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尘埃等离子体也叫做复杂等离子体,它是一种由亚微米到微米量级的尘埃颗粒沉浸在电离气体中组成的复杂系统。尘埃等离子体广泛的存在于星际空间和实验室各种气体放电实验中,人们可以直接用肉眼观察到尘埃颗粒的运动。近些年来,全世界范围内对尘埃等离子体的研究呈现出稳定的增长趋势。但是人们关注尘埃等离子体的目的却不尽相同。在磁约束核聚变和半导体芯片加工领域,人们研究尘埃等离子体的目的是要避免其在实验和加工过程中产生的负面效应。然而在星际空间中和实验室条件下,尘埃颗粒的存在却经常给人们带来新奇的物理现象,马赫锥就是其中比较有代表性的现象之一。
本文旨在研究二维尘埃等离子体中的马赫锥现象。首先,我们在第二章中利用流体模型和准局域电荷近似(QLCA)模型模拟了运动的试探粒子与二维尘埃等离子体之间的相互作用过程,研究试探粒子运动在二维尘埃等离子体中产生的“V”型马赫锥的特性,同时也研究了试探粒子在飞行过程中的损失能量,特别是研究了尘埃等离子体的强耦合效应、放电气压及试探粒子的飞行高度对试探粒子能量损失的影响。发现随着耦合常数的增加,试探粒子的能量损失明显地增加。另外我们还发现,当入射粒子和尘埃层之间耦合比较弱的时候,QLCA模型和分子动力学模型吻合的很好。
其次,在第三章中,我们利用流体模型理论来研究外磁场对激光诱导二维尘埃等离子体中马赫锥现象的影响。数值模拟结果表明,尘埃扰动密度的马赫锥图像呈现出非对称现象,这是由于一个垂直于尘埃平面的外磁场对带电的尘埃颗粒产生的洛仑兹力而导致的。结果还发现这种非对称现象不仅存在于超声速情况下,也存在于亚声速情况下。特当马赫数较小的时候,磁场对马赫锥的影响较大。