磁尾静电离子束流-密度漂移不稳定性的数值研究

本文研究了磁尾等离子体片边界层宽频带静电噪声的产生机制.模型等离子体由暖的背景电子、暖的向地球方向的离子束流和较冷的向尾方向的离子束流组成.结果表明,静电离子束流-密度漂移不稳定性可以在比较宽的频率范围内激发,在低频区大传播角方向上增长率最大,在高频区小传播角方向上增长率也比较大。最大增长率的方向取决于离子束流和密度漂移的速度比值.这些结果与磁尾观测到的宽频带静电噪声特征符合一致.      

相对论性离子束（环束）流引起的电磁不稳定性

在相对论性框架下，研究了冷离子流产生的右旋共振模，非共振模电磁不稳定性的特征结果表明，非共振模不稳定性增长率受离子流初始参数影响较大，而右旋共振模的增长率则受离子流初始参数影响较小。此结果可应用于太阳高能离子流通过低日冕区和地球磁层辐射带俘获的高能质子情形。     

准平行无碰撞激波的混合模拟

本文应用一维混合模拟方法数值研究了准平行无碰撞激波的结构.结果表明,激波上游的质子和准平行无碰撞激波相互作用后,有部分质子被激波反射,并向激波上游运动很长一段距离,从而激发起束流不稳定性,引起大振幅的共振右旋偏振的低频波动.这些波动在太阳风的带动下向激波下游运动,靠近激波后与激波合井,同时在激波的上游不断有新的波动产生.此过程能不断重复地进行.在平行无碰撞激波的情况下,在激波的下游还有大振幅的非共振右旋偏振的低频波动.激波上游的低频波动在向下游运动的过程中强度不断加强,最后超过原来激波的强度,形成新的激波.      

无碰撞激波上游低频波的激发及其对激波耗散机制的影响

由于很大一部分来自激波上游的粒子被激波面所反射,因此在准平行无碰撞激波的上游存在着等离子体束流．通过一维混合模拟方法,计算了束流密度较小(nb／n0=0．02)和较大(nb／n0=0．2)两种不同情形下的等离子体束流不稳定性．结果表明,在束流密度较小时,束流激发的主要是平行于背景磁场方向传播的右旋波,此波动只能对束流粒子产生影响,包括减速和加热．在束流密度较大时,束流可同时激发平行和反平行于背景磁场方向传播的右旋波,除能对束流粒子产生影响外,还可通过非共振作用加速和加热背景粒子．文中对准平行无碰撞激波耗散机制的影响也进行了讨论。     

引导场对无碰撞电流片低频电磁不稳定性的影响

通过数值求解无碰撞电流片中可压缩磁流体力学模型下得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片中引导场对低频电磁波不稳定性的影响.结果表明,平衡态磁场中的引导场,对于三维扰动传播的波不稳定性有很强的影响.(1)在电流片中间平面上(z=0),无引导场时,没有不稳定性发生,但若存在引导场,不稳定性便发生,并随着引导场的增强,不稳定性明显增强,不稳定的波模可能是低混杂模.(2)在中间平面附近(z=0.2),电流片是不稳定的.随着引导场的增强,不稳定性增长率明显地增强,不稳定的波模从平行和反平行两个方向传播变为反平行方向一个方向传播,并且是斜传播的,具有低频哨声模或低混杂模的特征.(3)在电流片边缘附近(z=0.8),引导场对不稳定的波模和增长率没有明显影响,不稳定的波模都是准平行的哨声波.      

