行星际超低噪声三维能量粒子谱仪设计

太阳系能量粒子的起源和加速一直是空间物理学的重要前沿课题之一.在行星际空间中观测到的太阳系能量粒子主要分为两类:一类是持续存在的“太阳风能量粒子”,另一类是间歇性的“太阳能量粒子事件”.受限于以往行星际粒子探测器的灵敏度还不足够高,人类迄今仍未洞悉这些能量粒子起源和加速的物理过程与本质.本文设计了技术指标均为国际领先水平的行星际超低噪声三维能量粒子谱仪,采用双端望远镜结构(一端利用薄膜阻挡质子技术实现高灵敏电子探测,另一端利用磁场偏转电子技术实现高灵敏质子探测),结合多层、多像素半导体探测器阵列和覆盖近4π立体角的大视场设计,实现对行星际空间中20~1000 keV电子和25~12000 keV质子的三维分布进行高时间分辨率、高角度分辨率和高能量分辨率探测,用以揭示太阳系能量粒子起源和加速的机理,满足我国行星际探测和即将开展的深空探测的迫切需求.

CFETR上高能量粒子输运初步模拟研究

为了研究CFETR上高能量粒子的行为,利用输运代码ONETWO模拟研究了聚变反应和高能量粒子的输运现象。在无中性束注入(NBI)条件下,高能量α粒子的密度是随时间逐渐减少的。在考虑NBI以后,α粒子密度有着较明显的下降。在束离子能量增加而NBI功率不变的情况下,α粒子密度除了在等离子体中心区域有一定的下降外,在其他区域几乎没有变化。在NBI功率增加而束离子能量不变的情况下,α粒子密度在等离子体中心区域有着明显的下降。

局部反磁剪切位形下高能量粒子模的线性不稳定性分析

在HL-2A装置等离子体放电参数下,模拟研究了局部反磁剪切位形时(存在具有同一安全因子值的多个有理面时)高能量粒子(EP)激发的m/n=2/1的高能量粒子模(EPM),并给出了含有EP驱动和环耦合效应的m/n>1模式的本征值方程。通过数值求解本征值方程,计算了径向模结构,并模拟了EPM增长率和模频率对于EP比压(βh)的依赖关系。计算结果表明,局部反磁剪切位形下捕获EP可以驱动全域的EPM不稳定性,其特征类似于m/n=2/1类鱼骨模,这为相关实验提供了理论解释。通过研究EP参数对模式的影响,发现随着粒子径向分布的平化,模式趋于稳定;当束注入能量增加时,强的阿尔芬连续谱阻尼将导致不稳定性增长率的减小。

临界梯度模型的优化及集成模拟中高能量粒子模块的搭建

基于临界梯度模型,使用TGLFEP和EPtran两个程序可以模拟分析阿尔芬本征模引起的高能量粒子输运问题.本文在原有模型的基础上,加入了两点改进使模拟结果更接近实验.其一,考虑阈值剖面的演化过程.判断阈值的物理量由密度梯度(dn/dr)改为归一化的密度梯度((dn/dr)/(n/a)),并且使用TGLFEP模拟证明阈值与高能量粒子密度成反比例关系,也就是说,当密度降低时,阈值会增大.第二,考虑有限轨道宽度效应.使用OBRIT程序计算高能量粒子的损失锥,并输入到EPtran程序中,从而增加了一种高能量粒子的损失通道.利用DⅢ-D#142111和#153071进行实验验证,结果表示改进后的模型更接近实验.最后,利用神经网络代替TGLFEP计算临界梯度,并实现EPtran的并行计算以缩短运行时间.以此建立一个EP模块并加入到OMFIT集成模拟中,模拟结果表示当阿尔芬本征模驱动高能量粒子输运,会导致芯部的压强和电流降低,从而提升当地的安全因子,改变平衡位形.

