磁喷嘴等离子体膨胀中的碰撞与设施效应分析

提出了一个轴对称、准中性三流体模型，用于研究在存在来自等离子体源或作为均匀背景的中性粒子时，磁喷嘴中的等离子体膨胀。与其他模型不同，羽流中的电子冷却是通过将电子能量通量主要视为对流来实现的，无需假设任何反常电阻率。给出了电子高磁化极限下的解，其中电子主要量可沿磁力线积分。与中性粒子的电离、弹性和电荷交换碰撞不会改变等离子体膨胀的主要定性特征，这些特征已知于先前的无碰撞模型。电离增强了喷嘴中的等离子体流，并导致额外的电子冷却，从而降低了沿喷嘴的电势降。喷嘴的效率通过磁推力增益和羽流发散角来量化。讨论了电子流的两种边界条件：喷嘴喉部的局部电流双极性条件和外边界（即金属真空室壁）的全局无电流条件。后者被证明在物理上更可靠：它们通过塑造双极性电场引入腔室壁对等离子体膨胀的影响；它们允许外推到无扰动的自由空间条件；并且它们更接近实验趋势与背景压力的关系。