下载文档原格式
离子在电场中的运动规律电场是一种由电荷所产生的力场，它对于离子的运动具有重要影响。
离子在电场中的运动规律是电学中的基本概念，关乎电磁学、电化学、生物学等多个领域的研究。
在本文中，我将探讨离子在电场中的运动规律，并剖析其背后的物理机制。
首先，我们来看离子在均匀电场中的运动。
均匀电场是指在给定区域内电场强度大小保持不变的情况。
当离子进入这个电场时，它将受到电场力的作用，该力的大小与离子电荷的大小和电场强度有关。
根据库仑定律，电场力的大小和方向可以表示为：F = qE其中，F是电场力，q是离子电荷，E是电场强度。
这意味着离子在电场中将受到一个比例于其电荷大小的恒定力。
根据牛顿第二定律，力等于质量乘以加速度，我们可以得到离子的加速度与电场力成正比。
因此，离子在电场中将加速运动。
接下来，我将讨论离子在非均匀电场中的运动。
非均匀电场是指在给定区域内电场强度不均匀的情况。
当离子进入非均匀电场时，由于电场力在空间上的变化，离子将受到不同大小和方向的力。
这将导致离子的轨迹弯曲，使其在电场中发生偏转。
在非均匀电场中，离子的运动可以分为两个分量：在电场方向上的加速运动和垂直于电场方向的改变运动。
在电场方向上的运动是由电场力引起的，离子将受到恒定的加速度，并且速度将随时间线性增加。
然而，在垂直于电场方向上的运动中，离子将受到电场力和惯性力的共同作用。
这将导致离子的轨迹弯曲，并且离子将沿着曲线路径移动。
对于正电荷离子和负电荷离子来说，它们在非均匀电场中的运动是不同的。
正电荷离子的轨迹将向电场强度递减的方向偏转，而负电荷离子的轨迹将向电场强度递增的方向偏转。
这是由于正电荷离子受到电场力和惯性力的共同作用，而负电荷离子则受到电场力和反向的惯性力。
除了离子在静态电场中的运动规律，我们还需要考虑离子在变化的电场中的行为。
当电场的方向和强度发生变化时，离子将受到额外的力。
这将导致离子的加速度和速度发生变化，使其在电场中产生非线性运动。
中国科学院优秀博士学位论文（99篇）论文题目作者单位复杂疾病的分子网络模型研究王吉光数学与系统科学研究院平均曲率流的奇点分析及其应用孙俊数学与系统科学研究院拓扑绝缘体系统和一种新的Z2拓余睿物理研究所扑数的计算方法几种层状化合物的制备、结构和超郭建刚物理研究所导电性研究受限系统中量子相干传输和特殊石弢理论物理研究所凝聚体的光学性质纳米润湿中力电耦合的拓扑界面袁泉子力学研究所动力学冕洞内矢量磁场的分布和演化杨书红国家天文台新型混合工质的汽液和汽液液相董学强理化技术研究所平衡研究高性能有机单晶光电材料与器件江浪化学研究所的研究苯及苯酚绿色高效加氢反应的研刘会贞化学研究所究新型水溶性共轭聚合物的设计、合冯旭利化学研究所成及其在生物医药领域中的应用界面合成Janus纳米结构材料梁福鑫化学研究所功能纳米结构的Triton X-114调刘睿生态环境研究中心控构建和转移方法及环境污染物分离检测应用研究基于多糖的新型纳微药物载体：设魏炜过程工程研究所计、构建和应用基于地表温度-植被覆盖度特征空唐荣林地理科学与资源研究所间的地表蒸散发遥感反演方法研究新疆北山镁铁-超镁铁岩的成岩过苏本勋地质与地球物理研究所程、成矿作用及对东天山-北山构造演化与早二叠世地幔柱的制约基于COSMIC星群掩星观测的电何茂盛地质与地球物理研究所离层若干结构研究热带印度洋对西北太平洋和东亚胡开明大气物理研究所夏季气候的影响及其年代际变化内蒙古草原植物化学计量生态学庾强植物研究所研究密度制约对森林群落生物多样性陈磊植物研究所维持重要性研究胚胎干细胞与iPSC 