斜入射非线性电离层Langmuir扰动的电磁波传播特性

基于广义Zakharov模型,结合斜入射等离子体的时域有限差分(FDTD)方法与双流体力学方程,通过由二维麦克斯韦方程等价转换的一维麦克斯韦方程,与等离子体流体力学方程建立了一个电磁波以不同角度入射电离层传播的数值模型.分析推导出TE_z波在斜入射非线性电离层等离子体的支配方程,然后推导了适用于计算电离层电磁波传播特性的FDTD算法.通过仿真来证明该方法在较小倾角下,电磁波对电离层加热形成Langmuir扰动及其传播特性的准确性和有效性.结果表明,在小角度入射下,大功率高频电磁波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了Langmuir波,同时波粒相互作用导致O波转换为Z波并向电离层更高区域传播.本文进一步研究了基于电离层等离子体的电磁波传播特性,为全面深入分析电离层Langmuir扰动对电离层电波传播特性影响奠定数值算法的基础.     

短管螺旋波放电中等离子体参数测量和模式转化研究

对长度为45 cm的短放电管螺旋波放电等离子体进行了Langmuir探针、原子发射光谱以及集成电荷耦合检测器(ICCD)检测诊断,研究螺旋波等离子体的放电特性.Langmuir探针数据显示电子密度在射频功率增加过程中出现两次大幅增长,由此确认了放电模式的转换及螺旋波放电模式的出现.发射光谱测量结果与Langmuir探针测量的电子密度数据一致,发现Ar原子和Ar离子的谱线强度与放电模式变化有着密切相关性.而通过对不同放电模式的ICCD测量,获得射频功率吸收因放电模式转变而变化的方式,认为放电模式转换时电子行为和能量传递方式也发生着变化.     

时变等离子体高功率微波频率上转换的粒子模拟

基于电磁波与时变介质相互作用能够实现电磁波频率上转换的原理,通过粒子模拟(PIC)方法对电磁波与时变等离子体薄层相互作用进行模拟,实现了频率由2.45 GHz提升至130 GHz,功率转化效率约为0.39%。探究了等离子体参数(包括等离子体密度、有限的等离子体上升时间以及等离子体薄层厚度)对频率上转换的影响。模拟结果验证了等离子体密度决定上转换频率,与理论结果相符。模拟结果表明,等离子体薄层厚度越大,得到的上转换波的能量越大;等离子体的上升时间越小,上转换波的转换效率和频谱纯度越高。采用等离子体密度21020 cm-3,等离子体厚度1 cm,等离子体上升时间0.04 ns 可以得到可观的130 GHz上转换波输出。     

电磁波在等离子体中的非线性吸收衰减

研究平面电磁波在等离子体中的非线性吸收衰减.首先应用电磁波在等离子体中传播的极化理论得到非线性介电函数,进而求出了考虑非线性情况下的波矢.采用垂直入射具有金属衬底的均匀等离子体模型,对不同入射频率的电磁波的衰减以及总出入射功率比进行了数值模拟.与只考虑线性情况的结果作了比较,结果显示非线性项在研究过程中所起的作用是不可忽视的.     

束—等离子体互作用产生的高功率微波辐射

相对论性电子束-等离子体装置是一种具有很大潜力的新型高功率微波源。本文对电子束密度与等离子体密度之比n_b/n_p≈0.01时,束-等离子体相互作用产生频率为ω_p的微波辐射过程进行了研究。利用线性和非线性(扎哈罗夫)色散关系,对存在的主要不稳定性进行了分析。着重推导了不稳定静电波转变为电磁波的参量衰变色散关系,由此得到了束-等离子体系统的辐射率。最后,对能量由电子束动能转移到等离子体波,再转变为电磁辐射和加热等离子体的过程建立了数理模型。     

电磁波与电离波面相互作用过程中的静磁场模和振荡电场

利用了匀速运动的均匀等离子体中电磁场的色散关系，对电磁波与由强激光驱动的运动电离波面的相互作用过程中出现的静磁模进行了研究，发现在特定的条件下振荡电场也会在该过程中出现，并确定了振荡电场产生的条件 关键词：     

强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向散射驱动光子加速机制

通过二维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向光子加速机制.该机制利用强激光在亚临界密度气体传输过程中的电离效应产生在纵向和横向上密度分布不均匀的电子等离子体.在纵向上,入射激光电离氦气产生一个陡峭的电子密度前沿分布.在密度前沿处,入射激光与电子等离子体波作用发生近前向散射.散射光频率较激光频率增大,在频谱中产生了第一个特征峰.在横向上,密度不均匀造成电子等离子体波具有不同的相速度并与入射激光相互作用,使入射激光发生近前向散射,在频谱中产生了第2个特征峰.由于密度分布的不均匀性较电子等离子体波的密度扰动大得多,因此基于微扰理论的散射模型和色散关系,如受激拉曼散射,无法解释频谱中两个特征峰的出现.进一步研究发现:在密度不均匀的情况下,入射激光、电子等离子体波和散射光三者之间仍满足动量和能量守恒的三波耦合关系.这能够解释两个特征峰对应的频率和强度增长过程.该研究对于强激光在亚临界密度气体传输过程中的频谱演化具有重要参考意义.     

