.008 .0.006 _0.004 ,0.002 -0.000 _-0.00

5、2 -0.004 -tau=5us-0.006. . . _ | | -0.000020.000000.000020.000040.000060.000080.00010X Axis Title0.040.020 _0.015 .0.010 .0.005 -0.000 -0.005 -0.010 -0.03 .tau=13.3usetL srxA Y0.02 .0.01 .0.00 -0.01 .0.025 .0.020 _0.0150.010 -0.005 -0.000 -0.005 -0.010 -rs-0.015 -tau=20usX Axis TitleX Axis TitleX Ax

6、is Title观察到的现象：随 的增大，信号A向信号B靠近，信号B几乎不动。随Vpp的降低，信号A向信号B靠近，信号B几乎不动。当信号A靠近B并开始重叠时，信号B幅度变大，且A随后消失。信号A强烈依赖于激发信号，信号B传播速度几乎不受影响， 说明信号B是 离子声波信号，信号A为迸发离子信号。信号A与B发生重叠时，发生相互作用，信号B被放大。信号A速度略大于信号B，发生逆Landau阻尼相互作用。当匚较大、Vpp较小时，信号A观察不到，说明此时不能产生迸发离子。当信号B幅度较大时，速度也有所增大，说明是类孤立子信号。5图6、接收信号速度随激发信号上升时间的变化(a)along flow3Vpp

7、= 20V-IBM solit on048121620(Js)70图7、接收信号幅度随激发信号上升时间的变化(b)aga inst flowVpp=20Vx=5.2cm: IBM soliton -x=6.4cm:一一IBMo solit on8 12 16 20(s)V = 20Vppx=6.8cm:一IBM solit onx=8.0cm: 一一IBMsoliton051015202530355图&接收信号速度随激发信号峰峰值的变化mc5cfl1(a) along flow1 1 1 一/T= 1.5 Ms- IBM solit on/ -/if!jP一 1 43212468101

8、2 1416 18 20Vpp(V)Vpp(V)图9、接收信号幅度随激发信号峰峰值的变化25201510osolit onx=8.0cm: IBMsolit on2468101214161820Vpp(V)2.5 experimental data linear fit2.0 1-1- -1- 0.040.060.080.100.120.140.16图10、类孤立子信号速度与其幅度的关系m5c2.2 -2.1 -四、分析迸发离子模：/ applied ramp signn 10（兀）图11、鞘层结构改变和迸发离子产生示意图。实线为原鞘层电位分布，虚线 为激发栅网电位突然升高后的鞘层电位分布。这

9、可以解释迸发离子速度随Vpp的增大而增大，随的增长而降低假如鞘层瞬时变化，则x点的离子出射后的速度为:/ u2+ 2e4)(x)/nii则迸发离子的最大速度为:UmaxJ? +2讥订pTH)W + 2eVpp/Te假如上升时间较长， 则鞘层弛豫时间约为 则迸发离子的最大速度为：1/2M2+类孤立子模:预鞘中存在定向运动的离子，同时由于激发栅网尺寸有限，也存在从侧 面扩散进来的背景离子，因此预鞘是一个局域的束一等离子体系统。当有扰 动时，能激发离子速模，该模传播出预鞘进入等离子体就成为离子声波。该 波速度为离子声速，不随激发信号的变化而变化，但当幅度增长成为非线性 波时，速度略有所增大。孤立子速度：v + a6n/n理论：I人 实验：11当两类信号速度接近时，发生强烈波一粒子相互作用，逆Landau阻尼使类孤立子信号增大五、结论1、激发栅网负偏压，上升的ramp信号，可以产生迸发离子。下降的ramp信号不行。激发栅网正偏压不容易激发波动。2、 迸发离子的特征强烈依赖于激发信号。离子声类孤立子