THz电磁波在时变非磁化等离子体中的传播特性研究

本文建立了时变非磁化等离子体平板的一维模型,并采用时域有限差分(FDTD)方法对太赫兹(THz)电磁波在时变等离子体中传播时的反射、透射系数及吸收率进行了计算.然后根据计算结果分析了时变等离子体的上升时间、电子密度、温度以及等离子体平板厚度等参数对不同频段THz波在等离子体中传播特性的影响.分析结果表明:THz波在时变等离子体中传播时,其反射系数受等离子体电子密度和上升时间的影响较大;而吸收率则随着上升时间的减小、电子密度及平板厚度的增加而增大;此外,THz电磁波能够穿透量级为1020m-3的高密度等离子体层,可以作为再入段飞行器通信以及高密度等离子体诊断的理想工具.     

等离子体中电磁波传输特性理论与实验研究

本文对35 GHz和96 GHz电磁波在等离子体中的传输特性进行了理论与实验研究, 得到了电磁波衰减随等离子体密度、碰撞频率和电磁波频率的变化规律. 等离子体密度增加一个数量级时, 电磁波衰减增加一个数量级; 随着等离子体碰撞频率的增加, 电磁波衰减先增加后减小; 随着电磁波频率的增加, 衰减下降. 以激波管为实验平台进行了电磁波在等离子体中传输特性的实验研究, 实验结果和理论结果吻合较好. 理论和实验结果均表明, 提高电磁波频率是解决黑障问题的有效途径.     

基于时域有限差分方法的时变等离子体传播特性

基于辅助微分方程的时域有限差分法对太赫兹波在时变等离子体中的麦克斯韦方程进行推导,利用本构关系建立了含有尘埃颗粒的时变等离子体模型,模拟了随时间变化的尘埃等离子体鞘的吸收系数,反射系数和传输系数.数值计算结果表明:电子密度的增长速度受上升时间的影响,导致等离子板的反射系数随上升时间的增加而减小.吸收系数的增加与减少上升时间和频率、增加电子密度和尘埃粒子密度有关;等离子板的厚度、尘埃粒子密度,电子密度与吸收系数成正比,当波的工作频率高达1 500GHz时,只有电子密度小于10~(20) m~(-3)才可以通过等离子板,等离子板的反射系数几乎不受碰撞频率小于3.5×1011 rad/s的影响.     

S—Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究

在感应耦合等离子体风洞上开展了等离子体中电磁波传输特性实验研究,获得了不同频率电磁波在等离子体中的传输衰减.通过微波诊断技术,获得了等离子体射流的电子数密度和碰撞频率.通过矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输特性测试系统,获得了电磁波经过等离子体之后的衰减,研究了电子数密度范围7.0×10~(10)-1.0×10~(13)cm~(-3)、等离子体碰撞频率在109 Hz量级的等离子体对2.6—40 GHz不同频率电磁波传输特性的影响,分析了经典传输理论和薄层理论预测结果与实验结果的差异.该实验工作为等离子体中电磁波传输特性的理论研究和数值仿真提供了基础数据.     

进气道内衬筒形等离子体隐身性能三维模拟

针对飞机进气道等离子体隐身问题,建立了三维筒形进气道模型,采用有限元求解波动方程,计算了腔体内壁覆盖均匀等离子体时的雷达散射截面。研究表明:腔体内覆盖等离子体时可以有效吸收入射电磁波能量;吸收随电磁波频率增加而减弱,但由于腔体结构作用,会存在几个吸收峰;吸收随电子数密度增加而增强,但电子数密度过高时,吸收效果会变差;最佳碰撞频率虽然与电磁波频率和电子数密度有关,但其值可约为9GHz;吸收随等离子体厚度增加而变大,但在较大电子数密度时,由于电磁波在等离子体与空气交界面处反射导致厚度增加,从而使得吸收变小;选取合适的入射角度和等离子体数密度可以在1~3GHz频段实现明显的隐身效果。     

磁化等离子体对平面电磁波吸收特性的数值研究与全波仿真

研究了平面电磁波在磁化、稳定、二维、非均匀等离子体中的传播特性;采用等效输入阻抗方法计算非均匀磁化等离子体层对不同模式入射电磁波的功率吸收情况。结果表明,电子数密度、碰撞频率和外磁场大小是等离子体对电磁波功率吸收的主要影响因素。采用等效介电常数的方法模拟等离子体特性,代入有限元软件进行平面电磁波入射等离子体仿真,得到了非寻常波与右旋极化波的吸收特性。根据数值计算和全波仿真结果可知,当等离子体密度为1017 m-3、碰撞频率2.5 GHz、外加磁场的磁感应强度为0.15 T时,磁化等离子体对电磁波有强烈的吸收特性。     

