搜索

文章查询

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

丰志兴 宁成 薛创 李百文

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

丰志兴, 宁成, 薛创, 李百文
PDF
导出引用
导出核心图
  • 给出了喷气Z箍缩动力学过程在二维柱坐标系下的等离子体粒子模拟物理模型,编写了相应的程序. 对低电流驱动下的稀薄喷气Z箍缩动力学过程进行了验证性的等离子体粒子模拟,得到了许多微观的Z箍缩物理信息,如负载中的电流(密度)、电磁场、粒子位置和密度的时空演化,以及总的Z箍缩拖尾质量和拖尾电流等信息. 发现在Z箍缩过程中,模拟得到的等离子体电流随时间的变化反映出了等离子体箍缩到心和反弹的过程特征,磁场随径向的变化与长直导线电流给出的磁场很接近;电子所受到的电场力和磁场力(洛伦兹力)是相当的,而离子所受到的力主要是电场力;电子首先在z方向加速,然后在自身运动产生电流的磁场的作用下向轴心箍缩,而离子是在电子和离子电荷分离所产生的电场力的作用下向轴心运动;在压缩到轴心附近时,电子首先因静电排斥而飞散,而离子则在惯性的作用下继续向轴心箍缩,而后滞止飞散. Z箍缩等离子体的拖尾质量在20%左右,拖尾电流最大时在7%左右.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:11135007,10775021,11375032)、国家重点基础研究发展计划(批准号:61319403)和中国工程物理研究院科学技术基金(批准号:2011A0102008)资助的课题.
    [1]

    Matzen M K 1997 Phys. Plasmas 4 1519

    [2]

    Dan J K, Ren X D, Huang X B, Zhang S Q, Zhou S T, Duan S C, Ouyang K, Cai H C, Wei B, Ji C, He A, Xia M H, Feng S P, Wang M, Xie W P 2013 Acta Phys. Sin. 62 245201(in Chinese)[但加坤, 任晓东, 黄显宾, 张思群, 周少彤, 段书超, 欧阳凯, 蔡红春, 卫兵, 计策, 何安, 夏明鹤, 丰树平, 王勐, 谢卫平 2013 物理学报 62 245201]

    [3]

    Sheng L, Li Y, Yuan Y, Peng B D, Li M, Zhang M, Zhao J Z, Wei F L, Wang L P, Hei D W, Qiu A C 2014 Acta Phys. Sin. 63 055201(in Chinese)[盛亮, 李阳, 袁媛, 彭博栋, 李沫, 张美, 赵吉祯, 魏福利, 王亮平, 黑东炜, 邱爱慈 2014 物理学报 63 055201]

    [4]

    Huang X B, Yang L B, Li J, Zhou S T, Ren X D, Zhang S Q, Dan J K, Cai H C, Duan S C, Chen G H, Zhang Z W, Ouyang K, Li J, Zhang Z H, Zhou R G, Wang G L 2012 Chin. Phys. B 21 055206

    [5]

    Wu G, Qiu A C, Wang L P, L M, Qiu M T, Cong P T 2011 Acta Phys. Sin. 60 015203(in Chinese)[吴刚, 邱爱慈, 王亮平, 吕敏, 邱孟通, 丛培天 2011 物理学报 60 015203]

    [6]

    Deeney C, Nash T J, Spielman R B, Seaman J F, Chandler G C, Struve K W, Porter J L, Stygar W A, McGum J S, Jobe D O, Gilliland T L, Torres J A, Vargas M F, Ruggles L E, Breeze S, Mock R C, Douglas M R, Fehl D L, McDaniel D H, Matzen M K, Peterson D L, Matuska W, Roderick N F, MacFarlane J J 1997 Phys. Rev. E 56 5945

    [7]

    Spielman R B, Deeney C, Chandler G A, Douglas M R, Fehl D L, Matzen M K, McDaniel D H, Nash T J, Porter J L, Sanford T W L, Seaman J F, Stygar W A, Struve K W, Breeze S P, McGurn J S, Torres J A, Zagar D M, Gilliland T L, Jobe D O, McKenney J L, Mock R C, Vargas M, Wangoner T, Peterson D L 1998 Phys. Plasmas 5 2105

