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.     

毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性

针对黑障区高速飞行器测控通信研究需求,在激波管设备上开展了Ka波段毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,获得了不同电子密度和碰撞频率的等离子体中传输衰减特性实验数据。采用辅助差分方程的时域有限差分（ADE-FDTD）方法对实验进行了数值模拟,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性。实验结果和数值模拟结果均表明:太赫兹波信号在相同的实验等离子体中传输衰减比毫米波信号小得多,具有更强的穿透等离子体能力;毫米波与太赫兹波信号在等离子体中传输衰减量随着等离子体电子密度的增加而增加,二者的差值也增加;太赫兹波能够作为解决高密度等离子体中电磁波传输的有效技术手段。     

太赫兹波在磁化等离子体中传输特性

建立了电磁波穿过磁化等离子体鞘套的一维模型,并采用数值分析方法对太赫兹（THz）电磁波在磁化等离子体鞘套中传播时的反射率、透射率和衰减值进行了计算仿真,分析了磁化条件下磁场强度、太赫兹波频率、等离子体鞘套厚度、等离子体碰撞频率和等离子体密度对太赫兹波在磁化等离子体鞘套中传播特性的影响。仿真结果表明:排除衰减波峰对应的频率范围,外加磁场有效降低了太赫兹波传输的衰减,在固定磁场强度下,衰减波峰两侧的衰减值均达到了5 dB以下,有效地解决了通信黑障问题。     

瞬变等离子体微波诊断初步研究

采用微波诊断技术对气压300 Pa,S波段HPM条件下形成的低温、弱电离、非均匀和强碰撞大气等离子体特性参数开展了初步诊断研究。获取了9~15 GHz连续波穿过HPM等离子体区域的透射波形,并对波形进行了归一化处理;通过不同频率微波的透射特性,假设等离子体电子数密度分布呈Epstein分布,分析了可能的电子数密度最大值。该研究成果的获取为HPM大气等离子体在隐身、阻断信息链等方面的应用提供了重要的技术支撑。     

Design of the Upgraded TJ-II Quasi-optical Transmission Line

TJ-II plasma start-up and heating are made by electron cyclotron resonance waves at the second harmonic of the electron cyclotron frequency. Two quasi-optical transmission lines transmit the microwave power of the gyrotrons to the vacuum vessel. The first line launches the microwave power under fixed injection geometry, i.e. there is no possibility to change the launching angle and the wave polarization. The second line has a moveable mirror installed inside the TJ-II vessel. To get high absorption efficiency and a narrow energy deposition profile the internal mirror focuses the wave beam at plasma center.To get more flexibility in the experiments on heating and current drive the first transmission line needs to be upgraded. The design is presented in this paper. The new launching antenna includes an internal mirror to focus the beam and to change the injection angle. Both launchers are then symmetrical. A polarizer consisting of two corrugated mirrors is used to get any wave polarization. Two mirrors with an array of coupling holes and calorimetric measurements of the energy absorbed in the barrier window allow the estimation of the microwave power launched into the TJ-II.     

Plasmon mechanism of light transmission through a metal film or a plasma layer

It is shown that a smooth metal film (or a plasma layer) can be made transparent for an electromagnetic wave when two identical subwavelength diffraction gratings are placed on both sides of the film. The electromagnetic wave transmission through the metal film is caused by excitation of evanescent surface waves (plasmons) and their transformation into propagating waves at the gratings. A model which is developed analytically shows that the problem of the wave transmission is physically equivalent to the problem of excitation of two coupled resonators of evanescent waves which are formed at the two film surfaces.     

Propagation characteristics of oblique incidence terahertz wave through non-uniform plasma

The propagation characteristics of oblique incidence terahertz(THz) waves through non-uniform plasma are investigated by the shift-operator finite-difference time-domain(SO-FDTD) method combined with the phase matching condition.The electron density distribution of the non-uniform plasma is assumed to be in a Gaussian profile. Validation of the present method is performed by comparing the results with those obtained by an analytical method for a homogeneous plasma slab.Then the effects of parameters of THz wave and plasma layer on the propagation properties are analyzed. It is found that the transmission coefficients greatly depend on the incident angle as well as on the thickness of the plasma, while the polarization of the incident wave has little influence on the propagation process in the range of frequency considered in this paper. The results confirm that the THz wave can pass through the plasma sheath effectively under certain conditions,which makes it a potential candidate to overcome the ionization blackout problem.     

