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《哈尔滨工业大学》 2017年
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尘埃等离子体动力学及电磁特性研究

李辉  
【摘要】:尘埃等离子体是指含有大量带电尘埃颗粒的等离子体系统,对许多科学和技术领域的发展具有重要的科学意义和潜在的应用价值,是多学科交叉的重要前沿方向。尽管科学界在尘埃等离子体物理方面开展了大量的理论与实验研究工作,对尘埃等离子体的物理特性有了基本的理解,但到目前为止,人们对尘埃等离子体的一些动力学过程认识还相当有限,对其电磁特性问题研究涉及的更少。鉴于此,本论文瞄准这些前沿科学问题,以等离子体物理和复杂介质电磁波传播理论为基础,研究了尘埃颗粒与等离子体相互作用机理与过程,建立了描述尘埃等离子电磁特性的物理模型,并开展了部分与此相关的实验研究,主要研究内容包括如下几个方面:利用现有的球形颗粒轨道充电物理模型,研究了等离子体对尘埃颗粒的充放电作用,在此基础上重点研究等离子体中电子和离子对尘埃颗粒的充放电作用而引起的库仑弹性碰撞动力学过程以及中性分子的存在对带电粒子之间相互作用的影响,系统给出了带电尘埃颗粒的存在对等离子体中电子和离子运动影响的规律。从传统的等离子体玻尔兹曼动理论方程出发,开展了尘埃等离子体电磁参量的模型研究,提出了描述尘埃等离子体电磁特性的新理论和新方法,分别给出不同条件下的各向同性尘埃等离子体介电系数的理论表达式,同时利用经典的磁化强度运动方程理论推导了尘埃等离子体磁化率,给出掺杂磁性尘埃颗粒的等离子体的磁导率表达式。利用尘埃等离子体介电系数表达式,开展了高频电磁波在尘埃等离子体中传播的理论与实验研究,重点研究尘埃等离子体对高频电磁波吸收,并讨论了尘埃尺寸,密度对高频电磁波吸收峰值和吸收频带的影响。利用已有的地面尘埃等离子体实验装置,开展了尘埃等离子体对电磁波的吸收实验,验证了理论的合理性。给出理想条件下的尘埃等离子体非相干散射理论谱理论计算公式,在此基础上讨论尘埃尺寸、温度和密度对非相干散射谱线的影响,获得了尘埃等离子体非相干散射功率谱的基本物理规律。研究了极区夏季中层顶尘埃等离子体异常分层结构形成的动力学成因,利用流体力学和大气动力学方程组构建了相应的物理模型,并利用数值方法模拟了带电尘埃颗粒在大气重力波扰动下形成分层结构的动力学演化过程,同时结合已有的历史火箭探空数据和雷达观测数据对本文的理论模型进行检验。对数值模拟结果与实验观测数据进行比较,再现或解释许多观测到的现象,论证理论模型的可靠性,为极区夏季中层雷达回波背后形成的物理机制奠定坚实的理论基础。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O53

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