基于NOAA卫星数据的辐射带质子投掷角分布研究

利用NOAA-12卫星数据对空间环境平静时期太阳同步轨道处辐射带质子投掷角分布进行了研究. 根据投掷角分布的经验公式,计算出90°投掷角的质子方向强度和各向异性指数n. 质子投掷角分布按n的取值范围可分为三类,即90°峰值分布、平顶分布和蝴蝶形分布. 观测证实,对于辐射带质子,三种分布类型均存在并且具有明显的空间区域特征. 在内辐射带边缘地区90°峰值分布占主要优势;在外辐射带高L值区域,90°峰值分布明显减少,平顶分布和蝴蝶形分布逐渐增多. 针对90°峰值分布,研究了质子强度各向异性的区域分布特征,对于内辐射带区域,n值随L值的增大而增大,对于外辐射带,n值表现为逐渐下降的趋势. 为了研究质子投掷角分布对磁地方时的依赖关系,分析了能量为250～800keV的质子在两个不同磁地方时范围的投掷角分布规律. 结果显示,在内辐射带,质子强度的投掷角分布相对稳定,随磁地方时的变化并不显著;而在外辐射带的高L值区域,质子强度的投掷角分布随磁地方时变化明显,与磁地方时之间有明显的依赖关系.      

液滴束流轴向速度弥散与角向弥散的测量

轴向速度弥散和角向弥散是液滴束流在多数应用中的基本要求。利用标准偏差的传递关系,通过测量相继液滴飞行到测量位置的一组时间间隔,可得液滴束流轴向速度的相对标准偏差。推导了相对标准偏差的表达式,描述了测量相继液滴时间间隔的装置。研究用若干根光纤测量液滴束流角向弥散的新方法,已测得几个角度范围内的液滴记数,经修正,得到了对应不同方向角范围的液滴数。     

左旋寻常的极光千米波与辐射带高能电子相互作用的参数化研究

参数化研究了在L=4.5外辐射带区域左旋寻常（Left-hand Ordinary mode, L-O模）的极光千米波与高能电子的相互作用，定量计算了左旋寻常的极光千米波在不同峰值频率、传播角分布和纬度分布条件下的弹跳平均投掷角扩散系数、动量扩散系数和投掷角–动量交叉扩散系数。计算结果表明，动量扩散系数一般比投掷角扩散系数大100倍左右，说明动量扩散在L-O模与电子间的相互作用中起主导作用。随着传播角范围的改变，扩散系数均未发生明显变化，这说明L-O模与电子相互作用的扩散系数对传播角范围的依赖性很小。此外，扩散系数会因为L-O模纬度分布的改变而发生剧烈变化，该结果与之前得到的纬度分布对右旋奇异的极光千米波的影响是一致的。通过参数化研究结果表明，适当条件下，L-O模可能会显著影响外辐射带高能电子的动力学过程。      

磁扰期间的三维漂移壳分离

基于磁层粒子动力学理论,首先对比了计算漂移壳分离的引导中心法和磁力线追踪法,计算表明两种方法的计算结果一致.然后分别采用T89c和T96磁层磁场模式,用磁力线追踪法数值计算了不同初始位置(≤9Re)、不同初始投掷角、不同Kp指数和不同太阳风压力下,带电粒子的漂移壳分离.计算结果揭示了漂移壳分离随初始位置、投掷角、Kp指数和太阳风压力的变化.其具体特征如下. (1)随着径向距离的增大,漂移壳分离效应愈加显著,由正午出发的粒子将被稳定捕获,而午夜出发的径向距离≥7Re的部分大投掷角粒子将沿磁层顶逃逸. (2)正午出发的粒子,漂移到午夜时其漂移壳随投掷角减小向外排列;午夜出发的粒子,漂移到正午时其漂移壳随投掷角增大排列; 90°投掷角粒子在磁赤道面的漂移壳沿着磁场等值线排列. (3)漂移壳分离随Kp指数和太阳风压力增大变得显著,且随这两种扰动参数的变化特征和趋势是基本相似的.      

离子迴旋波的参量激发

本文分析了极光区上空以低混杂波作为泵波激发静电离子迴旋波的可能性,并计算了增长率。结果表明,当泵波较强时(峰值100mV/m)增长率可达0.5ω_ci,大于电流驱动不稳定性及离子束流不稳定性等线性理论所可能期待的增长率。从而在某些情况下,离子迥旋波的这种参量激发可能是主要的。      

双离子成分下的赤道电离层R-T不稳定性

等离子体R-T(Rayleigh-Taylor)不稳定性被认为是赤道夜间F区电离层产生不规则体的主要机制, 经典理论中只考虑了氧离子一种正离子成分, 等离子体R-T不稳定性的表达式与氧离子质量和密度无关. 事实上, 在有些情况下, 电离层F区往往不仅仅只有一种正离子存在. 本文利用连续性方程、动量方程和电流守恒方程, 采用微扰方法, 推导了双离子成分条件下, 赤道电离层R-T不稳定性线性增长率的表达式, 研究多种正离子成分对R-T不稳定性的影响. 结果表明, 双离子成分下线性增长率与两种正离子的数密度和质量都相关, 增长率的大小依赖于两种正离子成分所占的比例.      

