电磁波在强碰撞弱电离等离子体中的衰减

论文摘要

电磁波与等离子体相互作用,特别是电磁波在强碰撞,弱电离等离子体中的传播和衰减问题,是一个古老但一直很活跃的话题。近些年,尤其是进入到90年代,由于这一领域在等离子体隐身技术、等离子体天线技术以及空间通信等方面的潜在应用而得到了广泛的关注。本文分别建立了一维和二维模型来研究电磁波在金属表面上覆盖的均匀等离子体层中的功率衰减。文中采用多流体模型来描述等离子体的行为,采用时域有限差分方法,数值研究了电子比例、电子密度、电子-中性粒子碰撞频率、等离子体层厚度、入射角和外加磁场对电磁波功率衰减的影响。第一章,简要介绍了等离子体的基本概念、电磁波与等离子体相互作用的实际应用领域及其数值研究方法。第二章,介绍了时域有限差分方法的基本思想及特点、Maxwell方程在直角坐标系中的离散形式、数值稳定性、吸收边界条件以及常用的激励源。第三章,在一维模型下发现:电磁波在等离子体中传播时发生衰减;等离子体中的电子比例、等离子体层厚度和外加磁场强度越大,电磁波的功率衰减带宽越大;要实现最佳的功率衰减效果,碰撞频率必须和系统的其它物理参数达到合理的匹配,并不是越高越好。第四章,在二维非磁化模型下发现:入射角越大,衰减带宽越大;在给定的入射频率下,对两种波模,随着入射角的增加,衰减峰值都会向低碰撞频率区和低电子密度区移动;对给定的入射频率,存在一个达到最好衰减效果的最佳碰撞频率和电子密度;等离子体层越厚,电磁波衰减越强。第五章,在二维磁化模型下发现:外加磁场越强,入射角越大,电磁波功率衰减的带宽越大;对S波和P波来说,磁场加在不同的方向具有不同的效果;对每一条衰减曲线,在一定的入射频率下都有一个使电磁能量达到最大衰减的最佳电子密度,这一密度对应电磁波与粒子共振的情况。第六章,给出本文的主要结论及以后工作的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 等离子体简介
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 特征参数
• 1.2 实际应用
• 1.2.1 磁约束聚变中的波加热
• 1.2.2 等离子体隐身技术
• 1.3 研究方法
• 1.4 本文编排
• 2 FDTD方法简介
• 2.1 FDTD方法的基本思想及特点
• 2.2 直角坐标系中的麦克斯韦方程
• 2.3 麦克斯韦方程的FDTD离散
• 2.3.1 三维情形
• 2.3.2 二维情形
• 2.3.3 一维情形
• 2.4 数值稳定性
• 2.5 吸收边界条件
• 2.6 常用激励源
• 2.6.1 时谐场源
• 2.6.2 脉冲源
• 3 电磁波在覆盖在金属表面的一维均匀等离子体层中的功率衰减
• 3.1 物理模型
• 3.2 数值结果及讨论
• 3.2.1 电场振幅的演化
• 3.2.2 电子比例对电磁波功率衰减的影响
• 3.2.3 碰撞频率对电磁波功率衰减的影响
• 3.2.4 等离子体层厚度对电磁波功率衰减的影响
• 3.2.5 外加磁场对电磁波功率衰减的影响
• 3.3 本章小结
• 4 电磁波在覆盖在金属表面的二维均匀非磁化等离子体层中的功率衰减
• 4.1 物理模型
• 4.2 数值结果及讨论
• 4.2.1 碰撞频率对电磁波功率衰减的影响
• 4.2.2 电子密度对电磁波功率衰减的影响
• 4.2.3 等离子体层厚度对电磁波功率衰减的影响
• 4.3 本章小结
• 5 电磁波在覆盖在金属表面的二维均匀磁化等离子体层中的功率衰减
• 5.1 物理模型
• 5.2 数值结果及讨论
• 5.2.1 外加磁场强度对电磁波功率衰减的影响
• 5.2.2 外加磁场方向对电磁波功率衰减的影响
• 5.2.3 电磁波入射角对电磁波功率衰减的影响
• 5.2.4 碰撞频率对电磁波功率衰减的影响
• 5.2.5 电子密度对电磁波功率衰减的影响
• 5.3 本章小结
• 6 本文总结及展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