三維電漿晶格中塵埃格點波的理論與數值研究

《三維電漿晶格中塵埃格點波的理論與數值研究》是依託大連理工大學,由楊雪峰擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：三維電漿晶格中塵埃格點波的理論與數值研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊雪峰

項目摘要

電漿晶格的理論研究對探索宇宙空間有著重要的意義，人類在國際空間站做的第一個基礎科學實驗就是微重力下的三維電漿晶格實驗，目前三維電漿晶格的理論研究還比較少，而相關的實驗日益增多，在理論上做些準備非常必要。我們將研究三維電漿晶格，特別是體心立方（bcc）和面心立方（fcc）塵埃晶格中線性和非線性塵埃格點波的性質，將理論結果與文獻中的實驗結果進行比較，建立有一定實際意義和套用的三維電漿晶格的塵埃格點波模型；研究三維電漿晶格中帶阻尼塵埃格點波的色散關係及其有關性質，分析體心立方（bcc）和面心立方（fcc）塵埃晶格中各種塵埃格點波的色散關係以及聲速，外磁場和極化對三維電漿晶格中塵埃格點波的性質的影響；研究三維電漿晶格中的非線性波，推導三維電漿晶格中縱向塵埃格點波滿足Burgers 方程，用變分循環方法數值求解該方程，再討論三維電漿晶格中的激波。

結題摘要

經過項目組成員三年來的共同努力，我們在電漿晶格中的塵埃晶格波的研究中取得了一定的研究成果，基本完成了預期的任務。同時我們還在電磁波與電漿相互作用等方面取得了一些研究成果。首先我們對微重力下三維電漿晶格中的塵埃晶格波進行了研究，外加磁場使原有的塵埃聲波相互耦合，產生了上雜化模、下雜化模和光學模。我們通過數值模擬研究了各種波模的耦合程度。我們發現下雜化模的聲速為零。另外上雜化模的聲速磁場與原始波方向的夾角而與磁場強度無關。其次，我們研究了阻尼對塵埃晶格波的影響。數值模擬結果與文獻中的實驗資料非常吻合。研究發現對於由一個外部實頻率擾動激發的波模，色散性質在群速度接近於零的臨界頻率附近發生改變，因此“負色散”高頻分支不能到達，相反，“自激發”模式的色散關係曲線確實到達了“負色散”區域，但在長波一端出現了 “截斷”現象。我們研究了磁場和尾流對二維塵埃晶格波的影響。發現磁場方向對塵埃晶格波的耦合程度影響很大。我們給出了三維塵埃晶格波的聲速和禁止參數的關係公式。在禁止參數充分大時，可以只考慮附近粒子間的相互作用，我們給出了三維塵埃晶格波的色散關係的顯示公式。我們研究了極化對三維塵埃晶格波的色散關係的影響。我們利用時域有限差分（FDTD）數值方法研究了太赫茲波段電磁波在非磁化電漿中的功率吸收特性。結果表明吸收強烈依賴於磁場、碰撞頻率和電子密度。我們還建立了多個平板近似模型來研究在部分電離的非均勻磁化電漿層中對於寬頻段電磁波（0.75–30 GHz）的功率吸收，並進一步數值計算和分析了幾種典型情形的功率吸收譜。