尘埃等离子体动力学及电磁特性研究

发布时间：2019-07-24 14:47

【摘要】：尘埃等离子体是指含有大量带电尘埃颗粒的等离子体系统,对许多科学和技术领域的发展具有重要的科学意义和潜在的应用价值,是多学科交叉的重要前沿方向。尽管科学界在尘埃等离子体物理方面开展了大量的理论与实验研究工作,对尘埃等离子体的物理特性有了基本的理解,但到目前为止,人们对尘埃等离子体的一些动力学过程认识还相当有限,对其电磁特性问题研究涉及的更少。鉴于此,本论文瞄准这些前沿科学问题,以等离子体物理和复杂介质电磁波传播理论为基础,研究了尘埃颗粒与等离子体相互作用机理与过程,建立了描述尘埃等离子电磁特性的物理模型,并开展了部分与此相关的实验研究,主要研究内容包括如下几个方面:利用现有的球形颗粒轨道充电物理模型,研究了等离子体对尘埃颗粒的充放电作用,在此基础上重点研究等离子体中电子和离子对尘埃颗粒的充放电作用而引起的库仑弹性碰撞动力学过程以及中性分子的存在对带电粒子之间相互作用的影响,系统给出了带电尘埃颗粒的存在对等离子体中电子和离子运动影响的规律。从传统的等离子体玻尔兹曼动理论方程出发,开展了尘埃等离子体电磁参量的模型研究,提出了描述尘埃等离子体电磁特性的新理论和新方法,分别给出不同条件下的各向同性尘埃等离子体介电系数的理论表达式,同时利用经典的磁化强度运动方程理论推导了尘埃等离子体磁化率,给出掺杂磁性尘埃颗粒的等离子体的磁导率表达式。利用尘埃等离子体介电系数表达式,开展了高频电磁波在尘埃等离子体中传播的理论与实验研究,重点研究尘埃等离子体对高频电磁波吸收,并讨论了尘埃尺寸,密度对高频电磁波吸收峰值和吸收频带的影响。利用已有的地面尘埃等离子体实验装置,开展了尘埃等离子体对电磁波的吸收实验,验证了理论的合理性。给出理想条件下的尘埃等离子体非相干散射理论谱理论计算公式,在此基础上讨论尘埃尺寸、温度和密度对非相干散射谱线的影响,获得了尘埃等离子体非相干散射功率谱的基本物理规律。研究了极区夏季中层顶尘埃等离子体异常分层结构形成的动力学成因,利用流体力学和大气动力学方程组构建了相应的物理模型,并利用数值方法模拟了带电尘埃颗粒在大气重力波扰动下形成分层结构的动力学演化过程,同时结合已有的历史火箭探空数据和雷达观测数据对本文的理论模型进行检验。对数值模拟结果与实验观测数据进行比较,再现或解释许多观测到的现象,论证理论模型的可靠性,为极区夏季中层雷达回波背后形成的物理机制奠定坚实的理论基础。
【图文】：

体相互作用形成的天然尘埃等离子体云对高频电波散射产生异回波现象(PMSE：Polar Mesosphere Summer Echoes)，如图 1-1 所雷达回波功率强、持续时间长，频率范围宽，对该地区卫星导航等空间技术系统产生了严重的影响，PMSE 现象以及相关的尘埃受到欧洲等许多重要国家的高度重视和响应，除了大量的地基雷，美国还专门发射了一颗中层大气高空冰晶探测卫星进行观测于传统的等离子体电磁波反射和散射理论都不能准确的描述 率和异常的功率谱特征，导致 PMSE 现象一直是等离子体物理学、无线电物理学界讨论的热点和难点问题[17-19]。事实上，PM子体与电磁波相互作用产生的一种特殊现象，它的产生与极区夏等离子体精细分层结构以及特殊的电磁特性紧密相关。但是要成的物理成因还存在许多的难点，主要表现在对极区中层顶尘埃分层结构形成背后的动力学成因还缺乏深入的理解，尘埃等离子相互作用机理也认识不是很清楚。因此，开展尘埃等离子体的电关的动力学过程研究对 PMSE 形成机制的理解具有重要的科学