    [8]

    Stygar W A, Ives H C, Fehl D L, Fehl D L, Cuneo M E, Mazarakis M G, Bailey J E, Bennett G R, Bliss D E, Chandler G A, Leeper R J, Matzen M K, McDaniel D H, McGurn J S, McKenney J L, Mix L P, Muron D J, Porter J L, Ramirez J S, Ruggles L E, Seamen J F, Simpson W W, Speas C S, Spielman R B, Struve K W, Torres J A, Vesey R A 2004 Phys. Rev. E 69 046403

    [9]

    Commisso R J, Apruzese J P, Black D C, Boller J R, Moosman B, Mosher D, Stephanakis S J, Weber B V, Young F C 1998 IEEE Trans. Plasma Sci. 26 1068

    [10]

    Shiloh J A, Fisher A, Rostoker N 1978 Phys. Rev. Lett. 40 515

    [11]

    Jiang S Q, Chen F X, Xia G X, Ning J M, Xue F B, Li L B, Ye F, Yang J L, Pan Y J 2013 High Power Laser and Particle Beams 25 3069(in Chinese)[蒋树庆, 陈法新, 夏广新, 甯家敏, 薛飞彪, 李林波, 叶繁, 杨建伦, 潘英俊 2013 强激光与粒子束 25 3069]

    [12]

    Coverdale C A, Deeney C, Velikovich A L, Clark R W, Chong Y K, Davis J, Chittenden J, Ruiz C L, Cooper G W, Nelson A J, Franklin J, LePell P D, Apruzese J P, Levine J, Banister J, Qi N 2007 Phys. Plasmas 14 022706

    [13]

    Duan Y Y, Guo Y H, Wang W S, Qiu A C 2004 Acta Phys. Sin. 53 2654(in Chinese)[段耀勇, 郭永辉, 王文生, 邱爱慈 2004 物理学报 53 2654]

    [14]

    Ning C, Ding N, Liu Q, Yang Z H 2006 Acta Phys. Sin. 55 3488(in Chinese)[宁成, 丁宁, 刘全, 杨振华 2006 物理学报 55 3488]

    [15]

    Ning C, Yang Z H, Ding N 2003 Acta Phys. Sin. 52 1650(in Chinese)[宁成, 杨震华, 丁宁 2003 物理学报 52 1650]

    [16]

    Welch D R, Rose D V, Clark R E, Mostrom C B, Stygar W A, Leeper R J 2009 Phys. Rev. Lett. 103 255002

    [17]

    Welch D R, Rose D V, Thoma C, Clark R E, Mostrom C B, Stygar W A, Leeper R J 2010 Phys. Plasmas 17 072702

    [18]

    Welch D R, Rose D V, Thoma C, Clark R E, Mostrom C B, Stygar W A, Leeper R J 2011 Phys. Plasmas 18 056303

    [19]

    Zhuo H B 2002 Ph. D. Dissertation (Changsha: National University of Defense Technology) (in Chinese)[卓红斌 2002 博士学位论文 (长沙: 国防科技大学)]

    [20]

    Langdon A B, Birdsall C K 1970 Phys. Fluids 13 2115

    [21]

    Birdsall C K 1985 Plasma Physics via Computer Simulation (New York: McGraw-Hill Book Company) pp365-366

    [22]

    Villasenor J, Buneman O 1992 Comput. Phys. Commum. 69 306

    [23]

    Yin Y, Chang W W, Xu H, Zhuo H B, Ma Y Y 2007 CJCP 24 655(in Chinese)[银燕, 常文蔚, 徐涵, 卓红斌, 马燕云 2007 计算物理 24 655]

    [24]

    Ning C 2001 Nuclear Fusion and Plasma Physics 21 43(in Chinese)[宁成 2001 核聚变与等离子体物理 21 43]

    [25]

