磁加速等离子体激励器激励特性

为了增强等离子体激励器的扰动能力、提升等离子体气动激励的控制效果,采用高压探针、烟流显示和PIV流场测试等多种研究手段,开展了磁场加速等离子体激励器特性研究,获得了激励器不同时刻的放电图像,分析了磁场强度对激励器电学特性与诱导流场特性的影响规律.结果表明,（1）放电等离子体的定向运动速度与磁场强度成正比,磁加速等离子体的最大移动速度达到了6 m/s;（2）通过对不同剖面的诱导流场进行研究发现,磁场加速等离子体激励器能够在近壁区产生一系列涡结构.此外,该诱导流场具有显著的三维特征与非定常特性.研究结果为开展基于磁加速等离子体气动激励的流动控制奠定了基础.      

磁化等离子体光子晶体的FDTD分析

磁化等离子体光子晶体是磁化等离子体和介质(真空)构成的人工周期性结构.本文用磁化等离子体的分段线形电流密度卷积(PLCDRC)时域有限差分(FDTD)算法分析了磁化等离子体光子晶体特性.分析了磁化等离子体参数对电磁带隙的影响.从时域的角度分析了高斯脉冲在磁化等离子体光子晶体中的传播过程，给出了时域反射和透射波形.从频域的角度给出了磁化等离子体光子晶体的电磁反射系数和透射系数，并对结果进行了分析. 关键词： 磁化等离子体 光子晶体 时域有限差分法     

对称式布局介质阻挡放电等离子体激励器诱导启动涡

为了进一步提高等离子体激励器控制能力,采用粒子图像测速仪技术,以介质阻挡放电等离子体激励器为研究对象,开展了有、无来流条件下等离子体诱导启动涡的实验研究,获得了来流对启动涡发展演化及生存时间的影响.与传统非对称布局介质阻挡放电等离子体激励器相比,本文采用整个平板金属模型作为植入电极的对称布局方式开展研究.在金属模型表面粘贴聚酰亚胺胶带作为绝缘介质.将铜箔作为暴露电极沿平板展向布置,使激励器诱导气流沿流向方向.研究结果表明:对称布局式激励器会在暴露电极两侧产生一对方向相反的启动涡.在顺流向方向,来流加速了启动涡的破碎;在逆来流方向,来流延长了启动涡的生存时间,从而增加了激励器的掺混能力.该布局激励器具有掺混及射流效应两种能力,为提高等离子体激励器在高风速或高雷诺数下的控制效果积累了技术基础.     

等离子体光子晶体的FDTD分析

等离子体光子晶体是等离子体和介质（真空）构成的人工周期性结构.用分段线性电流密度 递归卷积时域有限差分（PLCDRC-FDTD）算法分析了等离子体光子晶体和缺陷等离子体光子 晶体.从时域的角度分析了高斯脉冲在等离子体光子晶体中的传播过程，给出了时域反射和 透射波形.然后，从频域的角度分析了等离子体光子晶体和带缺陷的等离子体光子晶体的电 磁反射系数和透射系数.计算表明，等离子体光子晶体对频率小于等离子体频率的低频电磁 波几乎完全反射，而透射的电磁波则为频率高于等离子体频率的电磁波.在高频，等离子体 光子晶体则出现类似一般光子晶体的光子带隙特性. 关键词： 等离子体 光子晶体 时域有限差分法 等离子体光子晶体     

电各向异性色散介质电磁散射的三维递推卷积-时域有限差分方法分析

根据递推卷积原理，将磁化等离子体的频域介电系数过渡到时域，通过引入时域复数极化率张量和时域复数电位移矢量，得到了磁化等离子体的三维时域有限差分方法迭代式. 为了验证该方法，用它计算了非磁等离子体球的后向雷达散射截面，与移位算子法结果符合很好. 应用该方法计算和分析了磁化等离子体球的电磁波散射，发现其后向散射时域波形明显出现了交叉极化分量. 关键词： 递推卷积 磁化等离子体 电磁散射 时域有限差分方法     

相对论强激光与近临界密度等离子体相互作用的质子成像

近临界密度是激光等离子体相互作用中能量吸收和高能电子产生的重要等离子体参数区间.利用激光加速产生的质子束作为电磁场探针,研究了超强激光与近临界密度等离子体相互作用产生的等离子体结构及其时间演化.实验发现,初始均匀分布的质子束穿过近临界密度等离子体后分裂为两个斑.两个质子束斑的间距随着作用时间先增大后减小.并且两个束斑呈不对称分布.分析认为,幅度约为10~9 V/m的不对称分布瞬变电场是产生质子束偏折和分裂的主要原因.粒子模拟的结果也验证了这一解释.该研究对激光尾场电子加速、离子加速、惯性约束聚变快点火方案研究等有一定的参考价值.     