的多能性研赵小阳动物研究所究局部生物运动信息的加工特异性王莉心理研究所及其功能Tudor结构域识别和结合甲基化刘海萍生物物理研究所精氨酸机制的结构生物学研究拟南芥中组蛋白甲基化动态调控陆发隆遗传与发育生物学研究所的分子机理研究稻属基因组多位点同源区域的比鲁非遗传与发育生物学研究所较分析数字集成电路时序偏差的在线检鄢贵海计算技术研究所测和容忍基于学习的视觉显著计算李甲计算技术研究所单模大功率低发散角光子晶体刘安金半导体研究所VCSEL研究星载TOPSAR模式研究徐伟电子学研究所视频中行为分析关键技术研究张天柱自动化研究所生物自发荧光三维断层成像方法刘凯自动化研究所研究新型铁基超导体探索及其线带材齐彦鹏电工研究所制备研究大气压空气中重复频率纳秒脉冲章程电工研究所气体放电特性的研究太阳定日镜的误差分析和聚光性郭明焕电工研究所能评价方法研究耦合化学间冷的化学链燃烧与甲张筱松工程热物理研究所醇重整氢电联产系统研究行星际扰动对地球空间环境的影李晖空间科学与应用研究中心响研究磁层-电离层大尺度电流体系研究唐斌斌空间科学与应用研究中心中国特色军民融合型国防战略设张兆垠中国科学院大学计与实现路径研究仿生智能单纳米通道的非对称设侯旭国家纳米科学中心计及研究基于第二代测序技术的宏基因组覃俊杰北京基因组研究所学研究方法和应用基于集成优化模型的软件成本估吴登生科技政策与管理科学研究所算及其风险分析整体柱和同位素标记技术在蛋白王方军大连化学物理研究所质组分析中的应用石墨烯的化学剥离法可控制备与吴忠帅金属研究所应用探索划伤对690TT合金腐蚀和应力腐孟凡江金属研究所蚀行为的影响聚合物膜离子选择性电极在生物丁家旺烟台海岸带研究所传感中的应用四极子DNA结构与功能研究及在李涛长春应用化学研究所传感分析和分子逻辑中应用功能微纳米材料的可控合成、组装郭少军长春应用化学研究所及相关的电催化和传感应用III-V族半导体纳米线生长机理与舒海波上海技术物理研究所性质调控的理论研究基于超短超强激光的离子加速与吉亮亮上海光学精密机械研究所极端光场产生纳米光电氧化物材料的设计制备吕旭杰上海硅酸盐研究所与太阳能应用研究新型有机小分子调控自吞噬的机夏宏光上海有机化学研究所制及其与肿瘤等重大疾病的关系硫肽类抗生素Thiostrepton生物廖日晶上海有机化学研究所合成机制的研究胚胎干细胞分化过程中起始性李滨忠上海生命科学研究院DNA甲基化发生机制的研究胆固醇吸收过程中新蛋白的鉴定葛亮上海生命科学研究院与作用机制研究β-Arrestin1与G蛋白偶联受体在岳锐上海生命科学研究院血液发育中的调控作用大脑皮层锥体神经元动作电位的胡文钦上海生命科学研究院爆发和传播机制Th2细胞高量表达分子ECM1和李振虎上海生命科学研究院Dec2的功能研究果蝇嗅觉环路中兴奋性中间神经黄菊上海生命科学研究院元的功能研究水稻全基因组遗传变异的鉴定和黄学辉上海生命科学研究院农艺性状的全基因组关联分析Calcineurin-NFAT信号通路在胚李翔上海生命科学研究院胎干细胞和胚胎中功能及机制的研究神经网络电活动长期增强调控突彭懿蓉上海生命科学研究院触稳态可塑性的分子机制基于聚磷酸酯的脑靶向给药系统张鹏程上海药物研究所研究新颖无机碘酸盐二阶非线性光学孙传福福建物质结构研究所材料的设计与合成过渡金属催化的脱羧交叉偶联反胡鹏福建物质结构研究所应和烯烃交叉偶联反应构建苯环的研究基于细胞膜表面电势的土壤重金汪鹏南京土壤研究所属生物有效性/毒性预测模型及其适用性研究等离子体技术合成碱性阴离子交胡觉合肥物质科学研究院换膜及机理研究多夹层盐矿油气储库水溶造腔夹施锡林武汉岩土力学研究所层垮塌机理与控制强激光场中原子分子阈上电离的康会鹏武汉物理与数学研究所实验研究基于朊蛋白自组装的多功能纳米门冬武汉病毒研究所线及超灵敏生物传感乌桕抵御昆虫策略研究黄伟武汉植物园南海低频内波之间的非线性相互谢晓辉南海海洋研究所作用华南尾叶桉人工林生态系统碳动吴建平华南植物园态和碳汇功能研究多孔介质中天然气水合物开采实李刚广州能源研究所验与数值模拟研究几类含氮杂环化合物的合成方法王洪根广州生物医药与健康研究院学研究基于表面等离子体亚波长金属结徐挺光电技术研究所构的纳米光学器件及光刻技术的应用基础研究基因组时代基因的分子进化分析吴东东昆明动物研究所探讨适应性进化机制西双版纳热带季节雨林生态系统谭正洪西双版纳