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图1.1 旅行者2号拍下的土星环中的条状尘埃照片，左边照片的时间间隔为10分钟[5]。
尘埃等离子体物理是最近二十年发展起来的一门新兴学科。特别是最近二十年，尘埃等离子体物理研究得到了空前的进展。对尘埃等离子体中传播地静电波的研究是这个领域的重要基础研究之一。等离子体的一些基本性质可以通过对他的研究得到。另外对尘埃等离子体中静电波的研究有助于我们对系统稳定性的分析。随着尘埃等离子体晶格在实验室中的实现，为尘埃等离子体研究开辟了全新的领域。
1994年, 我国台湾国立中央大学的伊林等人[2]以及德国马普研究所的Morfill等人[3]几乎同时在实验上首次实现了尘埃等离子体晶体结构, 这就极大地鼓舞了这个领域人们的研究热情。 另外, 1995年美国Iowa大学的Barkan等人在稳态等离子体中观察到尘埃颗粒运动激发的尘埃声波[4],又推动人们对尘埃等离子体中集体波动与不稳定性问题的研究高潮。
图1.2 等离子体刻蚀中硅片上方的尘埃环照片以及尘埃颗粒电镜图，颗粒直径20微米[6]
最近一个热门的焦点是把尘埃等离子体实验搬到无重力环境下的国际空间站上进行。上所述,在地球表面由于受重力作用,尘埃只能被约束在鞘层中,而在空间站上, 尘埃可以停留在整个等离子体中。下图是一幅国际空间站上的实验照片可见大量微米大小的尘埃颗粒弥散在整个放电室中,中心区域呈现出一个空洞(void), 边界非常清晰。在其他区域, 呈现出稳定的晶体结构、液态流体行为, 甚至还有清晰的涡旋结构。由此引发了人们对微重力条件下尘埃等离子体的理论和实验研究的兴趣。
图1.3 等离子体鞘层[7]
1．2 目前对尘埃等离子体的一些了解
近年来在对尘埃等离子体的研究中,人们发现了许多奇特现象,如尘埃晶格的形成[8]、单尘埃粒在鞘层中的非线性共振[9],尘埃晶格在磁场作用下的旋转[10]。在等离子体材料加工中产生的带电尘埃粒子会改变等离子体鞘层的结构,影响加工材料的性质，甚至对加工工件造成污染, 因此研究带电尘埃在等离子体鞘层中的分布具有重要意义。学者们对此做了许多研究工作, 如尘埃充电特性[11]、尘埃相互作用[12]、尘埃的悬浮[13]、尘埃的尾流效应[14]及尘埃晶格的特性[15]。为了较深入了解尘埃粒子在鞘层中的运动及分布特性,本文针对实验室等离子体发生器中的柱槽状电极粒子在鞘层中的分布结构, 并讨论了尘埃粒子数、尘埃的大小以及电极尺寸等对尘埃粒子分布的影响。用二文流体模型, 数值模拟了等离子体鞘层及尘埃。
图1.4 实验室二文柱槽状电极示意图
数值模拟区域如图1.5所示, 其中R= R2, z= z2是模拟空间的边界,而R1小于等于R 小于等于R2，0小于等于z小于等于z1电极区
图1.5 二文鞘层模拟空间示意图
1.3 论文工作的安排
第二部分介绍普通等离子体和尘埃等离子体的简要描述，简单介绍了普通等离子体和尘埃等离子体的基本概念、特征参数，并举例宇宙中的一些尘埃等离子体现象。从粒子大小，电荷数、德拜半径等方面介绍和比较普通等离子体和尘埃等离子体的区别。第三部分是对普通等离子体的特性的研究。介绍了普通等离子体的基本概念和特征参数。电荷屏蔽效应特征常数的意义。第四部分是对尘埃等离子体介电张量的研究。第五部分总结全文。
2 普通等离子体和尘埃等离子体的简要描述
2.1 普通等离子体的基本概念和特征参数
等离子体：当物质的温度从低到高变化时，物质将逐次经历固体、液体和气体三种状态，当温度进一步升高时，气体中的原子、分子将出现电离状态，形成电子、离子组成的体系，这种由大量带电粒子（有时还有中性颗粒）组成的体系便是等离子体。
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