论文部分内容阅读
在磁约束聚变研究中，用射频波驱动等离子体流和电流并控制其分布是实现高参数等离子体稳态运行的重要手段。从“力”的角度理解射频波与等离子体的相互作用，对研究射频波流驱动和电流驱动问题具有重要的意义。本文从动理学理论出发，研究了射频波作用于等离子体的非线性局域作用力。其中射频波场由于功率沉积所产生的不均匀性效应被着重考虑。 论文采用了三种方法推导了射频波非线性作用力。首先从单粒子所受射频波的非线性作用力出发，推导了忽略有限拉莫半径效应时等离子体流体元所受的局域作用力，并给出了功率沉积梯度导致的共振动量输运所产生的平行作用力以及与径向扩散流相联系的极向作用力的物理图像。接着，论文利用并修正了Jaeger等人发展的二阶射频波动理学方法，得到包含正确的非共振响应的二阶速度分布函数，然后通过求速度矩，分析了无碰撞下动量平衡方程里所有缓变的二阶物理量，从而得到了包含有限拉莫半径效应的各个方向上的作用力分量。同样的结果可以从Myra等人的导心框架方法获得。在论文中，我们将导心框架方法进行了推广，用于推导包含平衡参数不均匀性效应的作用力表达式。当平行波数远大于磁场不均匀性长度时，平衡参数不均匀性的影响只是让局域能量吸收率乘上一个较小的不均匀性因子，而不改变从二阶动理学所得到的作用力形式和物理含义。 由动理学方法所得到的各个方向上非线性局域作用力的组成和相应的物理机制如下所述: 1、所有方向上的作用力都包含了直接驱动力。直接驱动力是波场和等离子体都均匀时唯一的非线性作用力，其过程类似于粒子通过共振相互作用吸收了光子动量。不均匀性只是对局域能量吸收率做修正，从而反映在对动量吸收率的修正中。 2、平行磁场方向的作用力有且只有直接驱动力与共振有质动力两部分。平行共振有质动力可以从射频波功率沉积所导致的动量输运过程来理解:极向的直接驱动力驱动共振粒子沿径向漂移，这种漂移携带了共振粒子的平行动量在径向输运，从而产生流体应力张量的非对角项，该项的径向梯度便是平行共振有质动力。 3、径向的作用力除了直接驱动力外，还包含了垂直加热导致的久期的压强梯度，以及不均匀性导致的非共振力。非共振力又可分解为粒子图像上传统的非共振有质动力、非共振压强梯度以及有限温度导致的非共振的波动量输运效应。从径向无碰撞动量平衡方程可以看出，径向力只导致平凡的极向漂移流。 4、极向的作用力有且只有直接驱动力与共振有质动力两部分。极向共振有质动力的物理机制难以被理解为与平行共振有质动力类似的动量输运过程。论文从极向的无碰撞动量平衡方程出发，理解该共振有质动力分量:垂直共振加热会导致共振粒子的拉莫半径持续增大，而加热的不均匀会产生一个缓变的径向“扩散”流，从而产生一个缓变的极向洛仑兹力;前面提到的径向上久期的压强梯度会产生平凡的久期极向流，其动量变化率恰好为极向洛仑兹力的两倍;两种流效应不完全相消就产生了不平凡的极向共振有质动力，并且这个力在定量上恰好与极向洛仑兹力相等。 以解析推导和分析为基础，论文通过典型参数下的数值算例比较共振有质动力和直接驱动力。平板模型下的分析与算例显示，对于在以电子吸收为主的波作用下，需要强烈的垂直方向注入才能产生可观的共振有质动力，这可能需要实验的特殊安排才能实现;但在以离子共振吸收为主的波作用下，由不均匀性导致的共振有质动力很容易与共振动量吸收导致的直接驱动力可比，因而在处理相应的流驱动问题中，前者必须被包含在有关动量平衡的计算中。