非广延分布等离子体中自生磁场及非线性效应研究

发布时间：2017-04-30 14:10

  本文关键词：非广延分布等离子体中自生磁场及非线性效应研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在天体等离子体中会产生磁场已为观测所证实,在激光等离子体中也同样测量到了自生磁场,因此天体和激光等离子体中的自生磁场问题成为了等离子体物理领域的研究热点,并提出了多种自生磁场理论。本自生磁场理论的基本观点是：波—波和波—粒相互作用能产生低频非线性流,从而诱发出低频电场,最终导致低频磁场的产生。该自生磁场理论的研究有助于理解激光惯性约束核聚变中的等离子体物理过程、等离子体与材料的相互作用等问题,特别是天体中依赖于间歇磁流的精细结构问题。由于非广延统计理论比广延统计理论能更好解决长程相互作用的物理系统问题。对于具有长程静电力相互作用的等离子体而言,假设非广延分布的等离子体是合理的,这也为天体观测所支持。因此把麦克斯韦分布下的自生磁场理论推广到非广延q分布等离子体中,是有意义的,也是必要的。并且在激光等离子体中,由于作用较强且较快,可能来不及达到麦克斯韦分布而采用q分布来研究自生磁场可能是一个值得试探的。通过选择合理的广延参量q,使得非广延分布的等离子体理论结果比麦克斯韦分布结果更丰富。论文从动理学的伏拉索夫方程出发,假定等离子体是非广延q分布,考虑了非线性波—波、波—粒相互作用,得到了非广延q分布等离子体中的自生磁场控制方程。它包括由于空间非均匀横等离激元产生的有质动力驱动的离声运动方程,等离激元的有质动力作用导致的密度扰动方程,以及由于高频电场的本征旋转诱发的低频自生磁场的包络场方程。其次,采用微扰法对非广延q分布等离子体中的自生磁场控制方程进行线性分析,在近似情况下得到调制不稳定性的最大增长率和其对应的波数、坍塌速率的解析解。再采用量级近似分析,得到等离激元数守恒方程,给出了方程的一种渐近自类似坍塌解的形式。研究结果表明磁场的扰动是磁调制不稳定性的,对于均匀的等离激元泵波场,这种不稳定将导致场的局域结构形成,并且磁调制不稳定性受到可变参量q的修正,包括了麦克斯韦分布情况下的结果。然后对吸积盘中坍塌磁流引起的反常黏滞进行了研究。吸积盘要处于湍动状态才能产生反常黏滞现象,可应用非广延q分布等离子体中的自生磁场理论对其进行研究。理论计算结果和实验观测结果在量级上是一致,并可进一步通过选择恰当的可变参量q进行大小拟合。最后研究了非广延q分布等离子体中的自生磁场控制方程数值解(演化图像),并应用分析了太阳日冕、极区千米波辐射(AKR)、激光等离子体中的自生磁场问题。在对控制方程进行标量化后,考虑了两维三分量问题,采用差分法计算准静态极限下的自生磁场,绘制了不同参量q时的演化图像。通过演化图像中磁场的空间分布和等强图,计算出最大磁场和对应的局域空间尺度大小,与观测到的自生磁场和特征尺度大小范围进行了对比。演化图像表明坍塌是自生磁场的一个重要特性,q值越小,坍塌速度越快,最大磁场越强,等强图中的局域空间尺度越小。
【关键词】：等离子体 非广延q分布 自生磁场 调制不稳定性 坍塌 反常黏滞
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O53
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 等离子体物理学的研究背景10-11
• 1.2 等离子体波11-13
• 1.3 等离子体中的自生磁场现象及理论研究13-18
• 1.3.1 天体等离子体中的自生磁场现象13-14
• 1.3.2 激光天体物理与激光等离子体中的自生磁场现象14-16
• 1.3.3 自生磁场理论发展16-18
• 1.4 非广延统计简介18-21
• 1.4.1 玻尔兹曼统计热力学的局限性18-19
• 1.4.2 非广延统计的提出19-20
• 1.4.3 非广延统计的q分布和Kappa分布20-21
• 1.5 本论文的主要研究工作21-24
• 第2章 非广延分布等离子体中自生磁场的控制方程24-50
• 2.1 非广延q分布函数25-27
• 2.2 非广延q分布中的动理学方程27-34
• 2.2.1 线性和非线性流30-32
• 2.2.2 场方程32-34
• 2.3 非广延分布等离子体中自生磁场的控制方程34-49
• 2.3.1 低频横场方程34-35
• 2.3.2 高频横场方程35-36
• 2.3.3 q分布等离子体色散函数的展开36-40
• 2.3.4 高频横激元的时空包络场方程40-42
• 2.3.5 扰动密度42-44
• 2.3.6 驱动的离声运动44-46
• 2.3.7 非线性耦合场方程46-49
• 2.4 本章小结49-50
• 第3章 非广延分布等离子体的调制不稳定性及在吸积盘反常黏滞中的应用50-83
• 3.1 磁调制不稳定性50-60
• 3.1.1 不稳定性的线性分析51-58
• 3.1.2 参量q对调制不稳定性影响分析58-60
• 3.1.3 结果讨论60
• 3.2 自生磁场的自类似塌缩60-64
• 3.3 吸积盘中坍塌磁流引起的反常黏滞64-71
• 3.3.1 吸积盘的湍动状态65-66
• 3.3.2 q分布等离子体吸积盘中的反常阻抗66-68
• 3.3.3 反常磁黏滞系数68-70
• 3.3.4 参量q对反常磁黏滞系数的影响70-71
• 3.4 吸积盘中磁旋转不稳定71-81
• 3.4.1 q分布等离子体的动量方程72-75
• 3.4.2 q分布等离子体吸积盘的磁旋转不稳定性75-79
• 3.4.3 反常耗散对年轻恒星和黑洞磁旋转不稳定性的影响79-81
• 3.5 本章小结81-83
• 第4章 非广延分布等离子体中自生磁场的数值解83-100
• 4.1 引言83
• 4.2 自生磁场的数值计算83-95
• 4.2.1 控制方程的分量形式84-85
• 4.2.2 快速傅立叶变换(FFT)方法85-87
• 4.2.3 差分法87-89
• 4.2.4 用差分法计算自生磁场的演化89-94
• 4.2.5 自生磁场演化的讨论94-95
• 4.3 自生磁场理论对天体现象和实验结果的解释95-98
• 4.3.1 对太阳日冕中自生磁场的解释95-96
• 4.3.2 对AKR中自生磁场的解释96
• 4.3.3 对激光等离子体中自生磁场的解释96-98
• 4.4 本章小结98-100
• 第5章 结论与展望100-103
• 5.1 论文小结100-101
• 5.2 后续工作的展望101-103
• 致谢103-104
• 参考文献104-114
• 攻读学位期间的研究成果114

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