高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究

研究高功率微波与等离子体的相互作用,对于微波放电和电磁兼容研究均具有重要意义.基于波动方程、等离子体的流体力学方程以及波尔兹曼方程,建立高功率微波脉冲与等离子体相互作用的理论模型,并结合等离子体的特征参数,采用时域有限差分方法分析了等离子体电子密度和高功率微波传输特性的变化.结果表明,由于高功率微波的电子加热作用,等离子体中的非线性效应明显,发生击穿使得等离子体电子密度增大,从而导致微波的反射增强,透过率降低.所提出的模型和相关结果对于高功率微波和电磁脉冲防护具有指导意义.     

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。     

高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究

研究高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应,对于研究等离子体防护技术具有重要意义.通过采用等离子体流体近似方法,建立等离子体中的波动方程、电子漂移-扩散方程和重物质传递方程,表征电磁波在等离子体中的传播以及等离子体内部带电粒子的变化情况,分析研究了高功率微波作用下雪崩效应的产生过程和变化规律.研究表明,入射电磁波功率决定了雪崩效应的产生;初始电子密度能够影响雪崩效应产生的时间;入射电磁波的激励作用初始表现为集聚效应,当激励能量积累到一定阈值时,雪崩效应才会产生;在雪崩效应产生过程中,等离子体内部电子密度的变化非常迅速并且比较复杂.雪崩效应产生后,等离子体内截止频率会远超过入射波频率,电磁波不能在等离子体中传播,从而起到防护高功率微波的效果.     

射频击穿等离子体对高功率微波传输特性的影响

利用极化正交的高功率微波合路器,开展了等离子体对于微波传输特性的实验研究.通过改变前级源的功率和脉冲宽度,使得在合路器耦合缝处发生射频击穿,产生等离子体.等离子体扩散进入微波传输主通道,对于高功率微波的传输产生明显的影响,导致微波能量吸收和极化的偏转.初步实验结果表明,等离子体扩散到主通道中心的时间约为3μs,扩散速度约为1μs/cm,等离子体的恢复时间约为5μs.实验测得等离子体导致的微波极化方向最大偏转角度约为4.1?,此时通道内电子个数约为3.7×1015,极化偏转角度与电子数密度以及微波频率相关.     

高功率微波与电子系统电路单元相互作用的理论分析

利用等离子体理论研究了电路中微波等离子体运动对电容元件的影响, 给出了 可能引起电路扰乱状态的参量条件. 当微波等离子体较稀薄时, 且微波的频率或等离子体电子的渡越时间高到一定程度时, 扰乱阈值与微波频率的平方成正比; 如果微波的频率或等离子体电子的渡越时间低到一定程度时, 其电场的特性接近直流特性, 扰乱阈值与微波频率没有明显的依赖关系. 从总体上看, 微波频率越低, 越容易扰乱集成电路的工作状态. 如果等离子体频率与高功率微波频率相接近, 则会产生共振效应, 此时等离子体电子的振荡的幅值会大幅度提高, 更容易扰乱电路的工作状态.     

高功率微波在等离子体填充波导中的谐波产生

采用等离子体流体理论，研究了高功率微波在等离子体填充波导中的谐波产生，导出了非线性波动方程. 对二次谐波产生进行了数值计算与分析. 理论分析和数值计算表明，高功率微波将在等离子体填充波导中激发起谐波，TE_0n模式与TM_0n模式的基波都将激发起TM类型的谐波. 关键词： 高功率微波 谐波产生 等离子体填充波导     

短脉冲高功率微波大气击穿研究

 论述了短脉冲高功率微波在波导内和自由空间中大气击穿的实验研究,给出了不同气压条件下的击穿阈值,并对两实验条件下的结果进行了比较,两种实验的数据统计结果基本一致,证明了采用波导内大气击穿方法来研究大气击穿问题的合理性。     

短脉冲高功率微波大气击穿研究

论述了短脉冲高功率微波在波导内和自由空间中大气击穿的实验研究,给出了不同气压条件下的击穿阈值,并对两实验条件下的结果进行了比较,两种实验的数据统计结果基本一致,证明了采用波导内大气击穿方法来研究大气击穿问题的合理性。     

高功率微波大气击穿的光学诊断

介绍了一种高功率微波在波导内击穿光电诊断测量装置,测得了大气击穿的光电信号,获得了HPM击穿形成的等离子体衰减常数,对击穿点向源方向移动的猜想进行了实验验证。同时进行了短脉冲HPM在自由空间击穿实验,获得了HPM在自由空间击穿的系统光学图像,分析了击穿的放电特征。     