不均匀等离子体中电磁波与Langmuir波的相互作用

通过理论研究与数值计算,不均匀等离子体中Langmuir波与电磁波的相互作用及其线性模式转换规律得到了充分的展示.导出了不均匀等离子体中的电磁色散关系,研究了入射电磁波或Langmuir波在通过不均匀等离子体的过程中发生转换的物理过程,以及波的传播矢量随空间坐标变化的关系,并对电磁波与Langmuir波相互作用的机理进行了讨论.研究结果对密度梯度所驱动的等离子体波产生电磁辐射的研究具有重要意义. 关键词： 电磁波 Langmuir波 不均匀等离子体 线性模式转换     

均匀磁化等离子体与雷达波相互作用的数值分析

采用平板几何对不同磁场强度下等离子体对电磁波的吸收、反射和透射特性进行了数值分析.结果表明,不同磁场可以显著改变等离子体对不同频率的雷达波的吸收和反射特性.当雷达波频率接近等离子体高混杂频率时,磁化等离子体将对该波产生强的共振吸收,带宽在2GHz左右,吸收比可达90%以上.因此,通过适当调整磁场强度、等离子体密度和碰撞频率,可实现较宽雷达波段的等离子体隐身 关键词： 电磁波 磁化等离子体 共振吸收 等离子体隐身     

时变磁化等离子体光子晶体的禁带特性

采用磁化等离子体的分段线形电流密度卷积(Piecewise Linear Current Density Recursive Convolution,PLCDRC)时域有限差分(Finite-Different Time-Domain, FDTD)算法研究了一维时变磁化等离子体光子晶体的禁带特性。以高斯脉冲为激励源,用算法公式所得的电磁波透射系数来讨论了等离子体上升时间、密度、周期常数对其禁带特性的影响。结果表明,改变等离子体上升时间和密度可以实现对禁带的控制。     

等离子体鞘层中电磁传输特性的数值仿真和实验验证

采用Z变换时域有限差分(Z-FDTD)数值模拟方法,研究了电磁波在非均匀等离子体中的传输特性。在此基础上,对L波段(1.575GHz)电磁波,在等离子峰值密度为1011/cm3且沿径向呈Bessel函数分布的柱形等离子体源下,进行了2,4,6,8,10cm厚度下的传输特性实验,得到电磁波衰减分别为9,15.8,24.9,36.4,45.5dB,并与仿真结果对比,吻合良好。     

大功率太赫兹返波管振荡器设计北大核心CSCD

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器,通过对慢波结构的精心设计,使电子束动能得到充分提取,实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280keV和320A的条件下,当引导磁场强度为3T时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为121.8GHz、功率为13MW的太赫兹波输出,器件的束波转换效率约为14.5%。     

Application of the Gyrotron FU II Submillimeter Wave Radiation Source to Plasma Scattering Measurements

Gyrotron FU II has been successfully applied as a submillimeter wave radiation source to plasma scattering measurements on the Compact Helical System (CHS) in National Institute for Fusion Science (NIFS) in Japan. The gyrotron operates in a long pulse mode (the pulse width is about 600 ms) at a frequency of about 350 GHz (the corresponding wavelength is 0.85 mm). The output power is about 110 W. The output power is transmitted along a circular waveguide system and converted to a Gaussian-like beam by a quasi-optical antenna. After that, the beam is directed onto the CHS plasma and the scattered signal is detected by a homodyne detection system. The frequency and the wave number of the scattered signal are analyzed. The results suggest that a broad band low frequency (several tens to several hundreds kHz) density fluctuation is excited in the CHS plasma only during neutral beam injection (NBI) or ion cyclotron resonance (ICR) heating.     

Numerical analysis of the reflection and absorption of electromagnetic wave in nonuniform magnetized plasma slab

In this paper, a model for calculating the reflection and absorption powers of electromagnetic wave (EM wave) in nonuniform magnetized plasma slab is given out based on layer propagation theory. The effects of various plasma parameters and different values of magnetic field intensity on the reflected and absorbed powers are discussed. The results illustrate that the thickness of plasma seldom affects the reflection of radar wave, but it can broaden or reduce the absorption width. Meanwhile, the background magnetic field intensity has an influence upon the results, and it could change the resonance spectrum of magnetized plasma. We also find out that, with appropriate plasma density, collision frequency and magnetic field intensity, more than 90% of radar wave power can be absorbed and the resonant absorption band is about 2 GHz.     

