尘埃等离子体棘轮中颗粒三维运动特性研究

作     者：蔡雅文 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺亚峰

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070204[理学-等离子体物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：尘埃等离子体 棘轮 整流 涡流 

摘      要：尘埃等离子体是由电子、离子、中性粒子和尘埃颗粒组成的系统,广泛地存在于宇宙空间、工业生产以及实验室中。在实验室中,尘埃颗粒依靠收集电子和离子而带电,通过颗粒间的相互作用形成强耦合系统,展现出如尘埃声波、尘埃晶格等一系列丰富多样的现象。尘埃颗粒通过与等离子体粒子以及不稳定性波动模式相互作用而吸收能量并将其转化为自身动能,通常悬浮在极板鞘层附近做随机运动,其获得的动能不能被有效收集与利用。因此,将尘埃颗粒随机运动转化为定向运动,无论是在尘埃等离子体物理研究方面还是在能量收集方面都具有重要意义。费曼棘轮可以将随机运动的粒子整流成定向运动,在不同的体系中具有一定的普适性规律。通过把费曼棘轮的概念引入到尘埃等离子体系统,构造尘埃等离子体棘轮,可以实现将尘埃颗粒的随机运动整流为定向运动。在尘埃等离子体棘轮实验中,尘埃颗粒的运动位于狭窄的棘轮通道中,所处位置的等离子体参量很难利用朗缪尔探针来准确测量,给深入研究尘埃颗粒在棘轮通道中运动的物理机制带来了困难。本文首先基于尘埃等离子体棘轮中的整流实验,研究了不同实验参数下颗粒链在棘轮通道内出现的多种时空分布:如单链和双链分布,并且发现呈双链分布的尘埃颗粒在棘轮通道内以交替的方式通过通道狭窄处并形成定向运动。其次,在一定的实验参数范围内观察到了尘埃颗粒由整流运动向涡流运动的转变,在气压较高时尘埃颗粒会聚集在齿槽水平面内呈椭圆状分布,并进行涡流运动。为了深入分析尘埃颗粒整流与涡流运动及其转换机制,我们利用COMSOL等离子体流体模拟,重构了棘轮通道内三维等离子体参量分布,并利用这些参量进行了尘埃颗粒动力学模拟,进一步揭示了尘埃颗粒在棘轮通道中复杂运动的物理机制,发现系统的不对称性是尘埃颗粒形成整流与涡流运动的关键因素,非平衡离子拖拽力驱动其定向运动,最终从三维的角度定量的重现了实验中观察到的现象。研究结果进一步完善了尘埃等离子体棘轮模型,促进了等离子体物理和非平衡统计物理的深入交叉融合,对深入研究带电尘埃颗粒调控及其能量转化提供了实验支持与模型依据。