图 1-2 旅行者飞船拍下的土星环中辐条状尘埃颗粒[11]Fig.1-2 Dust in the Saturn's rings werephotographed by the travelers' spacecraft图 1-3 等离子辅助半导体芯片制造的尘埃污染[27]Fig.1-3 Semiconductor chip fabrication iscontaminated by dust目前以尘埃等离子体为主要研究对象的复杂等离子体物理研究已经有半个多世纪的研究历程。前期的研究大多集中在尘埃等离子体波动特性方面，其中标志性的成果是 20世纪90年代低频尘埃声波理论的提出和不同实验室尘埃晶格的发现，这些研究进展一定程度上推动了尘埃等离子体物理理论以及相关的实验室实验研究。由于尘埃加入等离子体中会被充电，变成带电颗粒，这些高电荷、大质量的带电颗粒将独特的电势结构和一种缓慢的时间尺度引入到等离子体动力学过程中，改变了传统等离子体中长程库仑力的大小，影响了整个等离子体的物理特性，也导致尘埃等离子体中出现了许多普通等离子体没有的复杂动力学过程，包括成核动力学、不稳定性波模、若干非线性结构现象等等。尘埃等离子体中的集体波动与不稳定的研究是最近二十年来最活跃的研究领域，，等离子体中尘埃颗粒的存在会对普通等离子体中的集体波动产生强烈的影响，这些影响可以大致归为两种：一种是尘埃自身的运动激发起极低频的
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O53

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘金远;陈龙;王丰;王楠;段萍;;聚变等离子体中尘埃杂质的带电和运动特性及温度变化研究[J];物理学报;2010年12期

2 李中元;空间尘埃动力学的研究动向[J];天文学进展;2001年02期

3 赵晓云;张丙开;张开银;;两种带电尘埃颗粒的等离子体鞘层玻姆判据[J];物理学报;2013年17期

4 田地;;终身相随说尘埃[J];科学24小时;2007年Z1期

5 shea;星际汉堡包[J];太空探索;2002年11期

6 石志东,李中元;空间尘埃等离子体中尘粒电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响[J];空间科学学报;1997年04期

7 ;太阳系周围的尘埃迹象[J];中国科技月报;1998年06期

8 龚璇;章桥新;侯冬云;;新型厘米波双层球形微粒电磁特性研究[J];微波学报;2010年02期

9 马鑫;万国宾;王威;万伟;;频率选择表面电磁特性的多元自适应采样分析[J];电波科学学报;2012年04期

10 曹茂盛;李文彬;秦世明;;电介质层电磁特性的研究[J];纺织基础科学学报;1992年01期

相关会议论文 前4条

1 李中元;李嘉巍;陈耀;石志东;;空间尘埃等离子体动力学的某些特征讨论[A];第十一届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2005年

2 李中元;李嘉巍;陈耀;段素平;石志东;;空间尘埃等离子体的某些数值计算和特征分析[A];第十届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2003年

3 颜则东;柏树;姚日剑;杨生胜;王先荣;;深空微小尘埃探测[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年

4 朱忠奎;郭文瑾;叶自煜;;火星尘埃探测器[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年

相关重要报纸文章 前1条

1 易林;从慧星上寻找生命的起源[N];中国航天报;2004年

相关博士学位论文 前8条

1 李辉;尘埃等离子体动力学及电磁特性研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

2 胡祖权;尘埃空洞及极地中层夏季回声的有关理论研究[D];中国科学技术大学;2011年

3 甘宝霞;电负性尘埃等离子体中尘埃颗粒的振荡、晶格波和稳态尘埃空洞[D];中国科学技术大学;2008年

4 贡婧宇;幂律分布非平衡尘埃等离子体中的充电过程及尘埃声波[D];天津大学;2012年

5 陈宗华;非平衡分布等离子体中调制坍塌动力学研究[D];南昌大学;2017年

6 高瑞林;同轴网格空心阴极等离子体诊断及微波传输特性研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

7 俞建阳;DBD等离子体诱导涡结构控制附面层流动研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

8 张连成;等离子体震源电声特性及深拖研究[D];浙江大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 钟西鹃;尘埃充电时双温电子对尘埃等离子体中波的影响[D];南昌大学;2015年

2 罗荣祥;尘埃等离子体中非经典特性对尘埃模的影响[D];南昌大学;2015年

3 谢子娟;电磁场对尘埃等离子体空洞特性的调控[D];哈尔滨工业大学;2014年

4 林麦麦;尘埃颗粒大小分布对尘埃等离子体集体行为影响的研究[D];西北师范大学;2005年

5 刘金宁;地球空间尘埃等离子体的轨道运动研究[D];兰州大学;2008年

6 魏南霞;有界空间中放电尘埃等离子体稳定性的研究[D];西北师范大学;2007年

7 田世玲;尘埃等离子体中集体激发的研究[D];西北师范大学;2009年

8 崔利娟;一维尘埃晶格链中的能隙及杂质能级[D];大连理工大学;2007年

9 林霖;尘埃等离子体晶格波[D];大连理工大学;2006年

10 李良;常压低温等离子体处理织物及其放电特性研究[D];东华大学;2017年

本文编号：2518698