磁电加热等离子体(共12页)

1、 磁电加热等离子体(dnglzt)【摘要(zhiyo)】 ：随着对等离子体(dnglzt)的研究，人们发现等离子体所具有的一些特殊性质可以被人们所利用。而本文，则是针对等离子体的加热中的磁电加热进行了更全面的介绍。磁电加热是带电粒子在交叉的磁电场中通过 EB 漂移获得能量的一种加热方式。该加热方式用于等离子体中，一方面可以有效提高离子能量，另一方面可以对等离子体起到良好的约束作用，因此它在托卡马克高温等离子体装置中有较多的应用。【关键字】 ：等离子体 磁电加热 离子温度【正文】一、等离子体的加热方式：等离子体一般可以包括一部分电离的不完全电离等离子体，而把此类等离子体继续加热，最终会变成完全电

2、离等离子体，其温度达到上亿度。上亿度的完全电离等离子体只是发生核聚变反应的条件之一，还要对这样的等离子体进行约束，使其局限在一个适度小的空间里，等离子体达到一定的密度，满足劳逊判据（等离子体的约束时间、密度达到一个数值）才能进行核聚变反应！磁约束受控核聚变就是这个原理。和磁约束相对的是惯性约束受控核聚变，是靠强激光轰击聚变材料的靶丸，使它急速收缩，产生高温高压高密度等离子体，并发生核聚变反应。据NIF研究小组的报告，在“点火”中，工程师们已直接将NIF的激光对准了燃料球，燃料球中含有氘和氚原子，激光器随后以接近太阳中心的温度对原子进行加热。NIF惯性约束聚变副主任约翰爱德华兹表示，他们需要在一

3、个非常可控的方式下利用激光束快速加热（点火要求在十亿分之一秒内），使目标物的最外层发生爆炸，目标物的剩余部分在强烈内爆的驱使下，内部燃料瞬间压缩，形成冲击波，进一步加热中心区域的燃料，导致可持续性燃烧，产生巨大能量。实验“几乎已经成功”，但舱室却在极端的温度和压力下屡次过早破裂。另外，太阳那样的恒星之所以能进行核聚变，是因为它的质量非常大，进而引力很大，使完全电离等离子体受到强有力的向内吸引力，即靠自身引力来约束。等离子体号称物质的第四态，是物质被加热或电离之后变成正离子和电子在一起的混合状态。如果(rgu)继续加热，原子内层电子获得能量继续电离 HYPERLINK /view/1982802

4、.htm t _blank 低温(dwn)等离子体，等离子体随着温度上升物质(wzh)的量也越来越大。当温度高到上亿度的时候，会发生聚变反应。二、磁电加热等离子体磁电加热是利用带电粒子在交叉电、磁场中的运动特性以达到加热目的的一种加热方式。考虑一带电粒子在恒定均匀电、磁场共存的区域中运动，将受到洛伦兹力的作用： (1)若电场和磁场方向垂直，如图所示，磁感应强度方向沿 z 轴，电场方向与之垂直沿 y 轴。在此情况下，洛伦兹力的分量为 （2） （3） （4） 式（4）表明为常量，因此观察粒子动力学限于 x-y 平面。采用角频率表示式（2），则 （5） 若正电荷在图中的坐标原点，从静止开始运动，则式

5、（5）积分得，代入式（3）得 （6） 这是恒定外加力作用下的简谐振动方程，其通解为 （7） 图1 正电荷在交叉(jioch)电、磁场中的运动 如果(rgu)初始条件是正电荷在 t=0 时刻位于坐标原点，初始的 x 和 y 速度分量为 0，则有和。将和代入式（7）有： （8） 微分(wi fn)式（8）得到 y 的速度： （9） 将式（8）代入式（5）微分得到： （10） 从式（9）和（10）可知，的平均值为零，而的平均值不为零。x 方向的平均速度即为交叉场漂移速度。 （11） 若在等离子体中加入一电极环，并在环上通入阳极偏压，此时环内产生径向向里的电场，并与垂直于电极环面的磁场构成磁电加热所需

6、要的电磁场位形。在交叉电磁场中，磁场提供总约束，电场能对等离子体作功，故可以用它来加热等离子体并改善约束。其原理如图所示： 图2 磁电加热原理图 图中柱形等离子(lz)体与一加偏压的圆环电极接触，以维持等离子体柱对其周围的负电位。加在电极环上的正偏压使电极环产生径向向里的电场。等离子体中的离子在交叉的电磁场中作 EB 漂移(pio y)，漂移速度，此速度与带电粒子的能量(nngling)、质量和符号均无关，可使等离子体中的带电粒子都得到能量， （12） 因此，由径向电场产生的粒子能量正比于它们的质量。 JRRoth27-30在橡树岭托卡马克装置中对磁电加热进行了较为深入的研究。他将电极环引入托