JT-60U及JT-60SA运行条件下高能量粒子激发的离散阿尔芬本征模

运用线性回旋动力学与磁流体力学的混合模拟程序,研究了JT-60U和JT-60SA装置中高能量粒子对离散阿尔芬本征模的共振激发。发现了丰富的TAE动力学不稳定模式,研究了它的不稳定特性对高能量粒子速度的依赖关系。发现在JT-60U高pELMy H模运行中有grassy ELM的放电比有gaint ELM的放电更容易被高能量粒子激发成不稳定模式,在有边缘L模存在的负剪切运行下的各个势阱中都存在高能量粒子激发的TAE不稳定模式。另外在JT-60SA中高p全非感应电流驱动下的模拟实验放电下也发现了丰富的TAE不稳定模式,观察了TAE在该装置中沿磁场线和径向两个方向的二维广域本征模特性。

JET运行条件下高能量粒子激发的离散阿尔芬本征模

运用线性回旋动力学与磁流体力学的混合数值程序,研究了JET装置运行条件下高能量粒子对离散阿尔芬本征模的共振激发,发现高能粒子能激发丰富的αTAE动理学不稳定模式。讨论了高能量粒子压强及速度对共振激发的影响。研究了较低和较高自举电流运行状态以及不同环向场波纹度条件下αTAE被高能量粒子激发的物理特性。探讨了ELMs与ITB共存状态下高能量粒子激发多支离散阿尔芬本征模的情形。发现αTAE频谱广阔,且随着共振条件的变化,无论低阶还是高阶的αTAE都可以被高能量粒子激发成不稳定模式。这种潜在的阿尔芬不稳定性值得深入的研究,应当结合更多托卡马克装置的运行条件讨论其激发及物理特征。

聚变等离子体中高能量粒子驱动的鱼骨模不稳定性研究

在考虑高能量粒子密度的空间分布及箍缩角分布的条件下,建立了研究鱼骨模的色散关系,并作了数值研究。结果表明:当高能量粒子的密度高于某个阈值时,鱼骨模会在高能量粒子密度梯度最大处被激发,其频率与高能量粒子的环向进动频率一致。在高β_h区间,高能量勉强通行粒子将驱动鱼骨模进入第二稳定区。高能量捕获粒子能激发非共振鱼骨模,与勉强通行粒子激发的鱼骨模类似,在高β_h区存在第二稳定区。

强磁暴、能量粒子暴与热层大气密度涨落之间的相关关系

利用1997-2007年由GOES8,GOES11和GOES12星载高能粒子探测器在地球同步轨道高度上所探测到的高能质子和高能电子通量探测数据以及高度560 km左右星载大气密度探测器所得的热层大气密度探测数据,统计分析了强地磁扰动、高能粒子通量跃变和热层大气密度涨落之间的相关关系,初步获得强地磁扰动期间,地球同步轨道(外辐射带外环)均出现了增幅大于三个数量级的高能质子通量(尤其是E>1 MeV)强增强现象,随后热层大气密度强烈上涨,表明三者之间是正相关关系.在时间上地球同步轨道高能质子通量强增强现象先于日均Ap值(地磁活动程度)上涨约一天左右,而热层大气密度强涨落现象又明显滞后于强地磁扰动事件.

高能量粒子尾隆分布情况下的色散函数研究

当同时使用离子（或电子）回旋及中性束注入方式加热等离子体时，高能量粒子的能量分布函数一般应为尾部隆起（简称尾隆）分布。这种具有正能量梯度区域的分布函数更容易激发不稳定性，同时由于分布函数尾部隆起，在色散关系中引入了新的色散函数。主要研究了这种新色散函数的计算方法，结果表明：色散函数实部是关于原点对称的奇函数；而虚部则是关于纵轴对称的偶函数。色散函数的实部有2~4个极值点且极值点的位置与尾隆分布函数的能量梯度Δ有关、虚部有1~3个极值点但极值点位置与Δ无关。当其宗量趋于无穷大时，色散函数的值趋于零。当尾隆分布趋近于麦克斯韦分布时，用该方法计算的结果与色散函数表中给出的结果非常吻合。

