磁化等离子体低频不稳定性研究及激光诱导荧光诊断

论文摘要

本论文的主要工作包括线性磁化稳态等离子体装置及半导体激光诱导荧光诊断系统的建设,并利用这两个平台开展的相应实验研究。在论文工作期间,成功建立了国内首个中等尺寸的线性磁化稳态装置,并通过热丝直流及射频放电两种等离子体产生方式,使得线性实验区等离子体参数具有较大调控范围,如等离子体密度、电子温度及离子温度等,为装置上物理实验研究的开展奠定了较好的基础。在线性磁化装置上较为系统的开展了漂移波的实验研究。通过研究涨落模式的磁场阈值及其传播特征,验证了磁化等离子体柱中的低频涨落为密度梯度驱动的漂移波不稳定性;利用双谱、线性增长率以及幅度相关等谱分析手段较全面的研究了漂移波模式之间的非线性相互作用,发现涨落模式之间存在较强的非局域的三波相互作用,且能量从高频转移低频。在磁场增大的过程中,悬浮电位及离子饱和流的自功率谱中低频处的能量都相应增大。实验中发现在一定参数条件下存在极向波数为零、频率范围在0～2KHz的无色散模式,与低频带状流较为类似。由漂移波涨落导致的径向粒子输运通量计算等效扩散系数,发现等效的扩散系数大约是经典输运系数的两倍,远小于玻姆扩散系数。成功的利用半导体激光器组建了激光诱导荧光诊断系统,并详细的讨论了LIF诊断中各种因素带来的展宽机制。在表面多极约束的非磁化等离子体中,实验研究了荧光强度与泵浦光强、等离子体参数、外部控制参数的依赖关系,有利于今后LIF实验中进行荧光强度优化。另外还通过荧光恢复的时序信息估算了离子的扩散系数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章:磁化线性装置及低频漂移波综述
• 1.1 磁化线性等离子体装置
• 1.1.1 Q-machine
• 1.1.2 氧化物阴极产生等离子体
• 1.1.3 热丝直流放电产生等离子体
• 1.1.4 微波及射频放电产生等离子体
• 1.1.5 磁化线性装置小结
• 1.2 漂移波的理论及实验综述
• 1.2.1 密度梯度驱动低频漂移波的物理图像
• 1.2.2 密度梯度驱动漂移波的色散关系
• 1.2.3 密度梯度驱动漂移波的实验研究概述
• 1.3 磁化线性装置中其余的低频涨落模式
• 1.3.1 Kelvine-Helmhotz不稳定性
• 1.3.2 Rayleigh-Taylor（Flute/Centrifugal）不稳定性
• 1.3.3 Simon-Hoh（E×B/neutraldrag）不稳定性
• 参考文献
• 第二章:线性磁化稳态等离子体装置
• 2.1 装置几何参数
• 2.1.1 装置结构
• 2.1.2 真空机组配置及极限本底真空
• 2.2 装置的磁场
• 2.2.1 磁场线圈结构
• 2.2.2 磁场及电源
• 2.3 等离子体源
• 2.3.1 热丝直流放电
• 2.3.1 射频螺旋波放电
• 参考文献
• 第二章:等离子体诊断工具及基本数据分析方法
• 3.1 各种静电探针原理及其数据处理方法
• 3.1.1 郎缪尔探针
• 3.1.2 射频补偿探针
• P的发射探针'>3.1.3 测量φ_P的发射探针
• 3.1.4 四探针及相关数据分析
• 3.2 谱分析
• 3.2.1 局域波数频率谱
• 3.2.2 双谱（Bispectrum）
• 参考文献
• 第四章:热丝直流放电条件下实验结果及分析
• 4.1 线性磁化等离子体装置的参数分布
• 4.1.1 稳态参数的典型空间分布
• 4.1.2 线性实验区轴向磁场对参数径向分布的影响
• 4.2 密度梯度驱动的低频漂移波不稳定性的鉴别
• 4.2.1 磁场阈值现象
• 4.2.2 不稳定性模式的传播特征
• 4.2.3 理论计算与实验测量的相速度比较
• 4.3 涨落中非线性相互作用
• 4.3.1 双谱分析
• 4.3.2 不稳定性增长率的计算
• 4.3.3 幅度相关Amplitude Correlation
• 4.4 漂移波不稳定性导致的径向输运通量
• 4.4.1 径向粒子输运通量分布及其随磁场的变化
• 4.4.2 自条件平均
• 参考文献
• 第五章:激光诱导荧光散射技术
• 5.1 激光诱导荧光散射技术简介
• 5.2 激光诱导荧光光谱技术具体原理
• 5.2.1 荧光发射过程
• 5.2.2 光学多普勒效应与谱线展宽
• 5.2.3 自然展宽:
• 5.2.4 压强展宽:
• 5.2.5 塞曼分裂:
• 5.2.6 饱和展宽（功率展宽）:
• 5.2.7 仪器展宽:
• 5.3 LIF在等离子体诊断的具体应用
• 5.3.1 简单的历史回顾
• 5.3.2 主要的相关研究及LIF技术的发展
• 参考文献
• 第六章:多极表面磁约束气体放电装置中LIF实验
• 6.1 LIF系统组成及实验安排
• 6.1.1 半导体激光器及光学隔离器
• 6.1.2 微弱荧光信号检测及仪器
• 6.1.3 表面多极气体放电装置
• 6.2 激光诱导荧光诊断的数值模型
• 6.2.1 LIF模型的建立
• 6.2.2 两条共振吸收谱线的原子参数
• 6.2.3 泵浦激光光强对LIF诊断的影响
• 6.2.4 共振吸收谱线的选择
• 6.3 LIF实验中外部参数优化
• 6.3.1 泵浦激光中心波长的调谐
• 6.3.2 荧光与激光光强的关系
• 6.3.3 荧光与放电参数的关系
• 6.4 离子扩散系数的测量
• 6.4.1 利用单束宽带激光进行实空间的输运研究
• 参考文献
• 第七章:总结和展望
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