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碰撞等离子体中电磁波传播及微波探针研究

作　者: 王慧慧
导　师: 刘万东；李弘
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 等离子体振荡电磁波衰减密度剖面双探针波频率微波空间分辨率天线测量均匀等离子体探针测量
分类号: O53
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文主要从理论上对电磁波和等离子体相互作用进行了数值计算,详细分析了电磁波在等离子体中的传播的幅度和相位信息;从实验上提出了两种新的诊断局域等离子体密度的工具。我们利用MAFIA软件模拟了电磁波在强碰撞和非均匀等离子体中的传播,对微波的幅度和相位进行分析。可知电磁波的衰减只与传播路径上的等离子体密度积分有关,与密度剖面形状无关。并且提出了可以利用微波测量等离子体密度剖面的方法。此外,模拟说明此时衰减与碰撞频率成反比,给实验上利用此特性诊断碰撞频率提供了理论依据。最后,对二维斜等离子体层和三维球形等离子体进行模拟,发现脉冲波包穿过等离子体时,传播方向不变,只是幅度衰减,所以电磁波在三维分布等离子体中传播可由WKB近似解决,并且三维问题可简化为一维问题进行计算解决,大大简化今后的工作。解析从电磁波色散方程出发,对电磁波的衰减和相移计算,将等离子体分为三个区:反射区,透射区,碰撞平台区,其中碰撞平台区又因为碰撞的强弱而分为强碰撞平台区和弱碰撞平台区,给出了划分依据,并分别针对每个不同区域,详细分析了电磁波在各区域衰减和相移与电磁波频率、等离子体密度以及碰撞频率之间的关系。在这里,强调了驰豫频率的重要性。所有的理论工作都为今后微波诊断等离子体的实验研究提供了理论基础。提出了一种具有高分辨率的局域诊断等离子体的密度的新方法—微波点天线,这种诊断方式避免了碰撞和鞘层影响,并且在实验中将测量气压提高到了几百帕,空间分辨率达到了毫米量级。微波点天线是利用同轴电缆线的终端制作而成,因为其物理尺寸小,所以可以将其伸入等离子体内部,利用微波在等离子体中的传播出现的截止现象进行等离子体密度的诊断。我们对诊断结果进行了分析,认为利用截止频率来诊断等离子体密度从原理上是可行的,并且截止区透射系数随频率的变化主要由等离子体的密度梯度决定。另外,利用已有的微波干涉法和双探针对测量结果进行了验证,说明微波点天线不仅是有效的等离子体密度的诊断工具,还可以利用其精确性对双探针测量进行标定。基于天线的发射性质,提出一种新的等离子体密度的诊断工具――微波单极子天线。从理论、实验、模拟三方面介绍并验证了此种方法的可行性。从理论上分析微波单极子天线的发射性质和周围介质的介质常数之间的关系,从而为单极子天线作为一种诊断工具提供了理论基础。在实验上,对微波单极子天线的制作,发射性质做了详细的测量和分析,提高了微波单极子天线作为诊断工具的测量性能,并在非色散介质中进行了可行性证实。在诊断不同气压的等离子体密度上,微波单极子天线得到了和静电双探针测量一致的结果,从而从实验上证明了微波单极子作为一种诊断等离子体密度工具的可行性。我们还从测量原理上,提出了碰撞修正因子,对微波单极子天线测量等离子体密度提出了碰撞修正方法,对其测量结果做出了碰撞修正。此外作为一种新的诊断工具,从实验上对其测量精度、分辨率进行了分析和讨论。除了实验,还利用模拟验证了此种方法的可行性,并且通过模拟,提出了微波单极子天线的鞘层修正方法和并对其空间分辨率进行了分析。

碰撞等离子体中电磁波传播及微波探针研究

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