高功率微波與大氣擊穿電漿相互作用的數值研究

《高功率微波與大氣擊穿電漿相互作用的數值研究》是依託西安電子科技大學，由趙朋程擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高功率微波與大氣擊穿電漿相互作用的數值研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙朋程
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

高功率微波的強電場極易引起大氣發生電離、甚至擊穿，而伴隨產生的電漿將嚴重影響高功率微波的輻射與傳播。因此，開展高功率微波與大氣擊穿電漿相互作用研究具有重要的意義。本項目擬採用電子流體模型數值模擬高功率微波在大氣擊穿環境中的輻射與傳播特性。分別基於動力學模型與粒子模型研究合理的電子能量分布函式，改進電子流體模型的模擬精度。針對由電子流體模型限定的非線性方程體系，採用時域有限差分方法的思想對其進行處理，導出按時間步進的差分格式，實現電離率、碰撞率等輸運係數的時間動態計算，並推導差分格式的穩定性條件。研究高功率微波在大氣傳播中的電離、擊穿閾值、傳輸、吸收和反射問題，揭示高功率微波大氣傳播規律；研究喇叭天線近場擊穿電漿的時域演化過程及其對天線輻射的影響；評估高功率微波大氣擊穿的抑制方法。本項目的研究將為高功率微波的天線設計、傳播及其它方面的套用提供重要的理論支持和參考依據。

結題摘要

本項目在充分考慮電子與中性粒子之間的電離、粘附、激發等諸多物理反應下，通過聯立麥克斯韋方程組和電漿流體方程組建立了高功率微波大氣傳輸與擊穿的流體模型。分別採用動力學模型與粒子模型確定了相對精確的電子能量分布函式形式，大大提高了流體模型的模擬精度。基於時域有限差分方法分別求解了一維和二維流體模型，得到了高效的差分算法。揭示了輸運係數與電子能量的非線性關係，實現了這些係數的時間動態計算。在上述基礎上，對高功率微波大氣擊穿特性開展了深入的研究，發現在大氣擊穿之前，高功率微波的傳輸特性幾乎不受影響，而在擊穿之後，放電電漿吸收和反射入射微波，使得傳輸電場明顯減小；高功率微波大氣擊穿特性依賴於氣壓、氣體種類、微波頻率和場強；低氣壓下外加直流磁場可有效抑制大氣擊穿；放電電漿結構及動力學特性與氣體壓強及入射微波參數密切相關。比較大氣擊穿的模擬結果與實驗數據，充分驗證了流體模型的準確性。除採用流體模型之外，我們還開展了以下研究：推導了非線極化高功率微波加熱電子時的功率，揭示了電場分量之間的相位差對氣體擊穿的影響；通過場等效原理與體平均流體模型，預測了臨界大氣擊穿時口徑天線的輻射功率；採用體平均流體模型，預測和比較了空氣和六氟化硫的擊穿閾值。在本項目資助期間，項目負責人以第一作者身份在《IEEE Transactions on Plasma Science》，《Physics of Plasmas》等SCI期刊上發表論文10篇，中文核心期刊論文1篇，另外以通訊作者身份發表SCI期刊論文1篇。本項目圓滿完成了預定研究任務，為研究高功率微波傳輸與擊穿提供了有效和準確的分析和計算手段，本項目的研究結果也為相關的套用提供了重要的參考依據。