空间能量粒子探测方法研究

阐述了空间能量粒子探测的原理和方法。介绍了国外在能量粒子探测方面所采用的半导体望远镜测量法、电场加速法、磁偏转法等方法,分析了它们各自的优缺点。就制约能量粒子探测技术发展的关键因素进行了讨论。并以此为基础,结合我国实际情况提出了一种新的探测方法。

低能量粒子磁控溅射沉积薄膜的蒙特卡罗模拟

提出了一个磁控溅射的低能量粒子 (可以是离子或原子 )加温沉积模型 ,特别考虑了溅射损伤和有一定能量的入射粒子对基底的加温作用 ,并和真空沉积在相同外界条件下作了比较。利用蒙特卡罗方法研究了低能量粒子 (<10 0eV)对金属原子沉积薄层的作用。结果表明 ,当溅射很弱时 。

极区太阳能量粒子沉降对高纬臭氧含量影响研究进展

在极区,太阳能量粒子沉降对于臭氧的影响一直是国际空间科学界研究的热点。介绍了太阳能量粒子沿地球磁场磁力线进入极区后造成高纬地区臭氧含量损耗的机制,典型太阳能量粒子沉降事件造成臭氧损耗的观测研究以及国际上对于沉降粒子与臭氧损耗的模式模拟。讨论了目前应用大气化学耦合模式在分析太阳能量粒子沉降造成的臭氧损耗为气候变化带来的影响方面的工作,及一些极端空间天气事件的模拟结果。

能量粒子进入磁层的数值模拟研究

来自行星际的能量粒子进入磁层的过程一直是磁层研究的热点,也是空间天气研究关注的焦点之一,而以往的工作大都集中在讨论不同行星际条件下粒子进入磁层的统计规律.本文在T89磁层模式的基础上,建立了太阳能量粒子进入磁层运动的程序,计算了几种不同能量的质子从不同方位角入射到磁层的运动轨迹.模拟结果表明,能量粒子沿着磁力线方向才可能穿越磁层到达地球表面,越偏离这个方向,则越早被反弹.能量越高的粒子进入到地球磁层上空的角度范围越大,但仍然只有沿着磁力线入射的粒子才能到达地球表面.这些结果与理论预言是一致的.

准平行无碰撞激波上游能量粒子的观测研究

通过Cluster卫星在2005年3月16日观测到的一个准平行激波观测事例,研究了准平行激波上游低频等离子体波动与能量离子之间的关系.卫星观测结果表明,在准平行激波上游,离子微分能通量受到了非线性波动的调制.在磁场强度较小区域,离子微分能通量较高.产生这种现象的可能原因是准平行激波上游的非线性波动可以捕获离子,被捕获的离子在波动中来回弹跳并被电场加速,从而导致磁场强度较小区域离子微分能通量较高.这一观测结果与已有的混合模拟结果相吻合.

连续谱频域中高能量粒子激发的阿尔芬不稳定性

本文通过线性回旋动理学与磁流体力学(MHD)的混合模拟程序,采用(s,α)平衡模型。通过高能量粒子激发连续谱中的阿尔芬模式,研究了NSTX和MAST运行条件下连续谱中的αTAE和gap中的TAE各自特点,发现连续谱中的αTAE可存在于gap上方和gap下方,能被势阱很好的束缚。gap中的TAE可以无需势阱所束缚。还在MHD条件下,演示了环效应所引发的阿尔芬频隙,可以减小连续谱对本征模的耗散作用。

