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等离子体中尘埃颗粒对微波传输影响研究

洪运海  
【摘要】:微波与等离子体相互作用问题的研究日臻完善,然而伴随着火箭尾焰对微波的衰减、极区中层夏季回波现象、“黑障效应”等问题的深入研究,等离子体中的尘埃颗粒对微波传输的影响引起了越来越多的关注。但是,在微波传输问题中引入尘埃颗粒还没有找到合适的方法,同时,尘埃颗粒是如何影响微波传输以及影响机制等问题目前也还没有深入系统的研究。鉴于此,本文将在等离子体的Drude模型中引入尘埃颗粒的作用,利用递归卷积FDTD算法数值研究尘埃颗粒的各个参数对微波传输的影响,同时,对尘埃颗粒影响微波传输的机制做了一定分析,最后,探讨了非均匀等离子体中微波的传输特性。首先,从OML理论出发,讨论了电子与达到充电平衡状态下尘埃颗粒的相互作用。电子与尘埃颗粒的直接碰撞和库仑碰撞都能发生动量交换,从而推导出了电子与尘埃颗粒碰撞频率的表达式。研究尘埃颗粒的半径、尘埃颗粒的数密度等对电子的碰撞频率的影响。其次,针对Drude模型中电子的数密度和电子的总碰撞频率,在电子总碰撞频率中引入电子与尘埃颗粒的碰撞频率,即将Drude模型引入尘埃等离子中,考虑电子与中性分子、电子与离子及电子与尘埃颗粒的碰撞。同时,还考虑了尘埃颗粒影响Drude模型中电子数密度。运用数值模拟的方法,讨论了等离子体的电离度、尘埃颗粒的半径、尘埃颗粒的数密度及尘埃颗粒的电荷量等对电磁波传输的影响,并分析了影响的原因。研究表明,在等离子体中人为引入尘埃颗粒,改变电子数密度和尘埃颗粒本身的参量,将对微波的传输带来明显的影响。最后,建立了非均匀等离子体模型,研究了等离子体密度分布对电磁波传输的影响,考虑了线性递增和线性递减两种电子数密度分布。研究表明:沿着微波传输的方向,电子数密度线性递增等离子体,其后表面附近有很好的吸收效果;电子数密度线性递减等离子体,其前表面附近有很好的反射效果。


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