磁化等离子体的边界层结构与边界电场

磁化等离子体的边界层结构不仅是基础研究课题，而且无论对高温磁约束等离子体还是对低温等离子体材料处理都有重要应用前景。这一领域至今存在一些基本问题，其中对壁为正偏压情况下的鞘层和磁预鞘结构及相应的边界电场研究甚少、电子密度Boltzmann分布假设的适用程度尚不完全清楚、边界层结构及边界电场的实验诊断非常稀少。针对这些问题，本项目拟开展磁化等离子体中壁正偏压情况下鞘层和预鞘结构及其边界条件的理论和数值研究、电子密度非Boltzmann分布情况下的鞘和预鞘结构特性研究，并利用发射探针详细诊断磁化或部分磁化的鞘和预鞘中电位分布和边界电场，以期与理论模型对比。本项研究将获取预鞘和等离子体边界电场与壁正偏压的关系，以及壁正负偏压下边界层物理量分布与磁场的关系。该研究对理解磁约束等离子体中边界电场与约束性能改善的关系亦有重要意义。

磁化等离子体的边界层结构是近年来的一个重要研究方向之一。在该领域中，理论工作对边界条件的重要性缺乏统一的认识，实验工作非常少，对磁化的电子鞘以及电子密度的非玻尔兹曼分布等情况缺乏研究。本项目以磁化等离子体边界鞘层结构和边界条件为主线，针对这一领域存在的几个基本问题和近几年引起人们兴趣的问题开展理论和实验工作，同时也对非磁化等离子体鞘层的部分问题进行实验研究。主要内容和结果如下：..1、理论研究了电负性等离子体的磁化鞘层结构，发现边界条件至关重要，自洽的边界条件除了离子在壁法线方向的临界马赫数满足的判据及其随边界电场的增大而增大外，还包括平行壁面的离子速度分量须满足一定条件，否则离子密度分布在鞘边缘出现非物理的尖峰。负离子的存在使鞘层变薄。..2、理论研究了斜磁场情况下电子反射效应和离子粘滞效应对磁化鞘层的影响。研究表明电子反射效应造成临界马赫数以及鞘层分布均依赖于壁偏压，仅当壁负偏压足够高时考虑该效应的鞘层才与电子密度玻尔兹曼分布的常规鞘层结构接近。离子粘滞效应显著增大鞘层厚度。..3、实验研究了两块平行永久磁板中间垂直磁场方向的鞘层结构，发现正偏压的金属盘附近的边界层呈现出独特的结构：紧邻盘面的电子鞘和虚阴极以及连接主等离子体的弱离子鞘，该结构随气压的升高而减弱。..4、在磁化等离子体测试小腔室中实验研究了垂直和平行磁场方向的鞘层分布，发现壁的悬浮电位在鞘层结构与磁场平行情况下是负的、而在垂直情况下是正的，鞘层后者薄于前者。..5、在非磁化的离子束本底等离子体系统中开展了束上下游鞘层结构的对比，以及束引起二次电子发射形成的虚阴极结构等实验工作。发现上下游鞘层的非对称性和离子束对鞘层的压缩作用。观察到负偏压壁附近的虚阴极鞘层结构，此结构随离子束能量的升高而增强。.. 本项目的工作不仅是基础研究课题，而且有助于理解磁约束等离子体边界以及低温等离子体与材料表面所发生的物理过程。本项目的成果为：在学术期刊上发表6篇论文，在全国性学术会议上做分组口头报告3个，墙报展示8个，完成1个博士毕业论文和3个硕士毕业论文。 .