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束流-等离子体相互作用是等离子体物理领域的一个基本问题,两束相向流动的电流组成的系统在满足电流、电荷中性的条件下会在系统中诱发以下三种不稳定性:双流不稳定性、成丝不稳定性和斜向不稳定性。本论文围绕背景等离子体温度、碰撞效应以及离子-电子质量比对这几种不稳定性的影响而展开,主要包括以下四个部分:
第一部分(第二章)介绍我们分别采用坐标变换法和张量旋转法,在一般性的漂移麦克斯韦分布和完全动理学的框架下推导得到未磁化均匀等离子体中非相对论性和相对论性全空间束流不稳定性的一般解析表达式。我们对等离子体色散函数采用全局性的双边Padé近似的高精度形式Z53或者精度更高的局部性的双边Padé近似,再通过编程得到数值解。我们的求解程序可以在任意等离子体温度、任意各向异性程度、任意束流-等离子体密度比、任意粒子种类情况下均保持稳定。
第二部分(第三章)介绍了无碰撞情况下背景等离子体热温度对全空间束流-等离子体不稳定性的影响,研究表明电磁性的不稳定性(成丝不稳定性和斜向不稳定性的电磁部分)增长率随背景等离子体的温度升高而反常增大;相反,静电性不稳定性(双流不稳定性和斜向不稳定性的静电部分)的增长率随背景等离子体温度升高而降低。在束流电子温度一定的情况下,由于横向静电场的影响,背景等离子体初始温度越低,对应的准静态磁场强度会越小。二维粒子模拟验证了以上现象,并且预示更高的等离子体温度会导致更高的磁场饱和值。
第三部分(第四章至五章)在完全动理学的框架下解析研究了碰撞效应对全空间不稳定性的影响,发现在致密等离子体中,碰撞效应促进电磁性的不稳定性,而抑制静电性的不稳定性,成丝不稳定性将成为快点火中最不稳定的模。对于成丝不稳定性,我们发现了碰撞可以通过阻抗机制和解耦机制两种方式来对其产生影响。在阻抗机制下,我们将原有的一维流体模型推广到二维动理学情形,发现碰撞实际上既可以抑制也可以促进成丝不稳定性,但在致密等离子体中,整体净表现为促进作用。在解耦机制下,碰撞效应通过衰减横向静电场,减小空间电荷效应对成丝不稳定性的抑制,从而促进成丝不稳定性,这种效应在束流和背景等离子体温度差别较大的系统中非常明显。二维粒子模拟证实了以上解析结果,并且验证了在快点火中,由于碰撞的影响,静电性的不稳定性被完全抑制,因此电磁性的不稳定性产生的准静态磁场可以更好地导引点火电子。
第四部分(第六章)介绍了无碰撞情况下离子束引发的全空间不稳定性的情况,重点研究了两方面的内容:1、离子束-电子束-离子系统中热温度对全空间不稳定性的影响;2、离子束-离子束-电子系统中离子-电子质量比对全空间不稳定性的影响。对于第一个问题,我们主要研究了在质子点火的参数下热温度对全空间不稳定性的影响,发现对于干净的点火质子源,系统的不稳定性会被热温度抑制,从而质子点火中传输过程较为稳定。对于第二个问题,我们研究发现随着离子-电子质量比的增大,静电性的不稳定性增长率先增大后减小,但不稳定区间得到放大;电磁性的不稳定性则始终受到抑制。这一结果对数值模拟中采用非真实离子-电子质量比的模拟有参考意义。