激光等离子体相互作用的受激拉曼散射饱和效应

在激光等离子体相互作用过程中,受激拉曼散射（SRS）会通过Langmuir波衰减不稳定性（LDI）和电子俘获两种机理饱和.文章给出均匀一维等离子体和低强度非相对论激光作用中,LDI和电子俘获两种机理下的SRS饱和时间的解析表达式.SRS饱和时间与入射激光强度,电子密度,电子温度,初始电子密度微扰等参数有关.解析理论计算得到了与模拟和实验相符的结果. 关键词： 受激拉曼散射 饱和 Langmuir波衰变不稳定性（LDI） 电子俘获     

放电功率变化对电磁波在电感耦合闭式等离子体中的衰减特性

射频电感耦合等离子体(ICP)放电方式能够在较宽的压强范围内产生大面积、密度高的等离子体,在对电磁波衰减应用中具有较大优势。通过研究ICP等离子体与电磁波相互作用的过程,改进闭式等离子体模型,建立电磁波在非均匀等离子体中传播的分层计算模型,对实测诊断分布情形下等离子体与电磁波的相互作用进行研究,得到不同功率条件下电磁波衰减的变化情况;提出射频电感耦合闭式等离子体用于电磁波衰减的方法并实验验证,基于等离子体覆盖金属平板的测量模型,在实验室内搭建了以金属板为衬底的弓形微波反射测试系统,研究了闭式等离子体对4～8 GHz频段范围内微波反射的作用特性,以及不同射频功率对微波反射的影响规律,并将实验测量与计算结果进行对比分析。实验表明,通过功率调节,电感耦合闭式等离子体对5.92～6.8 GHz频带电磁波具有明显的衰减作用。     

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。     

Theoretical and Experimental Study of Scattering of a Plane Wave by an Inhomogeneous Plasma Sphere

Scattering of electromagnetic waves by an inhomogeneous plasma sphere has been studied theoretically and experimentally. The offset angles of electromagnetic waves caused by the plasma sphere have been observed experimentally. The effects of the electromagnetic wave frequency and plasma density on the offset angle are discussed. The plasma density is estimated with the offset angle.     

Electrostatic Waves in the Warm Magnetoplasma at the Cyclotron Harmonic Frequencies

Mode conversion and collisionless absorption of electromagnetic wave at the cyclotron harmonic frequencies in an inhomogeneous non-Maxwellian magnetoplasma have been studied. Under suitable energy transfer condition the converted electrostatic wave (plasma wave) either grows or damps. The expressions for the growth/damping rates of this wave have been derived and studied at the cyclotron harmonic frequencies. The effect of the temperature anisotropy on the growth/damping rate of the electrostatic wave at the second cyclotron harmonic frequency has been shown. Growth of such electrostatic waves at ionospheric heights may explain the observed upper hybrid resonance (UHR) echoes and noise bands at the second cyclotron harmonic frequency.     

Radiated Electromagnetic Waves in an Inhomogeneous Magnetoplasma near the Upper Hybrid Frequency

Properties of several plasma waves in a wavenumber space are investigated in a hot magnetized plasma. The properties are applied to investigate ray trajectories of radiated electromagnetic waves to an inhomogeneous plasma and mode conversion of the extraordinary mode into electrostatic cyclotron harmonic waves at the upper hybrid frequency layer. The wave fronts of the mode-converted cyclotron harmonie wave from the extraordinary wave are made clear. Furthermore, ray trajectories of radiated cyclotron harmonic waves and the mode-converted extraordinary mode are obtained.     

Plasma-maser interaction of langmuir wave with kinetic Alfvén wave turbulence

A theoretical study is made on the generation mechanism of Langmuir mode wave in the presence of kinetic Alfvén wave turbulence in a magnetized plasma on the basis of plasma-maser interaction. It is shown that a test high frequency Langmuir mode wave is unstable in the presence of low frequency kinetic Alfvén wave turbulence. The growth of the Langmuir wave occurs due to direct and polarization coupling terms. Because of the universal existence of the kinetic Alfvén waves in large scale plasmas, the results have potential importance in space and astrophysical radiation processes.     