热带植物园碳平衡汞矿区陆地生态系统硒对汞的生张华地球化学研究所物地球化学循环影响与制约聚星和星团中相接双星的观测与刘亮云南天文台研究物参共路干涉显微理论和实验研究郜鹏西安光学精密机械研究所黄土高原地区土壤干层的空间分布与影响因素王云强水土保持与生态环境研究中心HIRFL-CSR上A=2Z-1短寿命核质量测量涂小林近代物理研究所青藏高原及其东北缘晚第四纪环境演化：年代学与驱动机制隆浩青海盐湖研究所脉冲电子顺磁共振谱仪研制及应用荣星中国科学技术大学远程量子通信的实验研究金贤敏中国科学技术大学量子点光学性质的经验赝势计算龚明中国科学技术大学活动星系核窄铁Ka发射线和类星体吸收线系统中类银河系尘埃姜鹏中国科学技术大学纳米纤维宏观组装体的制备及功能化研究梁海伟中国科学技术大学基于新导向基拓展的Pd催化C-H键官能团化肖斌中国科学技术大学非稳态垂直无碰撞激波中的粒子加速杨忠炜中国科学技术大学中国中东部中生代埃达克质岩成刘盛遨中国科学技术大学因及高温镁同位素分馏的地球化学研究鱼腥蓝细菌异形细胞分化调控关赵梦溪中国科学技术大学键蛋白质的结构与调节机制研究二维流场中板状柔性体与流体相贾来兵中国科学技术大学互作用的研究基于激光干涉技术的微纳结构制黄金堂中国科学技术大学造研究太阳能有机朗肯循环中低温热发李晶中国科学技术大学电系统的数值优化及实验研究基于内容的图像搜索重排序研究田新梅中国科学技术大学基于决策理论的多智能体系统规吴锋中国科学技术大学划问题研究原位XAFS新方法及其功能材料姚涛中国科学技术大学动力学的研究生物电化学系统中的强化生物与刘贤伟中国科学技术大学化学催化。
离子加速器原理及应用离子加速器是一种能够产生高能离子束的装置，其工作原理是通过电场和磁场的相互作用来对离子进行加速。
离子加速器主要由引入系统、加速系统和束流出系统三部分组成。
离子加速器的引入系统主要用于将离子引入到加速器中。
通常采用的方法有电子轰击样品产生离子、离子源产生离子以及激光离子化产生离子等。
加速系统是离子加速器的核心部分，其目的是通过电场和磁场来加速离子。
其中，电场加速器可以分为直线加速器和环形加速器两种类型。
直线加速器是通过连续加速器段的电场来提高离子的能量，将离子加速到所需的能量；而环形加速器是在一个环形轨道上连续加速离子，并通过电场和磁场的作用来使其保持在轨道上。
对于高能离子加速器来说，通常采用环形加速器来实现。
束流出系统主要用于将加速后的离子束引出加速器，并进行相应的实验应用。
通常采用的方法有对撞机技术、束流引出技术以及束流探测技术等。
离子加速器的应用十分广泛。
首先，离子加速器在核物理研究领域有重要作用。
通过加速离子以极高的速度进行撞击实验，可以模拟宇宙大爆炸时的条件，并研究物质的起源和演化等核物理过程。
其次，离子加速器在材料科学和工程领域也有广泛应用。
通过改变离子束的能量和剂量，可以对材料进行改性和表征分析。
例如，通过离子注入技术可以增强材料的硬度和耐磨性，广泛应用于微电子器件和材料加工等领域。
此外，离子加速器还可以应用于医学领域。
利用离子束的高能量和较好的束流质量，可以用于肿瘤治疗。
具体地，通过将离子束聚焦到肿瘤部位，可以精确地杀灭癌细胞，减少对周围正常组织的损伤，提高治疗效果。
另外，离子加速器还可以用于文化遗产的保护和修复。
通过离子束技术，可以去除文物表面的污染物和腐蚀层，使其恢复原貌，并使用离子束进行修复和保护。
总之，离子加速器作为一种重要的科学实验和应用设备，其原理和应用涉及到多个领域，如核物理研究、材料科学和工程、医学和文化遗产保护等。
通过不断的研究和创新，离子加速器的应用前景将更加广阔。
激光等离子体加速机制研究综述1 研究现状随着激光技术的发展，激光强度不断增强，脉宽不断缩短，对激光等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。
激光与等离子体相互作用与激光的强度、波长、脉宽，等离子体状态参数（最主要是密度）密切相关。