太阳系边际的能量粒子探测

太阳系能量粒子的起源、加速及传播一直是物理学和空间物理学的重要前沿课题。太阳系边际探测将为研究这一前沿课题提供至关重要的信息。在太阳系边际区域,源自太阳系的能量粒子主要分为两类:太阳风超热粒子和能量中性原子(Energetic Neutral Atoms,ENA)。这些能量粒子对太阳系边际的形态和动力学过程会有很强的调制作用。但是,现在仍然缺乏对太阳风超热粒子的高精度就位探测和对太阳系边际的高精度ENA成像这些关键观测手段。基于STEREO卫星上的STE仪器对太阳风超热粒子的高精度探测和对地球磁层的高精度ENA探测,建议采用低能量阈值的新一代半导体探测器,结合已成熟的调制狭缝成像系统,以实现对太阳系边际(和顺访行星的磁层)的高精度ENA成像和对太阳风超热粒子的高精度就位探测。这些高精度观测将会为认识太阳系与星际介质之间相互作用的动力学演化和太阳系能量粒子的起源、加速及传播这些前沿课题提供关键信息。

ITER条件下高能量粒子对一种新型离散阿尔芬本征模的影响

离散阿尔芬本征模是托克马克中存在的一种模式,它具有准边缘不稳定性,能被高能量粒子激发成不稳定模式.国际热核实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)的设计运行有感应方案、稳态方案和混合方案,文中将在稳态方案下结合电流驱动方式来探讨αTAE的不稳定性.本文主要介绍ITER实验设计运行条件,并据此探究ITER中的αTAE(α-induced toroidal Alfvén eigenmode,α是表示等离子体压强梯度大小的一个参数)及其由高能量粒子激发的不稳定性,结果表明在ITER中能够存在这种αTAE,且能够被高能量粒子激发成为不稳定模式.

高能量粒子测地声模与Dimits区漂移波相互作用

基于包含驱动和阻尼的三波非线性相互作用模型,构建了一个描述高能量粒子测地声模(EGAM)与Dimits区漂移波湍流相互作用的系统,并在系统的线性增长及非线性振荡阶段分别进行了解析和数值研究.更进一步的数值结果表明,在忽略EGAM的贡献时,该系统具有随着线性驱动/阻尼率等参数的变化,从极限环振荡经历倍周期分岔最终进入混沌的行为特征.在此基础上,形式上构建了本系统的非线性饱和Dimits区,并研究了EGAM对Dimits区漂移波的影响.结果表明,对于不同幅度和频率的EGAM,被调制后的漂移波将表现出受到激发或抑制的效果.对此,采用相空间分析的方法给出了相应的解释.

基于能量守恒耗散粒子动力学方法的自然对流模拟改进研究

能量守恒耗散粒子动力学(eDPD)是一种研究热输运过程的介观尺度数值模拟方法,然而在eDPD系统内引入Boussinesq假设以研究自然对流问题时,eDPD系统自身的热膨胀性对模拟结果的影响常常被忽略.首先研究了eDPD系统的热膨胀性,通过模拟获得eDPD系统的热膨胀系数β;并由此模拟了不同瑞利数Ra、不同几何结构下的自然对流;利用eDPD系统自身的热膨胀性,在不引入Boussinesq假设的前提下获得了合理的温度场和速度场,与相同Ra数下有限体积法模拟结果相比,误差明显小于以往研究中相同条件下的对比误差.研究表明在eDPD系统中引入Boussinesq假设时,需要考虑eDPD系统自身热膨胀性的影响,并且进一步对Ra数的计算进行了修正.

ULF波及其与能量粒子相互作用研究进展

地球磁层中的超低频波(ultra low frequencywave,简称ULF波)的全球分布特性以及与能量粒子之间的相互作用,如ULF波和粒子之间的共振调制、对能量粒子的加速等问题一直是空间物理研究中的热门问题.深入研究这些问题对于理解太阳风和磁层之间的能量传输,能量粒子加速等机制问题有着很重要的意义.本文简要介绍有关ULF波的全球分布及其与能量粒子之间共振调制的最新观测研究进展,并对将来研究工作中的问题和方向做一个简单的总结和展望.