Diurnal variations of ion flux intensity on a synchronous orbit

The data from the synchronous-orbit satellites of the Gorizont series are used to study the dependences of the ion flux variation amplitudes in the synchronous altitude region (the diurnal behaviour) on particle energies and on the form and rigidity of the particle energy spectrum. The proton fluxes were measured in the energy range E 60–120 keV, and the [N,0]²⁺ and [C,N,0]⁴⁺ ion fluxes in the energy range E 60–70 keV/e.

The ratio of the diurnal variation amplitudes of the studied ions is shown to correspond to the similarity of their energy spectra in the E/Q representation. The magnetically-quiet time gradient of the distribution function F(μ,J,L) in the synchronous-orbit region is shown to be (∂F/∂L)=0 for the H⁺ and [N,0]²⁺ ions and (∂F/∂L) > 0 for the [C,N,0]⁴⁺ ions (at the values of μ corresponding to the examined energy ranges). During magnetically-disturbed periods the inner boundary of the (∂F/∂L)=0 region shifts to lower L and (∂ F/∂L) = O in the synchronous altitude region must be also for the [C,N,O]⁴⁺ ions.     

四极－十六极分区式线型阱中汞离子囚禁仿真研究

利用SIMION软件建立了四极-十六极分区式线型离子阱系统模型，在此基础上仿真模拟了汞离子在四极阱和十六极阱中被囚禁时的第一稳定区，并分析了离子在不同阱中的运动特性。研究了汞离子云在分区式阱中的囚禁体积和速度分布，以及在不同囚禁区域之间的穿梭过程。模拟得出了稳态情况下分区式阱中不同囚禁区域的粒子数密度分布，验证了分区式离子阱中离子云被连续囚禁、穿梭时粒子数衰减和补偿。同时，根据以上数据分析讨论了汞离子囚禁时的多普勒效应，估算了基于此分区式离子阱的汞离子微波钟的性能水平。     

Electromagnetic ion cyclotron resonance heating in the VASIMR

Plasma physics has found an increasing range of practical industrial applications, including the development of electric spacecraft propulsion systems. One of these systems, the Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) engine, both applies several important physical processes occurring in the magnetosphere. These processes include the mechanisms involved in the ion acceleration and heating that occur in the Birkeland currents of an auroral arc system. Auroral current region processes that are simulated in VASIMR include lower hybrid heating, parallel electric field acceleration and ion cyclotron acceleration. This paper will focus on using a physics demonstration model VASIMR to study ion cyclotron resonance heating (ICRH). The major purpose is to provide a VASIMR status report to the COSPAR community. The VASIMR uses a helicon antenna with up to 20 kW of power to generate plasma. This plasma is energized by an RF booster stage that uses left hand polarized slow mode waves launched from the high field side of the ion cyclotron resonance. The present setup for the booster uses 2–4 MHz waves with up to 20 kW of power. This process is similar to the ion cyclotron heating in tokamaks, but in the VASIMR the ions only pass through the resonance region once. The rapid absorption of ion cyclotron waves has been predicted in recent theoretical studies. These theoretical predictions have been supported with several independent measurements in this paper. The ICRH produced a substantial increase in ion velocity. Pitch angle distribution studies show that this increase takes place in the resonance region where the ion cyclotron frequency is equal to the frequency on the injected RF waves. Downstream of the resonance region the perpendicular velocity boost should be converted to axial flow velocity through the conservation of the first adiabatic invariant as the magnetic field decreases in the exhaust region of the VASIMR. In deuterium plasma, 80% efficient absorption of 20 kW of ICRH input power has been achieved. No evidence for power limiting instabilities in the exhaust beam has been observed.     

