Частично намагниченная плазма с умеренным магнитным полем, в которой ионы не намагничены или слабо намагничены, имеет явно отличные свойства от сильно намагниченной плазмы, например, для применений в термоядерном синтезе, и плохо изучена. Естественное масштабное разделение между ионным и электронным радиусами Лармора предлагает уникальные способы создания и управления такой плазмой, которые используются для многочисленных промышленных применений: новые технологии обработки наноразмерных материалов, компактные плазменные ускорители и источники рентгеновского излучения, источники многократно заряженных ионов, распыляющие магнетроны, усовершенствованные плазменные двигатели, включая двигатели Холла, сильноточные плазменные выключатели для надежной коммутации электрических сетей и магнитные фильтры для источников отрицательных ионов.
Несмотря на коммерческий успех некоторых устройств и приложений, работающих в режиме частично намагниченной плазмы (например, двигатели Холла и распыляющие магнетроны), ключевые аспекты их работы зачастую недостаточно изучены. На фундаментальном уровне одна из трудностей заключается в плохом понимании турбулентности и явлений переноса в этой плазме. В качестве примера такой фундаментальной проблемы можно упомянуть природу аномального электронного тока в магнитном поле, которое обычно превышает классические значения на порядки и образует крупномасштабные вращающиеся структуры. Отсутствие физических моделей для тока поперечного поля и природы повсеместно наблюдаемых крупномасштабных когерентных структур, по-видимому, не такое значимое препятствие для будущего прогресса в такой области, как электрическое движение, когда требуется масштабирование параметров устройства (например, для увеличения мощности).
Целью является изучение фундаментальной физики частично намагниченной плазмы с акцентом на ключевые элементы, важные для практического применения в современных технологиях, а именно, нестабильность плазмы, турбулентность, структурообразование, перенос частиц и энергии.
Наши теоретические модели предполагают для подтверждения использование экспериментов со стационарными плазменными двигателями, но они также могут быть применены для широкого диапазона условий и параметров плазмы.
Результаты
Было обнаружено, что канал ускорения стационарного плазменного двигателя может быть разделен на три пространственно обособленные области, характеризующиеся различными типами неустойчивых колебаний: ближняя анодная область с чисто азимутальными длинноволновыми колебаниями, основная часть канала ускорения с осевыми коротковолновыми модами, область шлейфа с косыми распространяющимися волнами.
Мы показали, что низкочастотные крупномасштабные структуры, часто наблюдаемые в плазменных устройствах Холла, могут быть объяснены в результате нелинейной конденсации (модуляционной нестабильности) мелкомасштабных флуктуаций низшего гибридного типа.
Явление крупномасштабных колебаний разряда в стационарном плазменном двигателе было физически интерпретировано путем анализа глобальных режимов неустойчивости градиентного дрейфа. Показано, что собственные моды могут образовывать волновые пакеты (рис), основные характеристики которых на линейной стадии неустойчивости совпадают с параметрами экспериментально наблюдаемых крупномасштабных азимутальных спицеобразных структур в плазме Холла.