随着激光强度变大，开始是线性响应，然后随着激光不断增强，非线性效应和相对论效应开始占主导。
当强度超过1018W/cm2电子的相对论效应必须考虑，加剧了理论研究难度但也催生了更多的物理现象产生。
比如非线性波跛、超高能粒子产生、相对论孤子和涡旋。
而根据等离子体的密度不同，激光与等离子体作用可以分为稀薄等离子体（同气体靶作用）和稠密等离子体（同液、固体作用）。
对于1微米的激光，能在等离子体中传播的临界密度是1.1×1021cm-3，介于气体密度与固液密度之间。
激光脉宽的减小使得激光等离子体相互作用出现新的物理现象。
fs级别的脉宽，对稀薄等离子体可以通过直接的LWFA来加速电子。
超短超强激光驱动电子等离子体加速电子，可获得能量高达1GeV、电荷接近1 n c、方向性优良、能散度小的高性能电子束，从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。
研究激光同等离子体如何作用及粒子加速的机制具有非常重要的意义与价值。
图1、激光强度在CPA技术突破后大幅增强首先，激光同等离子体作用的第一步是材料对激光的吸收，除了普通的逆轫致吸收和共振吸收，在高强度相对论激光还有很多吸收机制，比如真空加热，J×B加热，有质动力直接加速离子，鞘场加速等等，下面根据加速粒子不同逐一介绍各种加速机制1979年,Tajima和Dawson提出用强激光脉冲激发等离子体波来加速电子的机制，这就是直接激光尾场加速（LWFA）[1]，原理是超强超短激光脉冲在稀薄等离子体中传播时，纵向的非线性力——有质动力(F p=-q2▽a02/4mw2）将电子推开，共振激发出等离子体波（尾波场）。
离子加速试验的原理
离子加速试验（Ion Acceleration Test）是一种实验手段，用于研究离子在高能量下的行为。
其基本原理是通过电场或磁场的作用，将离子加速到高能量状态，然后观察离子在高能环境下的行为。
在离子加速试验中，通常使用离子加速器（Ion Accelerator）来加速离子。
离子加速器包括离子源（Ion Source）、加速器和束流线（Beam Line）三部分。
离子源产生离子，加速器加速离子，束流线将离子束送到实验室中进行实验。
离子加速器的加速原理一般有两种：一种是电场加速，另一种是磁场加速。
电场加速是利用电场力对离子进行加速，而磁场加速则是利用磁场力对离子进行加速。
在实验中，通过调节加速器的电场或磁场强度，可以将离子加速到不同的能量水平。
这些高能离子在与物质相互作用时，会产生一系列的物理效应，如电离、辐射、热化等。
利用这些效应，可以研究离子在高能环境下的行为，以及对物质的影响。
离子加速试验在物理学、材料科学、化学等领域有广泛的应用，可以用于研究材料的物理性质、表面和界面反应、生物分子的结构和功能等。
电子直线加速器中的离子束注入技术研究引言：离子束注入技术是一种重要的材料表面改性和光电子器件制备方法，也是电子直线加速器中的关键技术之一。
本文将对电子直线加速器中的离子束注入技术进行研究，包括其原理、应用和发展趋势等方面的内容。
一、离子束注入技术的原理离子束注入技术是一种利用电子直线加速器将离子束注入到材料的表面的技术。
其原理是通过加速器将离子加速到一定的能量，然后将加速后的离子束注入到待处理的材料表面。
注入过程中，离子束与材料表面发生相互作用，改变了材料的物理性质和化学性质。
离子束注入技术的核心是电子直线加速器。
电子直线加速器利用电场和磁场对离子进行加速，并控制其运动轨迹。
加速器的结构包括加速腔、电磁铁等组成部分。
加速腔中的电场和磁场能够将离子束加速并使其保持一定的轨道。
二、离子束注入技术的应用离子束注入技术在材料科学和电子器件制备方面有着广泛的应用。
以下是该技术的几个典型应用：1.材料表面改性离子束注入技术可以改变材料的表面性质，如硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。
