电子束产生开放空间等离子体物理过程研究

It is an important and anticipated technology to generate large scale and high density plasma in atmosphere and out space.And electron-beam plasma is the most probable methode to generate this plasma source,due to the advantage of high energy usage,easily controlled density and scale.In this project, open-space condition will be obtained by the study of boundary effects.Under the open-space condition,scaling rates of the electron-beam plasma parameters will be gained by diagnosing the plasma parameters in different electron beam energy,electron beam current and presure.Space potential distribution and return current will be measured,through which the space-charge effect will be studied.Via diagnosing the temporal and space oscillating characters of the plasma parameters,dynamics behaviour during the open-space electron beam plasma formation and its evolution law will be researched.On the base of experimental data,physics model of the open-space electron beam plasma formation process will be established.And the inner-related of return current , plasma parameters,electron beam parameters and presure will be provided.

在大气及空间产生大尺度、较高密度的等离子体是人类值得期待的重要技术开发方向。由于电子束碰撞产生等离子体具有能量利用率高、密度、尺度易于调节等优点，因此是产生开放空间等离子体最可能得到应用的方式。本项目通过对电子束等离子体边界效应研究，给出满足开放空间近似的实验条件。在开放空间条件下，系统的改变束流的能量、束流的流强、气压参数，研究给出电子束碰撞产生等离子体参数的定标率。实验研究电子束等离子体的空间电势分布、电子回流分布，得到电子束等离子体的空间电荷效应。通过测量等离子体参数的时空振荡特性，研究开放空间电子束等离子体形成过程中的动力学行为及其演化规律。在总结实验基础上，提出电子束产生开放空间等离子体物理过程的理论模型。给出电子束等离子体系统中，电子回流与等离子体参数、束流参数、气压参数的内在联系。

电子束等离子体具备能量利用率高、易调控等优点，在航天、国防等重要领域应用广泛。本项目主要对针状电子束等离子体的多参量时空演化物理过程开展了模拟和实验研究，取得了系统的研究成果，具有重要的学术和实际应用价值。主要内容及成果如下：（1）建立了将蒙特卡洛方法与连续方程、泊松方程相耦合的三维数值模拟程序，用于研究三维空间针状电子束等离子体的时空演化过程，得到了不同阶段影响空间电位的关键因素，并首次给出空间电荷随时间演化的二维图像。结果表明，空间电位的建立演化过程与电子束的电荷沉积相关，稳态的空间电位则由双极扩散过程决定，仅与电子束的能量沉积相关。在远端无边界条件下，在近电子束出口处电位为正，随着电子束的深入，电位逐渐降低并变负，在电子束射程末端达到最负；当边界小于电子束射程时，整个放电空间的电位均为正值。（2）从电子束输运的自相似特征出发，建立了能量与电荷沉积的解析表达式，最终得到了电子束等离子体主要参数与电子束初始能量、束流强度、背景气体压强等主要系统参数的定标关系。利用数值模拟对部分定标关系进行了验证。这些定标关系刻画电子束等离子体在三参数空间的系统性质，具有科学和应用价值。（3）改进了电子束等离子体实验装置，开展了针状电子束等离子体特性实验。发现了在气压较高情况下，离子运动受限效应起作用，表现为空间电位均为正值的现象，与理论结果在定性一致。同时，实验研究了电子束与所产生的等离子体之间的时间关联现象，应用动力学模型模拟，发现在小束流、中高气压氩等离子体情况下，激发态对等离子体密度的贡献可以忽略，可以大大简化动力学模型。