地球周围分布着一个偶极磁场,来自太阳风等离子体中的电子、离子等进入到地球磁场中,便被地磁场捕获,构成了地球磁层等离子体环境。地球磁层等离子体受到太阳风的影响很大,呈现出高度复杂的动力学过程,诸如电子的扩散,对流,波-粒子共振等等。在这些动力学过程中起关键作用的是一种叫做合声波的波,因其音频听起来像鸟叫而得名。合声波频率在电子回旋频率附近,常分为上下两个频带,这两个频带在0.5倍电子回旋频率处有一个间隙,频谱常由分立的啁啾信号组成。由于其频率正好与电子回旋频率相近,合声波能与电子发生共振作用,这个机制可用于解释辐射带中的诸多问题。正是由于合声波这样的特点,自其被观测到开始就一直是人们关注的对象。但是至今,合声波与电子的相互作用以及其产生过程仍然没有定论。本文就这两个问题展开研究,尝试探讨合声波与电子相互作用的细节,以及合声波在不同磁场位型下的激发机制。本文首先在理论上对电子在合声波中的运动形式做了探讨,推导了电子在相空间的运动方程。结果显示合声波与背景磁场对电子的作用存在竞争关系,如果合声波的作用强,那么电子相空间的轨迹会出现相位捕获和相位聚束的现象;如果背景磁场的作用强,那么电子将会在背景磁镜场中做绝热运动。而这两者的竞争关系对电子的初始条件极为敏感。已经有研究者对电子的初始释放纬度,初始投掷角等初始条件做过研究,但是鲜有对电子初始相位的研究。本文采用测试粒子的方法,详细讨论了电子初始相位对电子运动的影响。本文发现,在给定的波幅度下,具有某个初始相位的电子会被优先捕获,而随着波幅度的增加,初始相位在这个特殊相位两边的电子也开始发生共振捕获,且范围随波能量增加而展宽。本文通过分析三个典型电子的相空间轨迹发现,这个优先捕获的电子其捕获轨道的半径很小,而那些随波能量增加而后来被捕获的电子其捕获轨道半径更大。本文推测,正是电子不同的初始相位,决定了其相空间轨道的形状,从而决定了电子或被加速,或被散射。由于测试粒子方法没有考虑电子对波的反馈作用,是不自洽的。本文随后采用了 一个自洽求解麦克斯韦方程组的程序来研究波一粒子相互作用。磁层电子通常具有温度各向异性,会导致哨声波不稳定性,人们普遍认为合声波来源于这种不稳定性的增长。本文理论上推导了这种不稳定性的线性增长率,并且通过模拟结果指出,合声波的起始频率正是线性增长率最大值所对应的频率。接着本文采用了两种具有不同温度的各向异性电子,在一个抛物线形的磁镜场中,成功模拟出了和空间观测一致的、在0.5倍电子回旋频率处有间隙的合声波。通过调整模拟参数,合声波的间隙可出现在0.5倍电子回旋频率以外的地方。本文指出,合声波的间隙位置可完全由电子的线性性质所决定。在此基础上,本文尝试对空间观测到合声波间隙总在0.5倍电子回旋频率给出解释:卫星观测到的辐射带电子在数keV的能量范围内是温度各向同性的,这个能量范围的电子如果具有温度各向异性,其所激发的合声波频率正好是在0.5倍电子回旋频率的位置,正是由于数keV能量范围内的电子各向异性缺失产生了观测到合声波间隙。接着,本文模拟了在建的DREX装置磁场位型下的合声波激发情况。模拟结果显示,在该装置设计参数下能够激发合声波,并且描述空间中合声波激发的理论在DREX装置中同样适用。本文详细讨论该装置中三个等离子体参数(冷等离子体频率,热电子数密度和热电子热速度)对合声波激发的影响,给出这三个参数在何种范围内能激发出合声波,为将在DREX装置中开展的合声波相关实验提供了理论依据。通过改变装置中热电子的热速度,本文第一次自洽的模拟出了下降调的合声波,通过分析电子的相空间分布,我们发现电子相空间出现电子峰,其位置与理论预测一致。通过分析下降调的传播特征,本文指出,下降调合声波可能是由传播效应产生的。最后本文讨论木星,土星磁层中合声波激发情况,并与地球上合声波的性质做了对比。因为合声波不仅仅在地球磁层中被观测到,它们在木星、土星这样具有偶极磁场的行星磁层中也被大量的观测到。但这三颗行星的半径和磁场强度有所差别,本文详细讨论了这两个量对合声波激发的影响。首先我们固定磁场强度,改变星球半径,发现随半径的增加,激发的合声波扫频率会减小,合声波的强度也有所降低,这个结论与土星和地球上合声波的观测结果相一致;在不同的磁场强度下,这个结论仍然成立。当固定星球半径而改变磁场强度时,发现激发的合声波扫频率会随着磁场强度的增加而增加,由此我们预测木星磁层中合声波的扫频率会大于地球中合声波的扫频率。