通过注入特定能量和剂量的离子束，可以形成具有优异性能的表面层，提高材料的综合性能。
2.光电子器件制备离子束注入技术在光电子器件的制备中发挥着重要作用。
例如，利用离子束改变半导体材料的电子能带结构，可以制备出具有特定波长的发光二极管。
此外，离子束注入还可以用于光电子器件的表面微纳加工和器件局部退火。
3.生物医学领域离子束注入技术在生物医学领域也有着重要的应用。
通过将离子束注入到生物体组织中，可以改变其物理性质和表面性质。
离子束注入技术可以用于癌症治疗、组织修复和生物材料的改性等方面。
三、离子束注入技术的发展趋势离子束注入技术在过去几十年内得到了长足的发展，但仍存在一些挑战和改进的空间。
以下是离子束注入技术的发展趋势：1.提高注入效率目前，离子束注入技术的注入效率相对较低。
为了提高注入效率，需要进一步研究离子束的聚焦技术、束流的稳定性和注入点的控制等方面。
离子推进器原理离子推进器是一种利用离子动力学原理进行推进的航天推进系统。
它通过加速离子并将其排出以产生推力，从而推动航天器前进。
离子推进器的原理基于禄萨兰-塔纳效应，即利用电场和磁场对离子进行加速，产生推力。
离子推进器的工作原理相对于传统的化学推进器有着独特的优势，包括高速、高效、长寿命等特点，因此在航天领域有着广泛的应用前景。
离子推进器的工作原理主要包括离子产生、加速和排出三个步骤。
首先，离子产生是通过离子发生器将气体或液体转化为离子，通常采用电离或者电子轰击的方式将原子或分子中的一个或多个电子移除，从而形成带电的离子。
其次，加速阶段是通过电场和磁场对产生的离子进行加速，使其获得高速。
最后，排出阶段是将加速后的离子排出推进器，产生推力。
离子推进器的原理基于牛顿第三定律，即每个动作都有一个相等的反作用力。
当离子被排出时，它们会产生一个反向的推力，从而推动航天器向前。
由于离子的质量较小，因此相同的推力可以获得更高的速度，这也是离子推进器相对于化学推进器的优势之一。
离子推进器的工作原理还涉及到电场和磁场的作用。
电场可以加速带电粒子，而磁场可以对带电粒子进行偏转和控制。
通过合理设计和控制电场和磁场的方向和强度，可以实现对离子的高效加速和排出，从而获得理想的推进效果。
在实际应用中，离子推进器的原理需要结合工程技术和材料科学，以实现高效稳定的推进效果。
例如，需要设计高效的离子发生器、精密的加速器和排出系统，以及耐高温、耐腐蚀的材料。
同时，还需要考虑能源供应、热控制、推进器布局等多个方面的因素，以实现整个推进系统的可靠运行。
总的来说，离子推进器的原理基于离子动力学和电磁学原理，通过加速离子并将其排出以产生推力，从而推动航天器前进。
离子推进器相对于传统的化学推进器具有高速、高效、长寿命等优势，因此在航天领域有着广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，离子推进器的原理和技术也将不断完善，为人类探索宇宙提供更加强大的动力支持。
某种离子加速器的设计方案引言离子加速器是一种重要的粒子加速器，它利用电场和磁场来加速带电粒子，用于研究物质的结构、材料表征、粒子物理等领域。
本文将介绍某种离子加速器的设计方案，包括主要组成部分、工作原理和性能参数等内容。
设计方案主要组成部分某种离子加速器的主要组成部分包括：1.离子发生器：负责产生需要加速的离子束。
通常采用电离源将气体或固体样品转化为离子。
2.加速腔体：提供加速电场，将离子束加速到所需能量。
加速腔体通常由金属或陶瓷材料制成，内部包含电极和绝缘层。
3.磁铁系统：通过产生磁场，引导离子束沿着预设轨道运动。
磁铁系统通常由磁体和磁场调节装置组成。
4.汇流器：将被加速离子束聚焦到目标位置，汇流器通常由多个极片构成，通过调节极片电势来实现聚焦。
5.检测器：用于测量离子束的强度、能量和分布等参数。