环电流区能量离子分布特性研究

为了考察环电流区离子的分布情况,采用环电流粒子理论模式,对环电流中10-100 keV的离子进行了模拟研究.这个模式能够根据近地注入区外边界处离子的分布函数得出磁暴主相期间环电流中的主要成分H+,O+,He+3种离子的通量分布.计算结果分析表明,在其他条件相同的情况下,不同种类离子的通量分布的形态结构十分相似.电场强度对环电流离子通量的空间分布具有决定性的作用;晨昏电场强度越强,离子的通量越高;晨昏电场越强,环电流离子的内边界越接近地球.10keV的离子在电场相当弱的时候还是存在着连续的通量分布,但他们的形态和结构随着电场的变化有明显的变化.电场很弱时,离子分布主要集中于内外两个环带,离子通量在晨侧的更多一些,离子通量的最大值基本上是在比较靠近地球的环带上;随着电场的增强,离子分布的内外两个环带逐步合并,离子的分布逐渐靠近地球,通量分布的最大值也移动到了昏侧.环电流离子投掷角分布具有各向异性,投掷角在90°左右的时候,离子通量能达到最大值.      

热流效应对场向电流确定的影响

给出了任意速度分布函数条件下复频率的介电函数和色散关系的求解方法. 讨论了16矩近似条件下, 场向热流对电子速度分布函数, 介电函数实部与虚部, 以及离子与电子谐振频率和阻尼率的影响, 并与平衡态时麦克斯韦分布等离子体的计算结果进行了比较. 忽略场向热流效应, 正向电子漂移速度条件下, 上行等离子线探测, 会过高估计场向电流; 负向电子漂移速度条件下, 上行等离子线探测会过低估计场向电流. 对上下行等离子线同时探测情况, 忽略热流效应同样会过高估计场向电流.      

电子环束流对航天器表面电位和等离子体鞘层的影响

采用二维三分量静电粒子模拟程序研究了电子环束流对低轨道磁化等离子体中运行的航天器表面电位和等离子体鞘层结构的影响.当有电子束流平行磁场入射时,航天器表面所带负电位的绝对值将增大.电子束流的速度和密度的增加将使航天器表面负电位绝对值增加很快.与此同时等离子体鞘层的尺度也将增大,形状将由向尾部延伸的“泪滴”状变成向两侧展开的“机翼”状.当电子环束流以相对于磁场成一定角度斜入射时,由于磁场的约束作用,航天器表面负电位的绝对值将随入射角增大而减小.      

Biological features of an early-maturity mutant of sweet sorghum induced by carbon ions irradiation and its genetic polymorphism

It is well known that heavy ions irradiation is characterized by a high linear energy transfer (LET) and relative biological effectiveness (RBE). These characters are believed to increase mutation frequency and mutation spectrum of plants or mammalian cells irradiated by heavy ions. Here we describe an early-maturity mutant of sweet sorghum induced by carbon ion irradiation. The growth period of this mutant was shortened by about 20 days compared to the wild type. The proline content of the mutant was increased by 11.05% while the malondialdehyde content was significantly lower than that of wild type. In addition, the RAPD analysis indicated that the percentage of polymorphism between the mutant KFJT-1 and the control KFJT-CK reached 5.26%. The gain of early-maturity might solve the problem in the northwest region of China where seeds of sweet sorghum cannot be mature because of early frost. The early-maturity mutant may be important for future space cultivation.     

基于各向异性分布的非相干散射雷达谱仿真

基于离子在加热条件下呈现各向异性分布的假设,建立离子声波激发条件下非平衡态的三维离子速度分布函数模型,给出任意视线方向上非相干散射谱的计算方法,分析幅度修正因子、离子声速粒子组分、雷达波束方向与磁场方向夹角及温度各向异性对功率谱的影响.研究结果可以解释离子线谱超过一个量级的幅度增强现象和上行离子线强于下行离子线的不对称现象,对加热强扰动电离层条件下的等离子体参数反演具有重要意义.