电磁波与若干环境等离子体相互作用的研究

发布时间：2020-09-09 17:09

　　 电磁波与环境等离子体的相互作用是电磁场理论和等离子体物理的基本问题之一,是电气工程和等离子体物理的跨学科交叉应用,具有普遍性的科学意义,并直接影响着国民经济、科技进步、日常生活的方方面面。本文依托哈尔滨工业大学牵头建设的国家大科学工程“空间环境地面模拟装置”,针对大科学工程最为关注的国防和空间探索需求,研究了两种典型等离子体环境与电磁波的相互作用,分别是:高密度、强碰撞的“黑障”等离子体,和低密度、(几乎)无碰撞的磁层等离子体。这两种等离子体处于参数空间的不同边界,理论上具有很强的代表性。射频电磁波同“黑障”等离子体环境的相互作用是解决临近空间高超音速飞行器通讯“黑障”现象的关键物理问题,而近地空间等离子体环境中电磁扰动的激发和传播则关系到人造航天器的正常运转和通讯安全。因此,电磁波同临近/近地空间中环境等离子体的相互作用与国防安全和人们的生活息息相关,具有重要的理论价值和实际意义。本文从公开的飞行和地面实验数据及模拟结果出发,分析和讨论“黑障”等离子体环境的参数特征。基于这些特征,做出一系列“黑障”等离子体假设,建立“黑障”等离子体的双流体模型,进而将射频电磁波与“黑障”等离子体鞘套的相互作用抽象为电小偶极天线与亚波长等离子体薄层的相互作用,并建立了完整的数值模型。参考地面实验参数,在典型工况下对电小偶极天线同亚波长等离子体薄层的相互作用进行数值模拟,得到了与实验相一致的结果,验证了该模型的正确性和可靠性。通过分析模拟结果,给出电小偶极天线与等离子体鞘套相互作用的物理图像,并提出一种基于天线匹配层的电磁辐射增强方案。数值模拟结果表明,这种新的解决方案有望通过改善高超音速飞行器机载天线的匹配状况,增强电磁辐射穿透“黑障”等离子体鞘套的能力。结合电控可变介电常数的超材料,该方法对“黑障”等离子体环境的参数变化具有一定的适应性,能够方便地进行自适应控制。针对地球磁层中离子伯恩斯坦波同时涉及电子和质子动力学,时间和空间跨度比较大,难于进行理论求解和数值计算的问题,运用电子回旋动理学离子全动理学(Gyro-kinetic electron and Fully kinetic Ion,Ge Fi)方法对其进行研究,从而解决了线性色散关系求解器需要手工调参和全动理学计算效率较低的问题。通过在简化速度和质量比的情况下对线性色散关系求解器、全动理学模拟和Ge Fi模拟的结果进行对比,验证Ge Fi模型在研究地球磁层中离子伯恩斯坦波激发方面的能力。并通过进一步提高质量和速度比,确认线性理论对不稳定性线性增长率的预测。充分发挥Ge Fi在高质量和速度比方面的优势,揭示了离子伯恩斯坦不稳定性在非线性阶段的演化行为,而常用的线性理论和全动力学模拟是无法处理这一问题的。最后,针对离子伯恩斯坦不稳定性在大规模参数扫描中线性增长率诊断的需求,将二维非线性Ge Fi模拟进一步简化,提出一种通过一维线性扰动动理学模拟研究不稳定性线性增长率的自动化方法,并对比线性色散关系求解器得到的线性增长率和从线性扰动动理学模拟中诊断出的线性增长率。结果表明,新的线性增长率诊断方法准确度很高,并且计算量大大减小,对离子伯恩斯不稳定性而言是一种非常有效的研究手段。最后,通过应用这种方法得到离子伯恩斯坦波线性增长率对磁层环境等离子体中热离子分布函数的依赖。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O441.4;O53
【部分图文】：

第 1 章 绪 论第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究目的和意义等离子体是包含足够数量的非束缚态基本相互作用荷（比如电荷）的多粒子体系，被称作物质的第四态。地球大气以外宇宙空间之中有 90% 以上的可见物质是以等离子体的形态存在的。在地球大气中有电离层等离子体，在近地空间中有磁层等离子体，在日地空间中有太阳风等离子体，就连太阳本身也是等离子体。这些环境等离子体组成了人类赖以生存的空间环境。

图 1-2 Messiaen 的试验装置示意图[20]Fig.1-2 Schematic diagram of the experiment device used by Messiae体不存在时的 20 倍左右，辐射功率增益达到 400 倍。根据辐射电场强度达到最大值时等离子体频率于天线工作频率 12，即此时天线工作频率低于电子等离子体频率，但电体鞘套，并获得了增益，因此我们称之为“反常”增益现

图 1-2 Messiaen 的试验装置示意图[20]Fig.1-2 Schematic diagram of the experiment device used by Messiaen子体不存在时的 20 倍左右，辐射功率增益达到 400 倍。根据 M，辐射电场强度达到最大值时等离子体频率于天线工作频率比约为 12，即此时天线工作频率低于电子等离子体频率，但电磁辐子体鞘套，并获得了增益，因此我们称之为“反常”增益现象。

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本文编号：2815241