工作原理某种离子加速器的工作原理如下：1.离子发生器产生离子束，通过电离源将气体或固体样品中的原子或分子转化为离子。
离子束从发生器进入加速腔体。
2.加速腔体内部设置正负电极，施加高频交变电源，并在电极之间产生强电场。
离子受到电场力的作用，加速到预先设定的能量。
3.磁铁系统产生磁场，在离子通道周围形成磁场轨道，使离子束按照预定的轨道运动。
磁场的强度和方向可以通过调节磁铁和磁场调节装置来控制。
4.离子束通过汇流器，汇流器的极片可以调节电势来控制离子束的聚焦效果，使离子束能够准确聚焦到目标位置。
5.离子束到达目标位置后，被检测器测量其强度、能量和分布等参数。
检测器可以是电离室、远离等离子分析器等设备。
性能参数某种离子加速器的性能参数包括：1.加速电场强度：加速腔体内的电场强度决定了离子的加速能力。
一般使用特定频率的高频交变电源来提供加速电场。
2.加速能量范围：离子加速器可以提供的最大加速能量和最小加速能量。
这取决于加速腔体的设计和电场强度。
3.能量分辨率：衡量离子束能量分辨能力的参数。
能量分辨率越高，离子束能够更精准地分辨不同能量的离子。
垂直激波条件下离子加速机制的研究1杨忠炜，陆全明，王水中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 (230026)E-mail ：qmlu@摘 要：利用一维全粒子模拟得到的垂直无碰撞激波的位形，通过试验粒子方法研究了不同初始能量的粒子在不同的激波位形下的加速机制。
通过将和激波相互作用的离子分成反射和直接穿过两类，发现只有被激波反射的离子可被激波明显加速，其中初始能量较小的反射离子通过激波冲浪机制加速，而初始能量较大的离子通过激波漂移加速机制加速。
同时离子被加速的情况还和激波的厚度有关。
关键词： 无碰撞激波，高能粒子，冲浪加速，漂移加速中图分类号： P354.41 引言太阳高能粒子事件(SEPS)往往会对空间探测器以及高纬地区的电磁设施造成危害，因而对其产生机制的研究具有重要的意义。
一般认为行星际激波是产生这种高能粒子事件的一种重要机制，并开展了大量的模拟研究[1,2,4,6,12,14,18]。
近二三十年来，人们相继提出了多种激波加速粒子的物理机制。
其中激波扩散加速机制[3]是目前公认的最有可能的一种机制，它最早是在阐述宇宙线的起源时被提出来的。
在这种机制中，离子通过等离子体波动的散射而来回多次穿过激波面，同时离子在激波上下游的反射点的距离不断变小，因此可不断加速而获得很高的能量。
这个条件在准平行激波情况下比较容易满足，因为准平行激波的波前和波后往往伴随着很多自身激发的等离子体波动，但在准垂直激波情况下这个条件则很难满足。
在准垂直激波条件下，离子必须具有相当大的初始速度才能在垂直磁场方向上有效地扩散，这样才能多次穿越激波面得到加速。
Webb 等人[22]给出了准垂直激波条件下激波扩散加速的最小临界速度，21/23(1)th uv ηγ=+ (1)其中γ是激波的压缩率，/c r ηλ=，λ表示离子沿磁场方向的平均扩散自由程，c r 是离子回旋半径，u 是激波的速度。
这个临界速度通常是太阳风速度sw v 的好几倍，很少有这样的离子存在。
一种可能的情况是存在某种预加速机制使得离子的速度增加到临界值以上，然后通过激波扩散加速机制加速到很高的能量。
目前认为最有可能的预加速机制有激波冲浪[19]和激波漂移加速[15]。
激波冲浪加速指的是上游的入射离子被激波面处的电势场反射回上游，然后在洛伦兹力的作用下再次返回激波面，如此往复多次之后，当离子的能量足够大，所受的洛伦兹力大于电场力时，它们将从激波的静电势阱中逃逸到下游的过程。
在这种加速机制下，离子最终的速度与它们的初始速度无关，而由激波位置处的电场和磁场大小决定。
在激波漂移加速机制中，离子在激波面由于磁场梯度漂移和曲率漂移的作用下，引导中心在感应电场E 感应方向会有一段位移∆r ，因而可获得E e ∆=⋅∆E r 感应的能量。
