离子束—本底等离子体系统中离子波动模式的实验研究

Collective waves and instabilities in ion-beam-plasma systems are a kind of typical basic research topic which is not only of fundamental importance to plasma physics but also of practical significance in the fields such as fusion plasmas, space plasmas, and low-temperature plasma technologies. The experimental excitations of the beam instability and ion modes in such systems in the absence of magnetic field have thus far been carried out along the direction of the ion beams without the results opposite to the beam. In magnetized plasmas, the experiments on electrostatic ion cyclotron wave (EICW) were all conducted in Q-machines with long thin plasma columns, where the transverse (perpendicular to magnetic field) dimension for the wave propagation was very limited and the excitation of the waves was all via conventional axial current. Aimed at these problems and based on our preliminary experimental results on unusual propagation of ion acoustic waves along and against the direction of the ion beam, the proposed project will experimentally investigate the difference in the excitation and propagation of the ion modes along and against the beam and their interactions with the beam ions in a double plasma device, and study the excitation mechanism and propagation characteristics of the EICW in a steady magnetic mirror device (with large transverse dimension for wave propagation) using unconventional excitation scheme (driven transversely by applied signals).

离子束—等离子体系统中的集体波动和不稳定性问题是一类典型的基础研究课题，对此研究不仅具有重要的学术意义，而且在聚变等离子体、空间等离子体、低温等离子体技术等领域具有现实意义。该系统中在无磁场情况下有关束不稳定性和离子波动模式激发的实验研究均沿顺流(离子束运动)方向，尚无逆流方向的结果，在有磁场情况下有关静电离子回旋波(EICW)的实验研究均在细长的Q-machine中进行，波沿横向(垂直磁场方向)的传播区域极小，激发方式均采用常规的轴向电流驱动。针对这些问题，结合课题组近期有关离子束上下游(逆流和顺流方向)离子声波传播出现反常现象的预研实验，本项目拟在双等离子体装置中开展逆流和顺流方向离子波动模式的激发、传播和与束离子相互作用的研究，并在稳态磁镜装置(大横向传播区域)中开展EICW的传播特性和非常规激发(外加信号横向驱动)机制的研究。

离子束-等离子体系统中的波和不稳定性是人们广泛关注的基础研究课题，以往的实验对顺流方向的本征模有所研究，但对可能出现的“赝波”以及逆流方向的波动均未研究。垂直磁场方向传播的静电离子回旋波是一类有重要应用的本征模，过去这方面的实验大多是研究电流驱动的不稳定性，对波的外部激发及脉冲传播研究甚少。本项目开展了离子束-等离子体系统中顺流和逆流方向“赝波”和本征模的同时激发、传播、及其相互作用，以及磁化等离子体中脉冲和连续的静电离子回旋波的激发和传播等研究，取得如下重要结果：..1、在离子束-等离子体系统中，使用ramp驱动电压，可同时激发并辨别出赝波(迸发离子)信号和本征模信号。在顺流方向同时激发出赝波和快、慢波以及本底离子声波，其中赝波有两种：在离子束马赫数较高情况下观察到起源于本底离子的赝波，而在马赫数较低情况下则观察到起源于束离子的赝波。在逆流方向发现只存在起源于本底离子的赝波和本底离子声波。..2、通过调节驱动信号的上升时间或幅度，可控制迸发离子(赝波)信号的速度，使之接近本征模信号的传播速度，在离子束-等离子体系统的上下游均观察到迸发离子与本征模的相互作用。..3、在微波ECR放电产生的发散型等离子体中，采用相同方法激发离子波动，没有观察到任何赝波信号。..4、在磁化等离子体中，使用外部驱动方式成功激发出脉冲和连续的静电离子回旋波并观察到波形演化。实验获得的脉冲和连续波传播速度对磁场的依赖关系只在较小的磁场范围内与理论模型给出的群速度和相速度符合，在较强磁场下实验与理论结果有很大出入，提示需进一步探究。.. 赝波的激发和辨别以及迸发离子与本征模相互作用等研究提供了直接观察波-粒子相互作用过程的一种可能途径，具有重要学术意义。静电离子回旋波的脉冲激发和传播是以往未曾研究的新内容，是研究非线性波的基础，具有重要基础研究意义。