高功率微波大气击穿的光学诊断

 介绍了一种高功率微波在波导内击穿光电诊断测量装置,测得了大气击穿的光电信号,获得了HPM击穿形成的等离子体衰减常数,对击穿点向源方向移动的猜想进行了实验验证。同时进行了短脉冲HPM在自由空间击穿实验,获得了HPM在自由空间击穿的系统光学图像,分析了击穿的放电特征。     

大气中固体燃烧等离子体与微波相互作用的实验研究

设计制造了含特定组分的化学药剂,利用热力学方法对其在大气中燃烧所产生的等离子体的电子密度进行了理论计算,对该等离子体对2~15 GHz波段微波的透射衰减和反射进行了测试。测试结果表明,该等离子体对该波段微波具有宽波段强吸收和弱反射性能,波段内的平均吸收大于25 dB,反射信号几乎淹没在背景噪声中。并从理论上分析了带电子与中性粒子的造成这一现象的主要原因是碰撞吸收。     

大气中固体燃烧等离子体与微波相互作用的实验研究

 设计制造了含特定组分的化学药剂，利用热力学方法对其在大气中燃烧所产生的等离子体的电子密度进行了理论计算，对该等离子体对2~15 GHz波段微波的透射衰减和反射进行了测试。测试结果表明，该等离子体对该波段微波具有宽波段强吸收和弱反射性能，波段内的平均吸收大于25 dB，反射信号几乎淹没在背景噪声中。并从理论上分析了带电子与中性粒子的造成这一现象的主要原因是碰撞吸收。     

高功率微波在等离子体填充波导中的传播特性

 在考虑有质动力情况下对高功率微波在等离子体填充波导中的传播特性进行了理论分析和数值计算,研究了高功率微波在等离子体中的传播特性和微波场强与等离子体密度分布之间的关系。结果表明高功率微波的有质动力将影响微波色散特性,使微波场强分布偏离Bessel分布,并对等离子体有排开作用,当场强足够大时可将波导中心处等离子体排空形成低密度通道。     

等离子体微波辐射简介和研究进展

近年来,等离子体微波辐射作为新兴高功率微波源,因其具有频带宽、相干和可调谐等优点,因而受到国际上的广泛关注.本文着重介绍了几种典型的等离子体微波辐射理论和实验研究现状,包括电子束与等离子体互作用、等离子体局部扰动、三波互作用等.     

发光等离子体对6GHz高功率微波的防护性能研究

为研究发光等离子体对高功率微波的防护性能,建立了一维条件下等离子体与高功率微波相互作用的物理模型,并采用数值仿真得到了不同条件下的微波透射效果,分析了发光等离子体对高功率微波的防护性能。随后,实验研究了双层柱状等离子体阵列对6 GHz高功率微波脉冲的透射效果,实验结果与仿真结果相符,说明高功率微波的入射使等离子体产生了非线性效应。实验结果还表明,TE极化时的防护效果要优于TM极化时的防护效果;等离子体击穿场强阈值随电场作用空间的增大而减小;TE极化时等离子体对高功率微波脉冲的屏蔽效能最高可达13 d B,且随入射功率的增大而进一步增大。     

垂直相交高功率微波大气击穿的理论研究

将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解, 对垂直相交高功率微波电离大气产生等离子体的过程进行了模拟研究. 对于相干(同频)垂直相交高功率微波束, 只有当初始自由电子出现在(或到达)强场(干涉加强)处, 自由电子才会被加速并与本底气体发生碰撞电离, 在放电的开始阶段, 等离子体区域主要沿着强场区运动, 并逐渐形成一个由分立的丝状等离子体组成的带状区域. 这个带状等离子体区域足够长以后, 由于其对电磁波的吸收和反射, 其将等离子体两侧的两束微波分割开. 随着时间的推移, 在等离子体附近的强场区, 不断出现新的等离子体带. 比较发现, 当其他条件相同时, 相干微波束产生的等离子体区域比非相干微波束大. 关键词： 相交高功率微波束 大气击穿     

高功率微波大气传输电离过程的物理研究

指出平面1维近似不符合在远场处微波单位面积能流与传输距离平方成反比的规律。给出了束流1维近似下微波大气传输的基本方程组。详细研究了微波电离大气的特性和相似律。估计了平面1维近似下和束流1维近似下的尾蚀,指出当无量纲电离电子数不太小时,两者可能有很大差别。     

高功率微波大气传输电离过程的物理研究

 指出平面1维近似不符合在远场处微波单位面积能流与传输距离平方成反比的规律。给出了束流1维近似下微波大气传输的基本方程组。详细研究了微波电离大气的特性和相似律。估计了平面1维近似下和束流1维近似下的尾蚀,指出当无量纲电离电子数不太小时,两者可能有很大差别。