离子最终的速度与它们的初始速度1本课题得到国家自然科学基金项目（40725013，40674093）及教育部博士学科点专项科研基金（20060358025）资助。
有密切的关系。
本文利用全粒子模拟得到的垂直无碰撞激波的位形，通过试验粒子方法研究了不同初始能量的离子通过激波面而被加速时，激波冲浪和激波漂移加速在其中起的作用。
同时考虑了不同的激波位形的影响。
与以往研究不同的是，我们采用的激波位形是通过自恰的全粒子模拟得到的。
2 计算模型在本文中采用的一维垂直无碰撞激波的位形来自Hada 和Lembege 等人的全粒子模拟程序，该模拟将离子和电子都视为有质量的粒子，由电流驱动产生激波。
计算中，取网格距为∆，同时将空间区域分成两部分，左半部04096∆∼为真空，右半部40968192∆∆∼是激波模拟区域。
时间t 用1pe ω−标定，速度v 用pe ω∆标定，电场和磁场都用2/e pe m e ω∆标定，其中pe ω，e m ，和e 分别代表电子等离子体频率，电子质量和单位电荷。
一些参数的取值如下：光速3c =，离子和电子质量比/i e m m =84，离子和电子热速度分别为ti v =0.017和te v =0.2，离子回旋频率为0/ci i eB cm Ω==0.006。
激波上游的背景磁场沿z 方向，其大小为0B =1.5，激波上游的Alfven 速度为0.16A V =，e β=0.0355，i β=0.0225。
该计算在上游坐标系中进行，也即激波上游等离子体的平均速度为零，而激波波前向激波上游方向运动，其平均速度约为Alfven 速度的3.45倍。
图1为z 方向的磁场z B 随时间和空间的演化，可以发现在激波的前面会有波动产生，这些波动越来越强，直至超越原来的激波，成为新的激波面，这就是所谓的激波重构过程。
关于具体的细节可参阅文献[7,8,10,16]。
图1 激波磁场z B 的时空分布Fig.1 Space-time distribution of the magnetic field z B在本文中，我们选取了15521pe ω−和17441pe ω−两个不同时刻的激波位形，15521pe ω−时刻的激波是处在新激波面刚开始形成的阶段，而17741pe ω−时刻的激波则处在新激波面完全取代旧激波面的阶段。
固定这两个时刻的激波位形，通过试验粒子算法，考虑了不同能量的上游离子通过激波面时的加速机制。
在试验粒子计算的一开始，这些粒子放在上游远离激波面的0x 处。
同时由于我们在激波上游坐标系中进行计算，一开始这些离子的速度分布是球壳状的，不同能量离子的球壳半径不一样。
为了更好地分析离子的加速机制，我们将通过激波波前的离子分成反射(R)和直接穿过(DT)两大类，区分标准有两点：第一点是上游的离子可被激波面反射回到i x >ramp x 处，其中i x 代表离子在t 时刻的位置，ramp x 代表激波面斜坡（ramp ）在t 时刻的位置（ramp x 的位置定义为激波面处z B x ∂∂最大的地方）；第二点是离子返回到ramp x 时的速度大于激波波前的运动速度，即大于shock v 。
若这两点都满足，离子归类为反射（R ），反之，就是直接穿过的离子（DT ）。
3 计算结果3.1 15521pe ω−时刻激波位形条件下的离子加速图2描绘了15521pe ω−时刻激波切向磁场z B 、感应电场y E 和法向静电场x E 的空间分布，在此时刻，激波的传播速度是5.46A V ，激波面的斜波ramp x 在5359∆处，其厚度约为70∆（激波厚度定义为激波的过冲（over shoot ）到上游未受扰动处的距离[11,20,21]）。
在计算中试验粒子的数目是1000，一开始它们在5800∆处。
图3描绘了初始时刻速度空间中半径为3A V 的球壳状分布的粒子在相空间x x v −中的演化。
