低频阿尔芬波非共振加热等离子体的粒子模拟

摘要

阿尔芬波与带电粒子的相互作用无论在可控核聚变等离子体物理还是空间等离子体物理中都是非常重要的研究课题。一般认为在低?等离子体中，低频阿尔芬波与带电粒子的非共振作用产生的效果非常小，但考虑高阶非线性效应后上述结论将会有所变化，低频阿尔芬波对处于其中的带电粒子的影响是不可以忽略的。
　　本文采用粒子模拟的方法对低等离子体中低频阿尔芬波的非共振加热过程进行数值模拟。单粒子模型中的模拟结果表明：当阿尔芬波频率远低于离子回旋频率时，共振条件不满足，低频阿尔芬波通过非共振相互作用加热等离子体；非共振加热过程中，离子在垂直和平行于背景磁场的方向都得到了明显加热，且垂直方向加热效果更加显著，形成温度的各向异性；当考虑两支不同初相位的低频阿尔芬波的非共振加热时，发现波的相位差对加热效果有一定的影响，波的加热效果随相位差呈周期性变化，并且当波的频率比增加到2倍时这种影响可以被忽略；非共振加热到一定阶段后，只要阿尔芬波振幅满足随机加热的阈值，非共振加热会在相空间发生重叠，使离子运动出现混沌现象，产生随机加热，且加热的最终效果只与外加磁场能量密度跟等离子体密度的比值有关，与阿尔芬波频率及振幅无关。另一方面，在三维自洽场中建立了低频阿尔芬波非共振加热等离子体的物理模型，利用时域有限差分原理对粒子模拟中的电磁场求解进行严格推导，并给出了具体的粒子模拟程序流程。自洽场中的粒子模拟结果表明：自洽场对阿尔芬波的电磁场有一定的屏蔽作用，降低了加热过程中的温度各向异性，且在平行方向粒子的加速效果消失，但总的加热效果并未受到影响，低频阿尔芬波通过非共振相互作用对等离子体产生了明显加热。

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第1章 绪 论

1.1 聚变等离子体的加热

1.2 阿尔芬波加热

1.3 等离子体的研究方法

1.4 本文研究的主要内容

第2章 粒子模拟基本理论

2.1 粒子模拟简介

2.2 粒子模拟的基本方法

2.3 粒子模拟基本模型的求解

2.4 粒子模拟的诊断

2.5 小结

第3章 低频阿尔芬波加热等离子体的单粒子模拟

3.1 低频阿尔芬波非共振加热的粒子模拟

3.2 单支低频阿尔芬波非共振加热的模拟

3.3 两支不同相位的低频阿尔芬波加热模拟

3.4 低频阿尔芬波的非共振加热与随机加热

3.5 小结

第4章 自洽场中低频阿尔芬波加热的粒子模拟

4.1 三维自洽场粒子模拟的物理模型

4.2 三维电磁场算法的公式推导与程序

4.3 模拟结果与分析

4.5 小结

第5章 总 结

参考文献

附录

致谢