[发明专利]磁场位形对等离子体减压效应的影响研究方法

摘要

本发明公开了磁场位形对等离子体减压效应的影响研究方法，包括以下步骤：S1：均匀磁场减压研究，带电粒子在圆管中均匀磁场区域中运动时，等离子体中单个带电粒子在外加磁场作用下的运动，其他粒子对它的作用被完全忽略，这是等离子体的单粒子运动模型；S2：非均匀磁场减压研究；S3：模型验证，减压效应是圆管结构中等离子体受到磁场约束作用时的集体行为。本发明的研究方法更加的科学合理，粒子在垂直于磁场平面上的运动轨迹是由有限半径的拉莫尔回旋运动和磁场不均匀引起的漂移运动的叠加，回旋运动使带电粒子在垂直于磁场方向的运动受到抑制，当一个离子和中性原子碰撞后，离子会向不同的方向移动。

主权项

1.磁场位形对等离子体减压效应的影响研究方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：均匀磁场减压研究，带电粒子在圆管中均匀磁场区域中运动时，等离子体中单个带电粒子在外加磁场作用下的运动，其他粒子对它的作用被完全忽略，这是等离子体的单粒子运动模型，粒子在外加磁场中的运动服从牛顿(Newton)方程：假设圆管中施加的外磁场沿Z轴方向且不随时间发生变化，可近似认为B＝Be_z，E＝f＝0，粒子的运动方程为：解上式得：z＝v_Pt+z₀其中r_L＝v_⊥/|ω_c|＝mv_⊥/|q|B，v_P、v_⊥分别为平行磁场方向和垂直磁场方向的速度分量，则由上式可得：(x‑x₀)²+(y‑y₀)²＝r_L²由上式可知，在均匀磁场中，粒子垂直于感应强度B的速度分量v_⊥，使粒子在垂直于B的平面以半径r_L＝mv_⊥/qB做匀速圆周运动，平行于磁感应强度B的分量v_P不会受到磁场的作用，使粒子保持直线运动状态，通常情况下粒子的回旋半径r_L与圆管的半径相比非常小，所以粒子在垂直磁场方向上受到磁场的约束；等离子体中通常含有一种以上的正离子，当正离子和电子没有达到平衡，则正离子和电子应作为两种不同的粒子体系考虑，采用简化双流体模型的方式建立等离子体双流体方程组：式中‑‑为运流导数；由于等离子体满足准电中性，因此认为离子电荷数与电子电荷数相等，为了减小计算难度简化模型，不考虑等离子体本身的电荷、电流产生的场，假设：ρ＝n_im_i+n_em_e≈n(m_i+m_e)上式方程组包括等离子体的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程，将上式与Maxwell方程组联立，加上欧姆定律以及局部热平衡状态条件，最后得到等离子体的磁流体方程组：式中σ_c为电导率，由于不考虑电场的作用，且外加磁场是恒定的，因此上式中忽略了电场项和位移电流项；根据上述等离子体的磁流体方程组，在comsol软件中建立二维轴对称模型，r＝0为对称轴，流体区域长200mm，宽15mm，流体从下端进入圆管中，从上端流出，模型中忽略重力的影响，模型中线圈用正方体表示，调用COMSOL软件中的AC/DC模块中的磁场模块(mf)，设置线圈导体模型为均匀多匝，每个的线圈匝数为100匝，线圈导线截面积为10‑6m2，线圈材料设置为铜，电导率为6×107S/m，求解域设置为空气，等离子体流体模型采用等离子体模块(plas)和和单相层流(spf)模块共同构建，单相流体的层流模块用来分析作为流体的等离子体的运动，两个物理场模块是通过等离子体所受到的洛伦兹力耦合，磁源与等离子体、流体通过多物理场中的等离子体电导耦合场进行耦合计算；由图可知，圆管中部区域0.05m至0.15m处的的磁通密度变化较小，0.05m和0.15m处的磁通密度均为0.0092T，0.1m处的磁通密度为0.0095T，变化幅度为3.1％，圆管中轴线和靠近线圈处的圆管内壁磁感应强度相同，表明圆管内部的磁场分布是均匀分布；获得均匀磁场后，对等离子体流体进行瞬态分析，层流(spf)模块中设置流体为马赫数小于0.3的可压缩流，此时式中流体的运动方程变为：式中F为流体单元受到磁场作用的洛伦兹力，磁场由通电线圈和等离子体流体运动共同产生，设置流体流质量流量SCCM为10mL/min，等离子体的初始电子密度为1020m‑3，初始电子温度10eV，环境压力为1[Torr]，因为稳态磁场已经完成计算，因此直接计算瞬态流体流动，得到不同时刻流体的电子密度分布；S2：非均匀磁场减压研究，带电粒子在磁场中的运动，通常会因磁场的变化而产生的漂移，例如在缓变磁场和不均匀磁