激发双线波导中的对称和反对称等离子体波导模式的新型耦合器

在亚波长光学集成中,波导中表面等离子体传输模式的激发是一个重要的问题。利用表面全息法设计结构,并对表面等离子体波进行整形。将平面等离子体波匹配到双线波导中的对称和反对称模式,从而实现波导中两种模式的有效激发。利用时域有限差分法对设计结构进行验证,发现双线波导中两种模式能够有效激发。对结构参数进行优化,对称与反对称模式的激发效率分别达到8.7%和10.8%。     

亚波长金属块阵列中太赫兹波的传输特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了亚波长金属块阵列的太赫兹透射光谱特性及金属阵列结构的周期、金属块尺寸等因素对太赫兹透射特性的影响.结合时域有限差分方法,对实验结果进行了数值模拟,并分析了影响太赫兹透射的因素.结果表明:亚波长金属块阵列结构中,THz波的透射极小的位置由金属块的尺寸和周期决定,其透射谷的半高宽随其周期的增大而减小;透射峰值的位置由阵列的周期结构决定,其频率随周期的增加而减小;亚波长金属块结构的透射极小来源于金属块表面局域化电场等离子体的本征频率反射,该局域化电场与金属块结构密切相关,通过改变金属块结构,可以改变其表面电场分布与局域化.研究结果为研制太赫兹波段带阻滤波器提供了有益的参考.     

亚波长金属块阵列中太赫兹波的传输特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了亚波长金属块阵列的太赫兹透射光谱特性及金属阵列结构的周期、金属块尺寸等因素对太赫兹透射特性的影响.结合时域有限差分方法,对实验结果进行了数值模拟,并分析了影响太赫兹透射的因素.结果表明:亚波长金属块阵列结构中,THz波的透射极小的位置由金属块的尺寸和周期决定,其透射谷的半高宽随其周期的增大而减小;透射峰值的位置由阵列的周期结构决定,其频率随周期的增加而减小;亚波长金属块结构的透射极小来源于金属块表面局域化电场等离子体的本征频率反射,该局域化电场与金属块结构密切相关,通过改变金属块结构,可以改变其表面电场分布与局域化.研究结果为研制太赫兹波段带阻滤波器提供了有益的参考.     

辛时域有限差分算法研究等离子体光子晶体透射系数

相较于传统的时域有限差分算法,辛时域有限差分算法具有高准确度性和低色散性.传统的时域有限差分算法的计算准确度较低,数值色散误差较大,并且破坏了麦克斯韦方程的辛结构,从而导致其稳定性较差.然而辛时域有限差分算法可以克服这些缺点,从而保证了整个仿真计算的准确性和稳定性.本文基于辛时域有限差分算法,对等离子体光子晶体的带隙特性,透射系数等进行了研究,并与传统的时域有限差分算法进行了对比,验证了辛时域有限差分算法的优势和可行性.     

翼型前缘分离流动在等离子体激励器控制下的响应

将等离子体对中性气体的作用模型化为彻体力矢量,采用DES(Detached Eddy Simulation)和DDES(Delayed-Detached Eddy Simulation)方法,求解带彻体力源项的Navier-Stokes方程,研究NACA0015翼型16°迎角下,前缘分离流动在等离子体激励器控制下的响应过程.激励器工作后,DDES计算结果显示,分离流动经历一个渐近的再附过程;DES计算因发生网格诱导分离,得到了非定常的响应过程.     

Oscillation of spatial solitons in a waveguide with a symmetrical refractive index profile

Dynamics of (1+1)D spatial solitons in a Kerr medium with a transversely symmetrical refractive index profile is investigated. Propagation of solitons is analysed theoretically by using an effective-particle approach. Analytical results show that the soliton oscillates periodically with a variable acceleration. The expression of oscillatory period is derived by introducing a concept of `average acceleration'. Both acceleration and oscillatory period are determined by the parameters of the input soliton and the waveguide. Propagations of solitons are simulated numerically and good agreement is obtained between the theoretical and numerical results.     