磁化非均匀等离子体中模转换机制对电磁波吸收的数值研究

用数值方法研究磁化非均匀等离子体(磁场与密度梯度垂直)中模转换机制对p极化电磁波的吸收效应,重点考虑磁场对吸收率的影响,结果表明:与非磁化等离子体相比,磁场的加入使得吸收率曲线相对入射角的分布发生小的偏移,吸收率为零的位置不是发生在零度入射(即垂直入射)时.而是在一个负的入射角位置,垂直入射时有不为零的吸收率,且正角度范围与负角度范围的峰值吸收率不相等,磁场提高了正入射角范围内的峰值吸收率而降低了负角度范围内的峰值吸收率(或反过来,这取决于磁场方向).     

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提出碰撞吸收型等离子体的等效折射指数,重新计算了折射角,并与利用常规方法得到的折射角进行了比较。分析了等离子体密度和碰撞频率对折射角的影响。考察了斜入射电磁波在吸收型等离子体中的折射特性,并以一维非均匀碰撞吸收型等离子体为例,对斜入射电磁波的反射特性进行了考察。结果表明,等效折射指数的概念涵盖了入射角度的影响,在考察斜入射时更准确、便捷。     

Linear theory of plasma filled backward wave oscillator

An analytical and numerical study of backward wave oscillator (BWO) in linear regime is presented to get an insight into the excitation of electromagnetic waves as a result of the interaction of the relativistic electron beam with a slow wave structure. The effect of background plasma on the BWO instability is also presented.     

时空非均匀等离子体鞘套中太赫兹波的传播特性

高超声速飞行器再入地面的过程中,其周围等离子体的电子密度是非均匀且随时间变化的.对于不同的再入高度,飞行器周围的温度和压强也会发生改变.因此,研究电磁波在时空非均匀等离子体鞘套中的传播特性意义重大.首先建立了时变非均匀的等离子体鞘套模型,然后通过经验公式得到温度、压强与碰撞频率三者的关系.采用时域有限差分方法计算了太赫兹波段中不同电子密度弛豫时间、温度、压强时的反射系数、透射系数和吸收率.研究结果表明:在太赫兹波段中,电子密度的弛豫时间越长,温度越高,压强越大,电磁波越容易穿透等离子体;弛豫时间越短,温度越低,压强越小,等离子体对电磁波吸收率的变化越明显.这些结果为解决"黑障"问题提供了理论依据.     

Trapping of an electromagnetic wave by the boundary of created plasma

We discuss a new phenomenon of the electrodynamics of transient media, the trapping of electromagnetic radiation by the boundary of a transient plasma due to the conversion of the radiation into surface waves localized at the boundary. Calculations are done for an initial plane wave and for a beam of finite width in conditions where the boundary of the suddenly created (because of ionization) plasma half-space is perpendicular to the initial wavefront. Two frequency down-shifted surface waves traveling along the boundary in opposite directions are shown to be excited, as well as frequency up-shifted outgoing radiation and a time-independent mode in the form of a spatially inhomogeneous structure of dc currents and a magnetic field within the plasma half-space. We study the associated kinematic, amplitude, and energy relations. Finally, we establish that the most efficient trapping (up to 40% in energy) can be achieved with the forward (with respect to the direction of the initial wave propagation) surface mode and that the trapping is accompanied by concentration of electromagnetic energy at the plasma boundary. Zh. éksp. Teor. Fiz. 113, 1277–1288 (April 1998)     

电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强效应

为研究碰撞等离子体对电磁波传输性质的影响,基于电磁波在介质中的传输特性,将等离子体作为一种特殊的介质,针对一定实验条件下的高功率微波（HPM）大气等离子体与一定范围电磁波的透射特性开展了实验、理论及仿真研究。研究发现:S波段HPM在50 Pa真空下形成的等离子体对不同频率的电磁波透射特性具有较大影响,且在一定频率范围内有规律地出现电磁波透射信号增强效应现象;获取了一系列不同频率连续电磁波穿过HPM等离子体区域的透射波形,并对波形进行了归一化处理,在32.4 GHz下,连续电磁波穿过有无等离子体区域的透射系数约有2倍的差异。建立了仿真模型,获得31.5～32.5 GHz范围内透射系数分布曲线图,穿过等离子体的电磁波出现透射增强效应,且在某些频点上出现了约1.9倍的透射增强。该研究成果为HPM大气等离子体在隐身、应急通讯、黑障通讯等方面的应用提供了重要的技术支撑。