场中，带电粒子都有一些独特的性质，等离子体中的带电粒子在梯度磁场中运动时，由于磁场的不均匀性，运动方程为：此时磁场是关于回旋半径的函数，假设圆管中非均匀磁场为缓变磁场，即粒子回旋半径、螺旋轨道的螺距远小于非均匀性的特征长度，满足磁场不随时间变化时的缓变条件|r_cg▽B|＝B、|hg▽B|＝B，则可将粒子在非均匀磁场中的运动轨迹看成是无数个均匀磁场中的漂移运动的叠加，当磁场的梯度方向垂直于自身方向时，粒子沿粒子的运动，漂移速度为：式中W_⊥为带电粒子垂直动能；μ为磁矩；q为带电粒子电荷量，说明梯度漂移与粒子的电荷量和符号有关，正离子与电子的梯度漂移方向相反，当磁力线弯曲时，等离子体的回旋中心沿弯曲磁力线运动时会产生指向曲率中心的曲率漂移，记磁力线的曲率半径为粒子沿方向漂移，漂移速度为：由上式可知，曲率漂移同样与粒子的电荷符号相关，正离子与电子的曲率漂移方向相反，通常情况下，梯度漂移和曲率漂移是同时存在的，带电粒子在非均匀磁场中的漂移总速度为磁场关于Z轴对称，而且沿Z轴方向缓慢汇聚，磁场强度逐渐增大，由于洛伦兹力始终垂直于粒子运动速度，因而粒子动能不变，粒子动能W可以表示为平行磁场方向的动能W_P与垂直磁场方向的动能W_⊥之和，当带电粒子在缓变磁场中由弱磁场区域向强磁场区域运动时，随着磁场B的不断增强，W_⊥也不断增大，由于磁场力与粒子的运动速度始终垂直，洛伦兹力对粒子不做功，粒子总能量W＝W_⊥+W_P保持守恒，故随着W_⊥增大，W_P将逐渐减小，此时由可知粒子的横向运动v_P减小，粒子回旋运动的半径及角速度为与当带电粒子运动到强磁场区域时，r变小而ω变大，带电粒子在非均匀磁场中的运动是回旋半径与轴向速度逐渐减小的螺旋运动；取柱坐标系，粒子速度则轴向运动方程为：对于缓变磁场，在回旋半径粒子的r_c范围内，可得：对于正离子，在柱坐标系中v_θ＝‑v_⊥，和负离子v_θ＝v_⊥，则可得式中为平行磁场方向的梯度，上式表明带电粒子在纵向不均匀磁场中运动时，将受到从强磁场区域指向弱磁场区域的作用力；磁场由两个平行的载流圆环线圈产生，磁场沿z轴方向先减小后增大，当粒子运动到磁场足够强的区域时，如果有W＝W_⊥，即径向动能等于总动能，此时带电粒子的平行向动能W_P＝0，粒子就不能继续沿轴线方向前进，但粒子仍受力F_P的作用，因此会出现带电粒子运动“反射”的现象，于是粒子在两端强磁场区域之间来回反射；并非所有的带电粒子都能被反射，当粒子运动到圆环线圈截面处，此时若速度v_z没有减小为零，则带电粒子从磁镜中穿过，而不会被反射；单粒子轨道描述法可以绘制出带电粒子在电磁场中的运动轨迹，对于温度和压力较低的等离子体，由于粒子密度比较低，在研究粒子在磁场中的运动时，可以忽略粒子间的相互作用，当然，单粒子轨道描述并不能给出等离子体的集体行为，但可以用于研究粒子在非均匀磁场中的运动规律；利用COMSOL软件中的带电粒子追踪模块(cpt)和AC/DC模块耦合建立带电粒子在磁场中的运动模型，圆管结构半径15mm，内壁面边界条件设置为反弹，带电粒子在圆管的一端释放，粒子以圆管轴线为中心轴线向圆管内部运动，在磁场(mf)中将圆环结构设置为线圈(coil)，线圈类型为圆形，匝数20匝，通入电流10A，在圆管端部释放20000个带电粒子，粒子质量设为电子质m_p，电荷数设置为‑1，粒子以圆柱轴线为中心轴线向通道内部运动，法向速度设为800m/s，粒子进入磁场区后，受到洛伦兹力的作用，对于速度方向不与轴线平行的带电粒子，磁场通过拉莫尔回旋使粒子沿轴线方向运动；粒子进入磁场区后，受到洛伦兹力的作用，对于速度方向不与轴线平行的粒子，磁场通过拉莫尔回旋使粒子沿轴线方向运动；S3：模型验证，减压效应是圆管结构中等离子体受到磁场约束作用时的集体行为，宏观上表现为壁面处的气体压强降低，当等离子体处于高温高压状态时，圆管壁面的压强数据较难采集，涉及到在圆管上开孔以及气密性等问题，而当等离子体处于低温低密度时，通常较为容易观测到等离子体在磁场中的运动变化，为了测试磁场对圆管中等离子体气体压强的影响，采用低气压低温等离子体试验平台进行等离子体在磁场中的压强变化试验；试验平台包括设备台架，石英圆管，等离子体电源、真空计，压力计等，台架用于安装各种设备和仪表，等离子体电源可以在大气压下、低气压下和各种气氛环境中产生稳定的电弧放电、介质阻挡放电、辉光放电，石英圆管由真空泵抽至低压状态，两端电极通过辉光放电产生等离子体，辉光放电的视觉特征呈现均匀的雾状放电。