基于BOT模型对静电波与高能量粒子非线性相互作用的研究

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波-粒子相互作用是等离子体物理研究中的基础问题。在磁约束聚变装置中,等离子体波与高能量粒子间的相互作用十分重要。在粒子的慢化过程中,波与在波速附近的高能量粒子发生共振,交换能量,进而驱动波,存在一定振幅的波反过来会引起高能量粒子的再分布,这将严重影响粒子的加热效率,降低等离子体的约束性能,脱离约束的高能量粒子甚至会损坏装置第一壁。因此,波-粒子相互作用是等离子体研究中的重要课题。本论文基于一维静电波Bump-On-Tail模型,对高能量粒子的分布函数做谱方法处理,在BOT程序基础上首次对扩散、拖拽及Krook碰撞系数等参数进行扫描,给出产生非线性扫频的阈值,分析了这三种效应对波-粒子相互作用的影响及其背后的物理机制;并采用有限差分方法对BOT模型进行数值计算,开发了一个带有滤波模块、可用于自恰系统中波-粒子多模式相互作用研究的程序。本论文的结构安排如下:第一章介绍了目前国内外的研究现状及描述了等离子体中几种比较典型的波-粒子相互作用模型。第二章介绍了波-粒子相互作用的动理学理论,本文所采用的BOT物理模型以及波-粒子相互作用中出现的朗道阻尼及其增长机制、空穴对结构和扫频现象。第三章对高能量粒子分布函数做谱方法处理,用BOT程序对扩散、拖拽及Krook碰撞系数进行参数扫描,给出了产生非线性扫频的阈值,分析了这三种效应对扫频的影响。当背景阻尼率γd与波的线性增长率γL比值在1附近时,系统处于阈值不稳定性。结果表明:(1)无论背景耗散在远离(γd/γL=0.3)还是接近(γd/γL=0.8)阈值不稳定性时,考虑拖拽效应均能导致波扫频的发生,并且随着背景耗散的增加,波频率的展宽也随之增加;拖拽效应可以协同耗散效应增强波的扫频,随着耗散效应临近阈值不稳定性,其增强效果越显著,但其单独存在时无法引起波扫频。(2)在接近阈值不稳定性(γd/γL=0.9)时,扩散、Krook碰撞效应能抑制扫频的发生,并从数值参数上验证了后者抑制效果更明显;拖拽效应对扫频行为起促进作用,随着拖拽效果的增强,粒子速度分布函数中共振中心右侧的凹陷结构越明显,对应频谱图中向下扫频的趋势越明显。第四章基于有限差分方法对BOT模型进行数值计算。通过求解波-粒子耦合的动理学方程,编写了一个带有滤波模块、可用于研究自恰系统中多模式耦合相关问题的程序。程序可以很好地展示静电振荡过程、波-粒子能量交换过程,与BOT程序结果的对比证明了编写程序的可靠性,为后续波-粒子相互作用多模式问题的讨论奠定了基础。
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