二元复杂等离子体系统中密度波的研究

摘要

复杂等离子体实验作为一门新兴的研究课题正吸引着研究学者们越来越多的关注。随着复杂等离子体系统中各种物理现象及结构的发现，作为一个可以从原子层面模拟物理性质的媒介，其独特的优势逐渐突显。复杂等离子体实验由最初的地面实验发展到微重力条件下的实验，从单元系统发展到二元以及多元系统，经历了卓越的成长。较为经典的国际空间站实验装置PK-3 Plus服役多年，研究成果丰富。复杂等离子体系统在研究晶格、密度波、分相等相关动力学过程中，给学者们提供了独特的视角以及不一样的发现。
　　实验中发现了波传递的现象，且这些波是自激产生的，由此引发了人们对复杂等离子体自激密度波的实验探索。在一定的实验条件下，自由能的存在是激发密度波的前提条件。一元复杂等离子体系统中波的传播会出现波纹的断裂、分叉等现象，这些现象的微观研究对许多宏观现象的解释有着重要作用。二元复杂等离子体系统由于不同大小颗粒在系统中的受力不同而出现自主分相的过程，较小的颗粒会占据尘埃粒子云的内圈空间，较大颗粒与较小颗粒分相并占据尘埃云的外部空间。分据不同区域的两种颗粒之间存在着一圈较为明显的分界面。
　　复杂等离子体系统中的密度波由于其所在的传播介质即尘埃颗粒的不同而具有不同的传播频率，因此二元系统中的波在小颗粒所在的内圈以及大颗粒所在的外圈具有不同的传播频率。密度波的传播方向由尘埃云中间的空洞向周围呈球面状传播，当以小颗粒为传播介质的波以一定的频率向外传播至界面时，分界面前后不同大小的颗粒相互碰撞，导致密度波以后者即波在大颗粒中传播的频率反射回小颗粒所在的内圈区域。又由于整个系统的耗散性，以小颗粒为介质的波在传播到大颗粒的区域后渐渐耗散消失。为了验证反射波的存在，我们辨别颗粒，做出了颗粒动能周期图，从中我们可以清楚的看到颗粒动能的反向变化趋势。
　　另一方面为了了解介质即尘埃颗粒在波传播中的运动学过程我们进行了颗粒的追踪，追踪发现一个波前传播周期内，大颗粒振动一个周期，而小颗粒却表现出两个不同振幅，不同频率的周期。颗粒的振动形式受到波的影响，当单一形式的波传播到介质时，介质以该波的频率以及传递到它的能量大小（振幅）振动；当同时有两种形式的波
　　当波的一种形式（实验中以正方向传播的入射波）传播到介质时，介质以该波的频率及能量大小（振幅）来振动，而后当另一种波（实验中的反射波）传播到该介质时，反射波与入射波耦合，介质同时表现出这两种振动的特征。
　　整个过程很好的说明了分界面上密度波传播的特点以及波在传播的过程中介质的作用。

目录

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2 复杂等离子体的研究方面

1.2.1 空间科学以及天体物理学中的复杂等离子体

1.2.2 半导体工业上的研究

1.2.3 聚变研究

1.2.4 复杂等离子体实验研究

1.3 复杂等离子体实验概况

1.3.1 射频放电下的复杂等离子体实验

1.3.2 直流放电下的复杂等离子体实验

1.3.3 其他类型的实验

第二章复杂等离子体中颗粒以及系统的相关性质

2.1简介

2.2 复杂等离子体特性

2.2.1 宏观中性

2.2.2 德拜屏蔽

2.2.3 特征频率

2.2.4 库伦耦合参数

2.3 颗粒的充电

2.3.1 各项同性等离子体中的充电

2.3.2 各项异性等离子体中的充电

2.4 颗粒在系统中所受到的力

2.4.1 重力

2.4.2 离子拖拽力

2.4.3 中性粒子拖拽力

2.4.4 电磁场力

2.4.5 热泳力

第三章 ISS上的 PK-3 Plus复杂等离子体实验

3.1 简介

3.2 PK-3 Plus 实验的技术描述

3.2.1 PK-3 Plus 装置的物理设备

3.2.2 PK-3 Plus 装置的电子设备

3.3 PK-3 Plus 实验中的物理结构及现象

3.3.1 一元系统实验

3.3.2 二元系统实验

第四章二元系统中的尘埃密度波

4.1 简介

4.2实验相关基本参数

4.3实验结果分析

4.3.1 密度波的基础参数分析

4.3.2 界面上密度波的频率分析

4.3.3 界面上传播介质能量的变化分析

4.3.4 颗粒追踪

4.4小结

总结

参考文献

攻读学位期间研究成果

致谢