激光等离子体相互作用中的两级质子加速（英文）北大核心CSCD

研究了激光辐射压驱动的两级质子加速的相关问题。当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个电子层-离子层组成的双层结构。在激光的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播,可以看成运动在背景等离子体中的电场。这样,在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量。通过二维PIC模拟方法和理论分析研究了质子加速的相关问题。研究结果表明,被加速质子的最大能量达到20GeV。     

等离子体合成射流能量效率及工作特性研究

基于等离子体激励器工作过程中气体放电的焦耳加热作用, 并结合局部热力学平衡等离子体物理假设, 开展了等离子体合成射流三维唯象数值研究, 获得了完整工作周期内等离子体合成射流流场发展演变过程. 研究结果表明, 单次能量沉积建立的自维持周期性射流中存在有实现激励器腔体"充分" 回填的最大脉冲工作频率––饱和频率. 大的能量沉积、小的激励器出口直径和相同腔体体积下大的径高比都可以产生速度更高的射流, 而射流速度的提高会伴随有饱和频率的降低. 一个饱和周期内, 最多约有16%的初始腔内气体喷出, 吸气复原仅能实现初始腔体质量90%左右的回填.一个大气压条件下, 容性电源供能的等离子体合成射流激励器电能向气体热能和射流动能的转化效率分别约为5%和1.6%. 关键词： 等离子体激励器 合成射流 能量效率 饱和频率     

Universal properties of the nonadiabatic acceleration of ions in current sheets

The electric-field-induced acceleration of ions in current sheets in a collisionless plasma is investigated. The analysis of nonadiabatic ion dynamics provides a universal property of the ion acceleration mechanism, which is independent of the magnetic-field model and the initial particle distribution function. The width of the resonance region is estimated. The theoretical results are compared with the experimental and numerical simulation data.     

Observational Aspects of Magnetic Reconnection at the Earth’s Magnetosphere

Magnetic field reconnection has shown to be the dominant process in the solar wind-Earth’s magnetosphere interaction. It enables mass, momentum, and energy exchange between different plasma regimes, and it is regarded as an efficient plasma acceleration and heating mechanism. Reconnection has been observed to occur in laboratory plasmas, at planetary magnetospheres in our Solar System, and the Sun. In this work, we focus on analyzing the characteristics of magnetic reconnection at the Earth’s magnetosphere according to spaceborne observations in the vicinity of our planet. Firstly, the locations where magnetic field reconnection are expected to occur within the vast magnetospheric region are addressed, and is shown how they are influenced by changes in the interplanetary magnetic field direction. The main magnetic field and plasma signatures of magnetic reconnection are discussed from both theoretical and observational points of view. Spacecraft observations of ion inertial length scale reconnection are also presented.     

激光支持等离子体流场的2维动态数值模拟

 采用高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法，以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式，给出了高温气体状态方程的简便描述，并考虑激光与等离子体的相互作用和能量耦合模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程，并同理论模型结果进行了比较。结果表明：不考虑2维膨胀效应的理论模型结果比2维数值计算结果偏大，但两者只有接近一倍的差距，并无数量级的差别。考虑了膨胀效应的2维数值计算结果是可信的。     

Axially symmetrical stresses measurement in the cylindrical tube using DIC with hole-drilling

In this paper, a new method combining the digital image correlation (DIC) with the hole-drilling technology to characterize the axially symmetrical stresses of the cylindrical tube is developed. First, the theoretical expressions of the axially symmetrical stresses in the cylindrical tube are derived based on the displacement or strain fields before and after hole-drilling. Second, the release of the axially symmetrical stresses for the cylindrical tube caused by hole-drilling is simulated by the finite element method (FEM), which indicates that the axially symmetrical stresses of the cylindrical tube calculated by the cylindrical solution is more accuracy than that for traditionally planar solution. Finally, both the speckle image information and the displacement field of the cylindrical tube before and after hole-drilling are extracted by combining the DIC with the hole-drilling technology, then the axially symmetrical loading induced stresses of the cylindrical tube are obtained, which agree well with the results from the strain gauge method.     

激光等离子体波电子加速器

本文分别用理论分析和粒子模拟方法讨论了等离子体尾波加速器和拍波加速器的物理机制。结果表明,只要激光等离子体波足够强,加上适当强度的横向磁场,就可以把MeV数量级的电子在公尺距离内加速到GeV数量级的能量。另外,还用粒子模拟方法,研究了激光对热等离子体受激向后喇曼散射产生低相速度的等离子体静电波对低能电子加速的问题,探讨了多级或多波加速的可能性。结果表明,利用激光等离子体波加速器,在一般的实验室条件下,就可获得GeV数量级的高能电子。 关键词：