低温等离子体非平衡输运与主动调控
2025, 74 (20): 205206.
doi: 10.7498/aps.74.20251183
摘要 +
碳量子点作为一种新兴的零维碳基纳米材料, 因其优异的光电特性、良好的生物相容性和易于功能化等特性, 在生物医学、传感检测和LED照明等领域展现出巨大的应用潜力. 传统的水热、微波等合成方法通常面临反应条件苛刻、耗时长、能耗高且产物光学性能调控困难等问题. 等离子体电化学法, 通过等离子体与液体相互作用产生的高密度电子、离子、光子和反应活性自由基等活性物种与碳源分子进行反应, 可高效驱动碳量子点快速合成及改性. 等离子体电化学法具备温和的多反应参数可调的特性, 为碳量子点的合成和改性提供了全新的研究思路. 本文首先阐述了等离子体电化学法合成碳量子点的生长机理, 介绍该方法可通过调控多维参数实现对产物性能调控的独特优势. 随后介绍了基于等离子体的反应参数对碳量子点荧光量子产率和波长调控的研究进展. 最后, 展示了基于等离子体制备和改性的碳量子点在生物医学、光电器件, 以及pH传感等领域的应用进展及展望.
2025, 74 (20): 205201.
doi: 10.7498/aps.74.20250983
摘要 +
中性束注入是托卡马克装置中加热等离子体的主流辅助手段. 射频负氢离子源作为中性束注入系统的关键前端部件, 其性能直接影响中性束的质量. 目前, 提升负氢离子源性能仍是亟待深入研究的课题. 为此, 本文针对双驱动负氢离子源, 建立了一个三维流体模型, 用于模拟和优化表面产生机制下的负离子密度分布. 首先, 对比分析了体产生与表面产生两种机制下的等离子体参数, 结果表明表面产生机制获得的负离子密度比体产生机制高出1个数量级. 然而, 受过滤磁场影响, 引出区附近的负离子密度分布呈现不对称性. 为改善该不对称性, 在表面产生机制的基础上, 提出了两种优化方案: 1)在低密度侧增加射频源功率; 2)在扩散区引入隔板结构. 模拟结果显示, 两种方案均显著改善了负离子密度分布的对称性. 最后还提出了在扩散区背板添加磁屏蔽的方式来进一步优化负氢离子密度数值, 可以将扩散区下游的负离子密度提高69%.
2025, 74 (20): 205202.
doi: 10.7498/aps.74.20251129
摘要 +
利用机器学习技术开发了一种全新的实验诊断方法, 纯粹基于单颗粒的位置涨落信息, 实现了对二维尘埃等离子体屏蔽参数κ和耦合参数Γ等全局性质信息的准确诊断, 并通过模拟和实验数据有效验证. 为了训练、验证和测试神经网络模型, 针对二维尘埃等离子体系统, 本文实施了不同κ和Γ数值下数百组独立的朗之万动力学模拟, 以获取大量的单颗粒动力学数据. 为了验证该诊断方法的可行性, 设计了三种不同的卷积神经网络模型, 用于实现对该系统屏蔽参数κ的诊断. 分析结果显示, 这三种模型对κ诊断结果和设定值几乎一致, 均方根误差分别为0.081, 0.279和0.155, 表现达到预期. 而对实验数据, 诊断出的κ数值分布呈单峰分布, 且峰值位置与传统方法诊断出的κ数值高度一致. 在此基础上, 对该诊断方法进行了进一步的优化改进, 使其能同时确定二维尘埃等离子体系统的屏蔽参数κ和耦合参数Γ, 并通过模拟和实验数据确认其准确性. 本文设计的卷积神经网络, 其优异表现清楚地表明, 通过机器学习, 能够仅根据单颗粒动力学信息准确诊断尘埃等离子体系统的全局性质信息.
2025, 74 (20): 205203.
doi: 10.7498/aps.74.20251065
摘要 +
复杂等离子体是由电离气体与介观颗粒组成的非平衡复杂系统. 在微重力条件下, 颗粒克服重力沉降作用, 在放电空间形成三维复杂等离子体. 在国际空间站微重力实验载荷PK-4直流放电中, 先后注入两种直径分别为6.8 μm与3.4 μm的球形树脂颗粒, 在电场力、离子拖拽力的作用下, 大小颗粒通常无法在同一区域混合共存, 发生相分离. 在颗粒注入过程中, 小颗粒从大颗粒云中通过, 在不同条件下产生不同的非平衡自组织结构. 当大颗粒云密度较低时, 小颗粒在汤川排斥作用下, 在放电管中心形成穿越通道; 当大颗粒云密度中等时, 大小颗粒在穿越过程中各自形成行结构; 当大颗粒云密度较大时, 由双流不稳定性产生自激发尘埃声波, 此时, 小颗粒在穿越过程中与大颗粒相互作用, 与小颗粒进入前的尘埃声波参数相比, 波峰的颗粒密度显著上升, 然而波长与频率等宏观物理参数并没有发生明显的变化. 本研究系统总结了微重力条件下双分散复杂等离子体颗粒注入中的多种自组织过程与机理.
2025, 74 (20): 205204.
doi: 10.7498/aps.74.20251096
摘要 +
低气压射频感性放电可以产生更均匀的单分散颗粒和等离子体, 因此常被用于纳米器件制造中. 纳米器件制造需要产生纳米到亚微米尺度的颗粒. 由于其通常带负电荷, 会显著影响等离子体的放电特性. 本文主要研究了尘埃颗粒的尺度和密度对低气压感性耦合等离子体中电子反弹共振加热效应以及基本等离子体性质的影响. 模拟结果表明, 随着颗粒半径或密度的增大, 在电子能量概率函数中以形成平台为特征的反弹共振加热效应逐渐受到抑制并最终消失, 导致电子温度下降、电子密度上升、颗粒表面电势增大, 而颗粒带电量随着颗粒密度的增大而减小, 随着颗粒半径的增大呈现非单调变化. 本研究指出, 由于颗粒存在引发的高能电子的损失可能会为低缺陷、单分散纳米颗粒的生长创造更有利的环境. 颗粒质量的提升对降低纳米器件中的陷阱密度以及增强其电学性能具有重要意义.
2025, 74 (20): 209401.
doi: 10.7498/aps.74.20250788
摘要 +
以地面发射的高功率电磁波与电离层等离子体之间的相互作用为研究对象, 基于等离子体流体模型和Zakharov方法, 建立了用于描述地面泵波作用下电离层等离子体中波-波、波-粒相互作用的物理数学模型, 开展了电离层主动加热的数值模拟研究. 计算结果表明: 当地面发射的泵波在电离层等离子体中传播时, 反射高度处电磁波能量的沉积会产生较强的局部电场, 从而激发参量不稳定性过程; 当满足频率和波矢的匹配关系时, 会激发泵波、Langmuir波和离子声波三波相互作用的参量衰减不稳定性, 以及泵波、上混杂波和下混杂波三波相互作用的参量不稳定性; 在本文所研究的泵波频率和功率范围内, 泵波频率的降低会导致寻常波的反射高度降低, 且电子温度的扰动比例随着频率的降低而升高, 而泵波功率的增大则会导致等离子体从泵波中吸收的能量增大、电子温度升高. 本文数值模拟结果揭示了不同泵波参数对电离层等离子体特性时空演化的影响规律以及波-粒能量输运过程, 阐释了实验观察到的参量不稳定性和受激电磁辐射等的产生机制.
