微波大氣擊穿產生電漿過程的理論研究

《微波大氣擊穿產生電漿過程的理論研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由周前紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微波大氣擊穿產生電漿過程的理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：周前紅
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

隨著高功率微波功率的不斷提高，其套用和潛在套用領域不斷擴大。高功率微波的產生和套用都會遇到微波大氣擊穿或微波產生大氣電漿。例如，高功率微波天線介質視窗的擊穿與表面閃絡，高功率微波大氣傳輸中的尾蝕，高功率微波產生人造電離層和人造臭氧層等。本項目首先使用動理學的方法求解弱電離碰撞電漿中的電子能量分布函式以及各主要反應參數。然後利用這些反應參數將描述電磁波的Maxwell方程組與電漿的控制方程組耦合起來數值求解，深入研究弱電離空氣電漿與高功率微波的非線性相互作用，闡明不同壓強和微波強度下電漿產生、維持及馳豫過程。給出不同壓強和微波強度下電漿區域形狀結構、動力學過程及其對微波能量的吸收效率。為相關研究，如微波天線介質視窗擊穿、微波大氣傳輸、人造電離層和臭氧層等奠定理論基礎。

結題摘要

本項目首先使用球諧展開求解玻爾茲曼方程得到了電子能量分布函式，並在此基礎上對電子與氮氣分子和氧氣分子的各碰撞反應過程的反應參數和能量損失進行了計算。對使用有效場強得到的微波大氣擊穿閾值表達式進行深入的理論分析，指出其推導中所做的假設及這些假設套用到微波大氣擊穿過程中存在的問題，並使用理論推導和數值模擬給出修正的微波大氣擊穿閾值。為了精細化模擬圖像，對電磁波和電漿使用不同的時空步長，編制了Maxwell方程組與電漿流體控制方程耦合的一維、二維及三維並行程式。為了摸清微波大氣擊穿的物理過程和機理，我們分別對不同參數條件下的單束及相交束微波大氣擊穿過程，發現微波電漿的“趨源”運動性質。單束微波擊穿產生電漿區域在高氣壓下電漿成絲狀；中等氣壓下電漿成片狀或魚骨性電漿區域；低氣壓下電離產生連續的（擴散性）電漿區域。研究得到的電漿區域演化機制和運動規律，很好的解釋了MIT的最新實驗結果。相交微波束中擊穿只在大於擊穿閾值的強場區出現，在高氣壓下形成一個由分立的絲狀電漿組成的帶狀區域。對介質表面附近微波擊穿模擬發現，由於TE10 模在波導中心位置處的微波電場最強，電子碰撞電離首先在中心位置處形成電漿，當電漿密度達到一定值（臨界密度附近）時，波導中心介質表面處微波場強減小，電漿區域沿著介質表面向兩側移動；相關結果也與Texas 理工大學的實驗結果吻合。最後，項目還對氣象條件（如雨滴）對微波大氣擊穿影響進行了研究；在群速度運動的局域坐標系下編制一維大氣擊穿程式，並用於模擬高功率微波長距離傳輸過程中大氣擊穿及其造成的尾蝕。使用粒子模擬蒙特卡洛碰撞（PIC-MCC）方法與流體模擬結合對大氣擊穿的相關參數和擊穿機制進行研究。在本項目支持下，公開發表學術論文16篇，其中SCI收錄10篇，EI收錄6篇；項目組成員參加國際會議1次，國內會議5次，與國內外充分交流，介紹項目研究成果。