掠入射磁场下的 Chodura 和 Debye 鞘层——动理学模拟

当非磁化等离子体与材料表面接触时，电子和离子之间迁移率的差异会产生一个称为 Debye 鞘层（DS）的非中性层。然而，在磁约束聚变装置中，开放的磁力线以近乎掠入射的角度与装置的结构部件相交。磁场倾向于使粒子流沿其自身的磁力线排列，从而抵消导致 DS 形成的机制。最近使用流体模型的研究 [P. Stangeby, Nucl. Fusion {\bf 52}, 083012 (2012)] 表明，当入射角小于一个临界值（对于类 ITER 参数约为 $5^\circ$）时，DS 消失。在此，我们通过在无碰撞和弱碰撞两种状态下对动理学模型进行数值模拟来研究这种转变。我们表明，在流体模型中观察到的主要特征得以保留：对于掠入射，壁面附近的空间电荷密度降低，离子流是亚音速的，并且电场和等离子体密度分布在几个离子拉莫尔半径的尺度上展开，而不是像非磁化情况下那样在几个 Debye 长度内。由于动理学模型中 DS 入口处没有奇点，这种现象平滑地依赖于磁场入射角，并且不会出现特定的临界角。模拟结果与流体模型的预测吻合良好，尽管存在一些差异，这主要归因于流体模型中假设了等温封闭和压强张量的对角性。