在激波上游，粒子在磁场作用下做回旋运动，其速度分布不会改变。
在这些粒子遇到激波后，一部分直接穿过激波到达下游，在图中用星点表示；其它被激波反射后离开激波面，并在上游磁场作用下后再次返回激波面，此时由于离子具有更大的动能而穿过激波面达到下游，在图中用圆点表示。
可以发现，对于直接穿过类型的离子仅在穿越激波面时被感应电场短暂地加速，同时被激波法向静电场减速而留在下游；再看反射类型的离子，它们除了在第一次反射过程中被感应电场加速外，还能在第二次返回激波面时继续被感应电场加速。
由于反射离子存在二次加速现象，所以它们到达下游后的能量远大于直接穿过类型的离子。
图2 15521pe ω−时刻激波磁场z B 和电场y E 、x E 的空间分布Fig 2 Spatial distribution of the magnetic field z B and Electric field y E at 15521pe ω−图3 初速为3A V 的球壳状速度分布离子在不同t 时的相空间x x v −分布Fig 3 Ion phase space x x v − at different times for ion initial velocity is 3A V图4给出了离子被激波面反射和直接穿过的百分比与初始球壳速度大小的关系，可以发现初速度约在0.4A V 以下的离子完全被激波反射，初速度从0.5A V 到1.0A V 之间的一段区域，离子反射和直接穿过的百分比保持一个相对稳定的值，而在球壳大于1.0A V 之后，直接穿过的离子数比例基本上与球壳大小成正比。
图4 离子被激波面反射和直接穿过的百分比与初始球壳速度大小的关系Fig 4 Relative percentage of R and DT ions as initial velocity varies图5描述了反射和直接穿过激波这两类离子达到的最大能量与初始球壳大小的关系。
图中的星点线表示直接穿过的离子所能达到的最大能量值，它们的值几乎和初始球壳大小没有关系，说明这些离子是由于激波冲浪机制加速；实心圆点线则表示反射的离子能达到的最大能量值，它们随初始球壳速度大小的变化需要分段讨论。
这是由于从0.5A V 到1.0A V 之间的一段区域，离子由于初速较小，离子加速由激波冲浪机制主导；而在球壳大于1.0A V 之后，发现离子的最大能量值与初始球壳速度近似成比例，说明对初速较大的离子，激波漂移加速发挥主要作用。
图5 反射和直接穿过激波这两类离子达到的最大平均能量与初始球壳大小的关系Fig 5 Maximum average energy gain for R and DT ions as initial velocity varies图6是两个典型的被激波反射的离子的运动轨迹，它们分别描述了冲浪和漂移加速的离子的轨迹（在激波坐标下）。
其中左图离子的整个加速过程在激波面内完成，并没有返回远离激波面的上游，属于典型的激波冲浪加速轨迹[E. L. Lever, et al, 2001, Figure3][15]；而右图中的离子在加速过程中离开激波面返回上游一段时间，并且离子的引导中心在感应电场上有较大的位移，这是典型的激波漂移加速[15]。
图6 两个典型的被激波反射的离子的运动轨迹Fig 6 The trajectory of two typical reflected ions3.2 17441pe ω−时刻激波位形条件下的离子加速下面通过改变激波位形来研究激波面厚度对离子加速的影响，图7中描绘的是17441peω−时刻激波切向磁场z B 、感应电场y E 和法向静电场x E 的空间分布，此时激波的传播速度为3.90A V ，激波面的斜波ramp x 在5537∆处，其厚度约为42∆。
在计算中试验粒子个数及初始位置与上面的例子一致，统计结果表明在这种激波面较窄并在激波面处伴有较大法向静电场的位形下，离子几乎完全被激波反射而捕获在上游和激波面之间。