    Yang Z H, Liu Q, Ding N 2004 High Power Laser and Particle Beams 16 469(in Chinese)[杨震华, 刘全, 丁宁 2004 强激光与粒子束 16 469]

  • [1]

    Matzen M K 1997 Phys. Plasmas 4 1519

    [2]

    Dan J K, Ren X D, Huang X B, Zhang S Q, Zhou S T, Duan S C, Ouyang K, Cai H C, Wei B, Ji C, He A, Xia M H, Feng S P, Wang M, Xie W P 2013 Acta Phys. Sin. 62 245201(in Chinese)[但加坤, 任晓东, 黄显宾, 张思群, 周少彤, 段书超, 欧阳凯, 蔡红春, 卫兵, 计策, 何安, 夏明鹤, 丰树平, 王勐, 谢卫平 2013 物理学报 62 245201]

    [3]

    Sheng L, Li Y, Yuan Y, Peng B D, Li M, Zhang M, Zhao J Z, Wei F L, Wang L P, Hei D W, Qiu A C 2014 Acta Phys. Sin. 63 055201(in Chinese)[盛亮, 李阳, 袁媛, 彭博栋, 李沫, 张美, 赵吉祯, 魏福利, 王亮平, 黑东炜, 邱爱慈 2014 物理学报 63 055201]

    [4]

    Huang X B, Yang L B, Li J, Zhou S T, Ren X D, Zhang S Q, Dan J K, Cai H C, Duan S C, Chen G H, Zhang Z W, Ouyang K, Li J, Zhang Z H, Zhou R G, Wang G L 2012 Chin. Phys. B 21 055206

    [5]

    Wu G, Qiu A C, Wang L P, L M, Qiu M T, Cong P T 2011 Acta Phys. Sin. 60 015203(in Chinese)[吴刚, 邱爱慈, 王亮平, 吕敏, 邱孟通, 丛培天 2011 物理学报 60 015203]

    [6]

    Deeney C, Nash T J, Spielman R B, Seaman J F, Chandler G C, Struve K W, Porter J L, Stygar W A, McGum J S, Jobe D O, Gilliland T L, Torres J A, Vargas M F, Ruggles L E, Breeze S, Mock R C, Douglas M R, Fehl D L, McDaniel D H, Matzen M K, Peterson D L, Matuska W, Roderick N F, MacFarlane J J 1997 Phys. Rev. E 56 5945

    [7]

    Spielman R B, Deeney C, Chandler G A, Douglas M R, Fehl D L, Matzen M K, McDaniel D H, Nash T J, Porter J L, Sanford T W L, Seaman J F, Stygar W A, Struve K W, Breeze S P, McGurn J S, Torres J A, Zagar D M, Gilliland T L, Jobe D O, McKenney J L, Mock R C, Vargas M, Wangoner T, Peterson D L 1998 Phys. Plasmas 5 2105

    [8]

    Stygar W A, Ives H C, Fehl D L, Fehl D L, Cuneo M E, Mazarakis M G, Bailey J E, Bennett G R, Bliss D E, Chandler G A, Leeper R J, Matzen M K, McDaniel D H, McGurn J S, McKenney J L, Mix L P, Muron D J, Porter J L, Ramirez J S, Ruggles L E, Seamen J F, Simpson W W, Speas C S, Spielman R B, Struve K W, Torres J A, Vesey R A 2004 Phys. Rev. E 69 046403

    [9]

    Commisso R J, Apruzese J P, Black D C, Boller J R, Moosman B, Mosher D, Stephanakis S J, Weber B V, Young F C 1998 IEEE Trans. Plasma Sci. 26 1068

    [10]

    Shiloh J A, Fisher A, Rostoker N 1978 Phys. Rev. Lett. 40 515

    [11]

    Jiang S Q, Chen F X, Xia G X, Ning J M, Xue F B, Li L B, Ye F, Yang J L, Pan Y J 2013 High Power Laser and Particle Beams 25 3069(in Chinese)[蒋树庆, 陈法新, 夏广新, 甯家敏, 薛飞彪, 李林波, 叶繁, 杨建伦, 潘英俊 2013 强激光与粒子束 25 3069]