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.     

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。     

基于Z-FDTD的THz波与等离子体相互作用

利用Z变换时域有限差分法(Z-FDTD)计算等离子体鞘层中太赫兹(THz)波的传输特性,得出太赫兹波的功率反射和透射系数在等离子鞘层中随电磁波频率的变化曲线图,分析了太赫兹波的传输特性与等离子体结构参数(鞘层厚度、碰撞频率以及电子密度)的关系,对利用太赫兹波缓解等离子体鞘层通信中出现的“黑障”现象做了探讨。结果表明:太赫兹波能改善等离子体鞘层通信,为解决“黑障”问题提供了有效途径。     

水下爆炸冲击波在含吸收层结构中的传播规律的数值模拟

 利用ANSYS/LS-DYNA软件,对水下爆炸冲击波在含有吸收层的多层结构中的传播规律进行了数值模拟。结果表明：冲击波在吸收层中的衰减是由泡沫材料自身的本构引起的;在含泡沫材料吸收层的结构中峰值压力仅为不含吸收层的14%,冲击波传播波形发生改变;在含有泡沫混凝土的多层结构中应力波峰值的下降幅度比含泡沫铝的大,但冲击波传播波形的变化不是很明显;泡沫混凝土中的总能量大于泡沫铝中的总能量,因此泡沫混凝土作为防护吸收层要优于泡沫铝。     

THz波在不同角度磁化的非均匀磁化等离子体中的传输特性分析

为利用太赫兹波解决飞行器再入过程遇到的“黑障”问题,以散射矩阵方法为基础,分别以非均匀磁化等离子体的磁化方向、电子密度、外加磁场强度和碰撞频率为变量,研究了垂直入射情形下它们对太赫兹波传输行为的影响.结果表明:这些参数对太赫兹波传输性能影响明显,例如按某一方向改变磁化角度对左极化和右极化太赫兹波的传输功率有相反的影响;降低磁化强度能一定程度地避开等离子体对右极化波的吸收;而降低碰撞频率能缩小等离子体对右极化波的吸收频带.通过调整这些参数,有望在一定程度上缓解黑障现象.     

真空环境中等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究

在真空环境中，利用传输线测量装置，开展微波等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究.实验结果表明，采用传输线测量方法能够有效地获得等离子体对反射电磁波的衰减；在5GHz附近，以氩气为工质，流量为52.5mg/s时，52W微波功率在真空环境中产生的等离子体喷流能对反射电磁波产生最大的衰减；增加微波功率、降低真空环境压强可以提高等离子体对反射电磁波的衰减；要使等离子体能够对反射电磁波产生最大的衰减，必须选取合适的发生器参数. 关键词： 电磁波在等离子体中的传输 等离子体基本过程 电磁波     

高温等离子体中太赫兹波的传输特性

通过解析方法研究了高温等离子体的太赫兹波传输特性.研究发现,高温等离子体对太赫兹波高频频段透过率较高,表现为通带;对低频频段透过率较低,表现为阻带.这与冷等离子体中电磁波的传输特性是一致的.但其透射率还受到温度与磁场的影响,当改变高温等离子体的电子温度与磁场时,在阻带内会产生一尖锐的透射峰.这种现象在冷等离子体模型中从来没有出现过.本文主要对电子温度和外加磁场两个影响因素进行讨论.研究发现,禁带内出现的透射峰频率受磁场影响,而峰值幅度受温度影响.计算得到了不同外加磁场条件下产生高透过率(透射率约为1)时的电子温度.基于该结果进一步研究了透射峰出现的规律,并通过曲线拟合的方法得到了透射峰频率所遵循的计算公式.数值结果表明透射峰频率与外磁场之间为正比例函数关系,而峰值电子温度取值与外磁场的关系表现为指数规律.最后对拟合得到的方程采用时域有限差分法进行了验证,数值结果与解析解符合较好,证明了该研究的正确性.     

