雙等離子體裝置上離子聲類孤立子信號的激發(fā)和傳播特性

1、雙等離子體裝置上離子聲類孤立子信號的激發(fā)和傳播特性 馬錦秀，李毅人，肖德龍，鄭堯邦，王道泳，李陽芳中國科技大學(xué)近代物理系本文使用柵網(wǎng)激發(fā)方式，研究離子聲類孤立子信號的激發(fā)性質(zhì)。研究表明，在負(fù)偏壓的柵網(wǎng)上加上升的斜波(ramp)信號容易激發(fā)離子波動模式，在上升時間和電壓幅度合適時，所激發(fā)的信號演化成離子聲類孤立子信號。分析表明，在柵網(wǎng)上加上升時間較小的ramp信號時能產(chǎn)生速度較快的迸發(fā)離子，而在柵網(wǎng)附近預(yù)鞘區(qū)的局域離子束能激發(fā)離子聲波。迸發(fā)離子和離子聲波通過逆Landau相互作用，在一定條件下使離子聲波增長而發(fā)展成為類孤立子。實驗表明，由于等離子體存在擴散流，順流激發(fā)的類孤立子速度比逆留激發(fā)大，

2、則離子聲孤立子與迸發(fā)離子發(fā)生共振的條件也有所不同。本工作為國家自然科學(xué)基金資助課題(批準(zhǔn)號：10475075)。 一、研究背景 離子聲波的激發(fā)： 70年代；Q-machine； double plasma device, 激發(fā)方式： 在柵網(wǎng)上加信號；在雙筒上加信號。通常為ramp信號主要波模： 離子聲波、離子束模、迸發(fā)離子模(ion burst mode)迸發(fā)離子： 電壓突然變化時鞘層結(jié)構(gòu)的突變而迸發(fā)出的離子，直接被探針收集成為一個信號。離子束模： 預(yù)鞘中離子的定向運動激發(fā)的局域集體波動，進(jìn)入等離子體后發(fā)展成離子聲波問題： 迸發(fā)離子模不明顯，等離子體非均勻性的作用很少研究二、實驗安排及柵網(wǎng)附近

3、鞘層結(jié)構(gòu)： 圖1、實驗裝置示意圖等離子體：源區(qū)放電、擴散到實驗區(qū)。SG: 激發(fā)柵網(wǎng)，CP：接收探針。雙筒接地，隔離柵網(wǎng)G懸浮。氣壓8.4*10-2Pa，ne 5*108cm-3，Te 1.2eV圖2、負(fù)偏壓柵網(wǎng)附近鞘層結(jié)構(gòu)以及離子種類示意圖I：柵網(wǎng)上游，逆流激發(fā)區(qū)域。 II：柵網(wǎng)下游，順流激發(fā)區(qū)域。三、 實驗結(jié)果 激發(fā)信號 圖3、接收信號隨激發(fā)信號上升時間的變化。激發(fā)信號峰峰值固定在20V。順流激發(fā)，原始信號經(jīng)50點FFT平滑。 圖4、接收信號隨激發(fā)信號峰峰值的變化。激發(fā)信號上升時間固定在1.5微秒。順流激發(fā)，原始信號經(jīng)50點FFT平滑。 圖5、接收信號隨激發(fā)信號上升時間的變化。激發(fā)信號峰峰值

4、固定在20V。逆流激發(fā)，原始信號。觀察到的現(xiàn)象：隨t 的增大，信號A向信號B靠近，信號B幾乎不動。 隨Vpp的降低，信號A向信號B靠近，信號B幾乎不動。 當(dāng)信號A靠近B并開始重疊時，信號B幅度變大，且A隨后消失。信號A強烈依賴于激發(fā)信號，信號B傳播速度幾乎不受影響，說明信號B是離子聲波信號，信號A為迸發(fā)離子信號。信號A與B發(fā)生重疊時，發(fā)生相互作用，信號B被放大。信號A速度略大于信號B，發(fā)生逆Landau阻尼相互作用。當(dāng)t 較大、Vpp較小時，信號A觀察不到，說明此時不能產(chǎn)生迸發(fā)離子。當(dāng)信號B幅度較大時，速度也有所增大，說明是類孤立子信號。圖6、接收信號速度隨激發(fā)信號上升時間的變化圖7、接收信號

5、幅度隨激發(fā)信號上升時間的變化圖8、接收信號速度隨激發(fā)信號峰峰值的變化圖9、接收信號幅度隨激發(fā)信號峰峰值的變化圖10、類孤立子信號速度與其幅度的關(guān)系四、 分析迸發(fā)離子模：圖11、鞘層結(jié)構(gòu)改變和迸發(fā)離子產(chǎn)生示意圖。實線為原鞘層電位分布，虛線為激發(fā)柵網(wǎng)電位突然升高后的鞘層電位分布。假如鞘層瞬時變化，則x點的離子出射后的速度為：則迸發(fā)離子的最大速度為：假如上升時間較長，則鞘層弛豫時間約為 則迸發(fā)離子的最大速度為：這可以解釋迸發(fā)離子速度隨Vpp的增大而增大，隨t 的增長而降低。類孤立子模：預(yù)鞘中存在定向運動的離子，同時由于激發(fā)柵網(wǎng)尺寸有限，也存在從側(cè)面擴散進(jìn)來的背景離子，因此預(yù)鞘是一個局域的束等離子體系統(tǒng)。當(dāng)有擾動時，能激發(fā)離子速模，該模傳播出預(yù)鞘進(jìn)入等離子體就成為離子聲波。該波速度為離子聲速，不隨激發(fā)信號的變化而變化，但當(dāng)幅度增長成為非線性波時，速度略有所增大。孤立子速度：理論：實驗： 當(dāng)兩類信號速度接近時，發(fā)生強烈波粒子相互作用，逆Landau阻尼使類孤立子信號增大五、結(jié)論 1、激發(fā)柵網(wǎng)負(fù)偏壓，上升的ramp信號，可以產(chǎn)生迸發(fā)離子。下降的ramp信號不行。激發(fā)柵網(wǎng)正偏壓不容易激發(fā)波動。2、迸發(fā)離子的特征強烈依賴于激發(fā)信號。離子聲類孤立子信號幾乎不依賴于激發(fā)信號。3、當(dāng)激發(fā)信號上升時間較短、峰峰值較大時，迸發(fā)離子速度遠(yuǎn)大于離子聲波速度，