    [12]

    Coverdale C A, Deeney C, Velikovich A L, Clark R W, Chong Y K, Davis J, Chittenden J, Ruiz C L, Cooper G W, Nelson A J, Franklin J, LePell P D, Apruzese J P, Levine J, Banister J, Qi N 2007 Phys. Plasmas 14 022706

    [13]

    Duan Y Y, Guo Y H, Wang W S, Qiu A C 2004 Acta Phys. Sin. 53 2654(in Chinese)[段耀勇, 郭永辉, 王文生, 邱爱慈 2004 物理学报 53 2654]

    [14]

    Ning C, Ding N, Liu Q, Yang Z H 2006 Acta Phys. Sin. 55 3488(in Chinese)[宁成, 丁宁, 刘全, 杨振华 2006 物理学报 55 3488]

    [15]

    Ning C, Yang Z H, Ding N 2003 Acta Phys. Sin. 52 1650(in Chinese)[宁成, 杨震华, 丁宁 2003 物理学报 52 1650]

    [16]

    Welch D R, Rose D V, Clark R E, Mostrom C B, Stygar W A, Leeper R J 2009 Phys. Rev. Lett. 103 255002

    [17]

    Welch D R, Rose D V, Thoma C, Clark R E, Mostrom C B, Stygar W A, Leeper R J 2010 Phys. Plasmas 17 072702

    [18]

    Welch D R, Rose D V, Thoma C, Clark R E, Mostrom C B, Stygar W A, Leeper R J 2011 Phys. Plasmas 18 056303

    [19]

    Zhuo H B 2002 Ph. D. Dissertation (Changsha: National University of Defense Technology) (in Chinese)[卓红斌 2002 博士学位论文 (长沙: 国防科技大学)]

    [20]

    Langdon A B, Birdsall C K 1970 Phys. Fluids 13 2115

    [21]

    Birdsall C K 1985 Plasma Physics via Computer Simulation (New York: McGraw-Hill Book Company) pp365-366

    [22]

    Villasenor J, Buneman O 1992 Comput. Phys. Commum. 69 306

    [23]

    Yin Y, Chang W W, Xu H, Zhuo H B, Ma Y Y 2007 CJCP 24 655(in Chinese)[银燕, 常文蔚, 徐涵, 卓红斌, 马燕云 2007 计算物理 24 655]

    [24]

    Ning C 2001 Nuclear Fusion and Plasma Physics 21 43(in Chinese)[宁成 2001 核聚变与等离子体物理 21 43]

    [25]

    Yang Z H, Liu Q, Ding N 2004 High Power Laser and Particle Beams 16 469(in Chinese)[杨震华, 刘全, 丁宁 2004 强激光与粒子束 16 469]