7、卡马克装置中，并加上 10kV 以上的阳极偏压用于加热等离子体，其实物照片如图所示。研究结果表明，等离子体磁电加热后，氘离子温度提高到 340-2500eV，离子加热效率在5-22%，且加热效率随本底气压和磁场强度的增大而增加，随阳极电压的增大而减小。在等离子体鞘层中，加热和热离子化与漂移离子辐 EB/方向直接相关。后来 Roth 还将磁电加热发展为改进型彭宁放电模式，研究结果表明，离子运动温度与阳极电压和阳极鞘层中离子密度的1/4 次方成正比，与磁场强度的 1/2 次方成反比。 三、磁电加热对离子参数(cnsh)的影响 磁电加热过程中，径向电场是通过在电极环上加阳极偏压来获得 的，因此研究离

8、子温度随电极环偏压的变化对于了解等离子体的磁电加热过程具有重要意义。首先在磁场位形为发散场（图中的磁场位形 2）的条件下，研究了离子参数随电极环偏压的变化情况。图 3（a）为电极环在不同的阳极偏压下加热等离子体时，离子灵敏探针测量所得的 I-Vscan曲线。离子灵敏探针的测量位置为 Z=17cm（石英窗口处 Z=0cm），R=0cm（心）。从图中可知，随着电极环偏压的增大，离子灵敏探针收集到的正电流增大，曲线有向上移的趋势，特别是偏压大于200V以后，正电流增加幅度较大。电极环偏压对离子灵敏探针I-Vscan曲线的影响(yngxing)，一方面是由于磁电加热后等离子体中的离子温度得到有效提高，

9、使得更多的子能够通过回旋运动到达离子收集极，增大了离子电流。另一方面是由于在正偏压较高时，电极环与腔壁之间可能出现 DC 放电，使等离子体密度增加，即离子流强增加，从而导致电流信号增强。 图 3 不同电极环偏压(pin y)下的（a）ISP 的 I-Vscan曲线和（b）离子温度 图 3（b）为轴心位置处离子温度随电极环偏压(pin y)的变化情况，从图中可以看到，离子温度随偏压的变化是非线性的。磁电加热前离子温度为 2.1eV，在电极环偏压较小时，离子温度随偏压的增加而缓慢增加；当电极环偏压继续增大到 300V 以后，离子温度随偏压的增加而显著提高，偏压为 500V 时，离子温度提高到 21

10、.0eV。轴心处的离子温度随电极环偏压的非线性增长主要与离子的加热机制有关。 根据磁电加热的原理，当电极环加上正偏压后，电场会使其周围形成等离子体鞘层，此鞘层厚度(hud)由离子德拜长度决定，而离子的加热与离子在鞘层中经历的空间距离直接相关。图4为磁电加热过程中，离子在阳极电场鞘层运动的模型图，外圈代表电极环，内圈是模拟的等离子体边界，在电极环内的鞘层中电场方向沿径向向内。Roth等研究了在磁电加热过程中离子加热速度与电极环偏压 以及离子德拜长度的关系，得到下列关系式： （13） （14）式中 为鞘层中离子(lz)密度，B 为磁场强度。 图4离子在阳极(yngj)鞘层运动模型图由式（13）和（

11、14）可知(k zh)，离子德拜长度与成正比，而阳极电场鞘层厚度与成正比，因此当较小时，鞘层厚度较小。根据磁电加热前的离子温度和磁场强度，计算得到等离子体中离子回旋半径约为 1cm，因此轴心处的离子不能直接通过回旋运动到达阳极电场鞘层，轴心处的离子温度的提高是由于电极环附近的离子在电极环鞘层被加热而引起的。考虑到被加热离子向轴心处的输运及离子在电极环鞘层的加热效率均与电极环偏压有关，因此当电极环偏压较小时轴心处离子的加热效果并不明显，在偏压较大时，随电极环偏压的增大离子温度迅速提高。 在实验中，进一步研究了不同径向位置的离子加热情况。图5为在相同的放电条件下不同径向位置的离子温度随电极环偏压的

12、变化情况。从图中可知，随着径向半径 R 的增大，Ti-曲线在低偏压范围的斜率逐渐增大，在 R=4cm 时，Ti-曲线接近线性。实验结果表明，等离子体的整体加热是通过离子在电极环鞘层中的磁电加热及被加热离子向轴心的输运来完成的。 图5各径向位置(wi zhi)离子温度随电极环偏压的变化 实验中还研究了电极(dinj)环偏压对磁电加热效率的影响。在稳态情况下，若用 Pi表示磁电加热效率，则 （15） 式中为离子获得(hud)的能量，为输入等离子体中的能量。如果忽略电荷交换损失的能量，离子获得的能量可由下式得到： （16） 输入等离子体中的能量 可表示为： （17） 以上两式中 e 为电子电荷，为离