边界层效应影响等离子体气动激励诱导激波机理

 针对小型暂冲式超声速风洞进行的诱导激波实验结果,提出等离子体气动激励诱导激波的机理不仅取决于放电时产生的焦耳热效应,放电区域的边界层厚度也起到了决定性的作用的推论。为进一步验证此思想,在高超声速激波风洞进行了等离子体气动激励诱导激波的实验研究。结果表明,在边界层很薄的情况下,等离子体气动激励能够诱导出斜激波。分别阐述了两种实验条件下诱导激波的机理,证实了边界层效应在等离子体与激波相互作用中起到了决定性作用。     

Compton散射下强激光等离子体空气冲击波波前的传输特性

 根据球对称激光等离子体空气冲击波在自由空间中传输的约束条件，对多光子非线性Compton散射的强激光等离子体空气冲击波波前的传输特性进行了研究，给出了散射下空气冲击波波前的运动方程，并进行了数值模拟。结果表明：该冲击波的衰减过程不仅与爆炸源和爆炸过程的特性、释放总能量、空气的弹性有关，而且还与散射有关，散射效应使冲击波的初始半径增大，衰减过程加快，能量转移率提高；数值模拟与实验结果符合得很好。     

各向异性磁化等离子体JEC-FDTD算法

将色散介质的电流密度卷积-时域有限差分(JEC-FDTD)算法推广到各向异性磁化等离子体色散介质.该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的难题，给出了各向异性磁化等离子体JEC-FDTD算法的公式.计算磁化等离子体平板对平行于磁场传播的电磁波的反射和透射系数，通过与解析结果的比较，验证了该算法的高效性和高精度. 关键词： 色散介质 FDTD算法 各向异性 磁化等离子体     

电磁波在高密度等离子体微柱腔体结构中的新传输模式

超高声速飞行器再入过程中会因为等离子体鞘层而产生通信中断,俗称"黑障".近些年人们针对黑障通信的研究虽取得了一些成果,但仍然没能从根本上解决问题.本文从电磁波在高密度等离子体柱中的传输机理研究出发,借鉴二维光子晶体和表面波局域耦合相关理论,设计出了一种新型的等离子体微柱腔体结构,在这种特殊结构下L和S波段的电磁波在某些频段内出现了不同寻常的传输现象,即从高密度等离子体柱的内部穿过.这种新结构下的传输模式将为黑障通讯研究提供新的技术途径和方法.     

开放空间等离子体对微波传输影响的模拟研究

以氮气为背景气体,采用脉冲式微波产生等离子体,使用另外一束连续波作为传输模拟对象,并基于扩散效应的全域模型分析等离子体电子温度与电子密度的演化过程。实验中放电气压为300Pa,实验结果表明:在微波脉冲开始之后极短的时间内,连续波接受信号发生剧烈衰减;而在微波脉冲结束后,连续波接受信号则缓慢恢复。微波传输主要受到等离子体电子密度的影响,而全域模型的计算结果显示等离子体电子密度在开始放电时迅速上升,甚至高于放电微波频率对应的临界密度,在放电微波脉冲结束时电子密度则缓慢下降。这说明开放空间中等离子体在失去能量维持之后,由于扩散效应占主导作用,电子密度不会迅速下降,此时连续波依然会被阻碍,直到电子密度下降到连续波频率对应的临界密度以下。     

Efficiency of hydrodynamic energy transfer to an arbitrarily thick flat layer of material during pulsed ablation

We obtained a general analytical solution of the problem of hydrodynamic energy transfer to a flat layer of material with an arbitrary initial thickness when ablation—the evaporation of material and the formation of a pressure gradient under the action of an external pulsed energy source—takes place at one of its surfaces. The solution was obtained in the form of a dependence of the fraction of the source energy transferred to the nonevaporated part of the layer on the intensity and duration of the energy source as well as on the initial layer thickness and density. The solution includes, as limiting cases, the previously obtained solutions for the hydrodynamic transfer coefficient during the ablation acceleration of a thin layer, through which the travel time of a shock or acoustic wave is much shorter than the duration of the energy source, and for the ablation loading efficiency when a shock wave propagates through a semiinfinite layer.