  • [1] 周瑜, 操礼阳, 马晓萍, 邓丽丽, 辛煜. 脉冲射频容性耦合氩等离子体的发射探针诊断. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191864
    [2] 杨进, 陈俊, 王福地, 李颖颖, 吕波, 向东, 尹相辉, 张洪明, 符佳, 刘海庆, 臧庆, 储宇奇, 刘建文, 王勋禺, 宾斌, 何梁, 万顺宽, 龚学余, 叶民友. 东方超环上低杂波驱动等离子体环向旋转实验研究. 物理学报, 2020, 69(5): 055201. doi: 10.7498/aps.69.20191716
    [3] 罗菊, 韩敬华. 激光等离子体去除微纳颗粒的热力学研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191933
    [4] 刘家合, 鲁佳哲, 雷俊杰, 高勋, 林景全. 气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响. 物理学报, 2020, 69(5): 057401. doi: 10.7498/aps.69.20191540
    [5] 卢超, 陈伟, 罗尹虹, 丁李利, 王勋, 赵雯, 郭晓强, 李赛. 纳米体硅鳍形场效应晶体管单粒子瞬态中的源漏导通现象研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191896
    [6] 张战刚, 雷志锋, 童腾, 李晓辉, 王松林, 梁天骄, 习凯, 彭超, 何玉娟, 黄云, 恩云飞. 14 nm FinFET和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比. 物理学报, 2020, 69(5): 056101. doi: 10.7498/aps.69.20191209
    [7] 朱存远, 李朝刚, 方泉, 汪茂胜, 彭雪城, 黄万霞. 用久期微绕理论将弹簧振子模型退化为耦合模理论. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191505
    [8] 翁明, 谢少毅, 殷明, 曹猛. 介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200026
    [9] 王琳, 魏来, 王正汹. 垂直磁重联平面的驱动流对磁岛链影响的模拟. 物理学报, 2020, 69(5): 059401. doi: 10.7498/aps.69.20191612
    [10] 蒋涛, 任金莲, 蒋戎戎, 陆伟刚. 基于局部加密纯无网格法非线性Cahn-Hilliard方程的模拟. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191829
    [11] 赵建宁, 刘冬欢, 魏东, 尚新春. 考虑界面接触热阻的一维复合结构的热整流机理. 物理学报, 2020, 69(5): 056501. doi: 10.7498/aps.69.20191409
    [12] 吴美梅, 张超, 张灿, 孙倩倩, 刘玫. 三维金字塔立体复合基底表面增强拉曼散射特性. 物理学报, 2020, 69(5): 058101. doi: 10.7498/aps.69.20191636
    [13] 庄志本, 李军, 刘静漪, 陈世强. 基于新的五维多环多翼超混沌系统的图像加密算法. 物理学报, 2020, 69(4): 040502. doi: 10.7498/aps.69.20191342
    [14] 张雅男, 詹楠, 邓玲玲, 陈淑芬. 利用银纳米立方增强效率的多层溶液加工白光有机发光二极管. 物理学报, 2020, 69(4): 047801. doi: 10.7498/aps.69.20191526
    [15] 赵珊珊, 贺丽, 余增强. 偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中的各向异性耗散. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200025
    [16] 刘丽, 刘杰, 曾健, 翟鹏飞, 张胜霞, 徐丽君, 胡培培, 李宗臻, 艾文思. 快重离子辐照对YBa2Cu3O7-δ薄膜微观结构及载流特性的影响. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191914
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  389
  • PDF下载量:  377
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-02-28
  • 修回日期:  2014-04-30
  • 刊出日期:  2014-09-20

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

  • 1. 中国工程物理研究院北京研究生部, 北京 100088;
  • 2. 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:11135007,10775021,11375032)、国家重点基础研究发展计划(批准号:61319403)和中国工程物理研究院科学技术基金(批准号:2011A0102008)资助的课题.

摘要: 给出了喷气Z箍缩动力学过程在二维柱坐标系下的等离子体粒子模拟物理模型,编写了相应的程序. 对低电流驱动下的稀薄喷气Z箍缩动力学过程进行了验证性的等离子体粒子模拟,得到了许多微观的Z箍缩物理信息,如负载中的电流(密度)、电磁场、粒子位置和密度的时空演化,以及总的Z箍缩拖尾质量和拖尾电流等信息. 发现在Z箍缩过程中,模拟得到的等离子体电流随时间的变化反映出了等离子体箍缩到心和反弹的过程特征,磁场随径向的变化与长直导线电流给出的磁场很接近;电子所受到的电场力和磁场力(洛伦兹力)是相当的,而离子所受到的力主要是电场力;电子首先在z方向加速,然后在自身运动产生电流的磁场的作用下向轴心箍缩,而离子是在电子和离子电荷分离所产生的电场力的作用下向轴心运动;在压缩到轴心附近时,电子首先因静电排斥而飞散,而离子则在惯性的作用下继续向轴心箍缩,而后滞止飞散. Z箍缩等离子体的拖尾质量在20%左右,拖尾电流最大时在7%左右.

English Abstract

参考文献 (25)

目录

    /

    返回文章
    返回