13、子密度，为等离子体体积，为等离子体能量限制时间，为离子限制时间。由于等离子体能量限制时间可以由离子限制时间表示，所以根据式（13）（16）和（17）可以得到： （18）其中为测得的离子加热温度(eV)，为电极环偏压（V）。计算结果表明，当电极环偏压加到 500V 时，图 5中各径向位置磁电加热效率为 22.5%，且随电极环偏压的增大有上升的趋势。 磁电加热对电子(dinz)参数的影响 在相同实验条件下，利用双探针测量了磁电加热过程中各径向位置的电子温度，结果(ji gu)如图6所示。从各径向位置的电子温度随电极环偏压的变化情况来看，当电极环偏压从0V增大到 500V 时，R=0cm处的电子温度

14、从 7.36eV 增加到 8.02eV，加热效率为 0.13%；R=4cm处的电子温度从 5.68eV 增加到 6.98eV，加热效率为 0.26%。以上结果表明：电子温度在磁电加热后得到一定程度地提高，其中电极环附近的电子加热效率较大。该结果与离子在电极环附近加热效率较大是吻合的。从电子温度在加热后的变化幅度来看，各径向位置的电子温度随电极环阳极偏压的变化幅度相对于离子温度的变化幅度较小，加热效果并不明显。 图6 磁电加热后电子温度(wnd)的径向分布 电子温度在磁电加热后得到提高，是因为电子在阳极鞘层中通过 EB 漂移获得能量。电子在电极环附近的加热效率高是因为电子的回旋半径较小（约0.4

15、mm），鞘层附近的电子能通过回旋运动在阳极鞘层中得到加热，而在其他径向位置电子温度的增加则是通过被加热电子向轴心处的输运来完成的，因此电子在 R=4cm 处的加热效率较高。电子比离子的加热效率低则是因为电子质量远小于离子的质量，在交叉的电磁场中获得相同漂移速度的情况下，电子获得的能量也远小于离子获得的能量。 在实验中，还研究了径向电子密度随阳极环偏压(pin y)的变化情况，如图7所示。从图中可以看到，各径向位置的电子密度随阳极环偏压的增大略有增大，不同之处在于 R=4cm 处的电子密度随阳极环偏压的变化较大，当阳极环偏压加到 500V 时，其电子密度增大了 52.1%，而 R=0cm处的电子

16、密度只增大了 4.6%。各径向位置的电子密度随阳极环偏压的增大而增大，是因为阳极环偏压提高了电子温度，从而促使电子与中性粒子的碰撞增加，导致等离子体的离化率增加。另外电极环与腔壁之间也可能产生 DC 放电，从而使电子密度增大。R=4cm 处的电子密度随阳极环偏压的变化较大是因为此处接近阳极鞘层，电子加热效率较大，因此电子密度随阳极环偏压的变化较大。 图7 磁电加热后电子密度的径向(jn xin)分布 小结(xioji) 磁电加热主要应用于高温等离子体的加热研究，在低温等离子体的应用研究还比较少见。本文在自主设计的微波 ECR等离子体装置上建立了磁电加热系统以及离子温度和电子温度随电极环偏压的变

17、化情况，讨论了离子和电子的磁电加热机理，并且对比分析了离子温度和电子温度磁电加热后的径向分布以及它们之间的不同之处。结果表明: 1.等离子体的整体加热是通过离子在电极(dinj)环鞘层中的磁电加热以及被加热的离子沿径向的输运来完成的； 2.在发散场条件下，轴心处的离子温度随电极(dinj)环偏压的升高呈非线性增加，在一定电极环偏压范围(fnwi)内，磁电加热效率随偏压的增大而增大。 3.电子的磁电加热过程与离子的磁电加热过程相似，但电子的加热效率远小于离子的加热效率。磁电加热后等离子体密度整体变化不大。参考文献：1赵青 刘述章 童洪辉. 等离子体技术及应用. 国防工业出版社 20022葛袁静 张广秋 陈强；等离子体科学技术及其在工业(gngy)中的应用. 中国轻工业出社,2011-013宫本健郎. 热核聚变等离子体(dnglzt)物理学M. 科学出版社，1981：410-419. 4秦运文，王恩耀，严建成，谈满秋，袁保山. HL-1M 装置欧姆等离子体实验(shyn)的初步分析J.核聚变与等离子体物理