磁喷嘴中等离子体膨胀的全动力学模型

提出了一个自洽模型，用于执行磁化等离子体羽流的稳态全动力学粒子网格（Particle-in-Cell）模拟。基于能量的电子反射防止了与典型开放 outflow 边界相关的数值泵不稳定性，并被证明具有足够的普适性，使得羽流动力学和等离子体电势均表现出域无关性（在 4% 以内）。这由泊松方程上的非定常 Robin 型边界条件维持，该条件耦合到一个电容电路，允许瞬态中下游电势降的物理演化。该方法已针对实验进行验证，所得结果落在测量不确定度范围内。随后进行计算模拟，研究碰撞氙放电进入轴对称发散磁喷嘴。特别讨论了由羽流边缘电荷分离产生的势阱的识别、离子-中性电荷交换的作用，以及电子的三区域分段多方冷却区间。多方指数被证明依赖于磁化强度。具体而言，在推力器出口附近区域，由于电子-重粒子碰撞的跨场扩散，羽流弱磁化。下游发生近等温膨胀的强磁化区域。最后，在剥离区域，多方指数趋于更绝热的未磁化情形。随着磁喷嘴场强增加，平均多方指数发现 inferior limit 为 $\bar{\gamma}_e\sim1.16$。