磁化碰撞等离子体对雷达波的共振吸收

使用平板几何对雷达工作频段的电磁波在磁化碰撞等离子体中的传播作了数值计算,计算结果表明,在均匀等离子体中,当等离子体碰撞频率f∞=0.1,0.5,1GHz及电磁波频率接近高混杂频率时,电磁波衰减和被吸收功率出现最大峰值,即出现共振吸收;当fen=1,10GHz时,电磁波衰减、被吸收功率和透射功率曲线变得很平坦;衰减和吸收功率随等离子体密度的增大而增大,在n=10^11cm^-3时,衰减可达100dB,吸收比可达80％。在非均匀等离子体中,电磁波的反射功率峰值比在均匀等离子体中大。因此,磁化均匀等郭了体更有利于等离子体隐身。     

Experimental investigation of backward wave oscillator with low magnetic field

A backward wave oscillator (BWO) is introduced in the paper. On the accelerator of Simus-700,it is experimentally investigated. Under the condition that the electron energy is 740 keV, the beam current is 7 kA and the guiding magnetic field is at 0.68 T, the performance of 1.15 GW microwave output power at 9.1 GHz microwave frequency with 22 ns pulse width and 22% conversion efficiency are reached.     

磁压对级联爆磁压缩脉冲发生器性能的影响

为了研究负载为mH量级的间接馈电两级级联柱-锥构型的爆磁压缩产生器的基本物理过程和能量转换机理，利用描述爆磁压缩物理过程的2维爆轰磁流体力学程序MFCG(Ⅴ)，以实验模型结构参数为基础模拟计算了一系列模型，分析了磁压对金属套筒径向膨胀速度及膨胀过程的影响。计算结果表明:套筒的径向膨胀速度取决于爆轰压与磁压的共同作用，在爆磁压缩过程的绝大部分时间里，向外膨胀的爆轰压都远大于向内压缩的磁压，因而套筒的径向膨胀速度主要是由爆轰压决定;但是在功率放大级的后半段，也就是发生器电流增长最快阶段，磁压也迅速增长，它的增长大大降低了套筒的径向膨胀速度；在功率放大级的后期，磁压已经超过爆轰压，它对系统设计的影响已经不能完全忽略。     

全固态脉冲功率源驱动Ka波段相对论返波管振荡器

利用基于SOS的固态脉冲功率源进行了Ka波段相对论返波管振荡器(RBWO)的实验研究。该固态脉冲功率源工作电压200~360 kV,工作电流约2.6 kA,脉宽约20 ns,脉冲上升前沿约9 ns。SOS固态脉冲功率源驱动Ka波段BWO的实验结果为:微波频率36~38 GHz,脉宽约10 ns,峰值功率约50 MW,重复频率10 Hz。     

等离子体对高功率微波的防护

提出了用等离子体防护高功率微波破坏电子设备的方法。建立了“介质层-等离子体层-介质层-等离子体层”的反射/吸收模型,其中两层均匀非磁化等离子体厚度各为50mm,等离子体频率为30GHz,等离子碰撞频率为70GHz。计算了微波的透射功率、防护结构的最小防护距离。计算结果表明：对功率10GW、脉冲宽度100ns、天线100m² (效率50%)的微波源产生的微波,频率小于30GHz时,将被防护装置反射;频率为31～80GHz时,防护结构的最小防护距离约为5km。     

Promising source of high-power broadband microwave pulses with radiation frequency variable up to two octaves

Using a numerical model, we propose a source of microwave pulses, based on the interaction of a high-current relativistic electron beam with plasma. The source is an intrinsic noise amplifier with a pulse duration shorter than 3 ns, which does not permit the emergence of feedback and self-excited generation. The wave gain factor depending on the plasma concentration makes it possible to control the radiation frequency in the range 4–17 GHz, within which a spectral width of ～2 GHz, a power of ～150 MW, and an energy efficiency up to 15% are preserved. The possibility of using the available small-size source of high-voltage pulses with a high repetition rate is considered.     

时变磁化等离子体的LTJEC-FDTD方法研究

基于拉普拉斯变换的电流密度卷积技术（LTJEC）,构造了时变磁化等离子体的新型时域有限差分方法（LTJEC-FDTD）。借助于高斯脉冲在磁化等离子体中的传播实例,验证了LTJEC-FDTD算法的准确性及高效性。进一步,研究了Whistler波在一维时变磁化等离子体中的具体传播特性。结果表明,当离子体频率随时间指数衰减后,输出波的频率上升、极化方式不变,而电场增强、磁场减弱。同时,通过优化磁化等离子体参数,可进一步提高Whistler波的输出频率,获得了频率为300 GHz的圆极化太赫兹波。研究结果可为利用磁化等离子体产生太赫兹波源提供相关的技术支持。