平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用.pdf

大连理工大学硕士学位论文平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用姓名：高红梅申请学位级别：硕士专业：等离子体物理指导教师：王晓钢20080603大连理工大学硕士学位论文摘要电磁波与等离子体的相互作用，尤其是电磁波在等离子体中的反射与吸收，一直是一个十分活跃的研究课题，它对于等离子体物理与电磁波理论来说都是非常重要的。由于不同位形和密度的等离子体对入射的电磁波有不同的响应特性，因此研究各种等离子体对高频电磁波传播的影响具有重要意义。近年来，这一领域由于其在无线电空间通信、等离子体天线技术等方面有着广阔的应用前景而得到了人们的广泛关注。本文主要讨论了一维模型下的大气等离子体层中电磁波的传播特性，以及不存在外磁场和存在外磁场两种情况下，平面电磁波入射到具有金属衬底的等离子体层时的反射特性。考虑到实际大气中负离子的影响，文中假设等离子体是由正离子、电子和负离子组成，等离子体密度分布函数采用双曲正切函数形式。本文采用时域有限差分(F D T D)方法，研究了等离子体密度梯度，电子与中性粒子的碰撞频率，电子比例，等离子体层厚度及外加磁场对电磁波在等离子体中的传播特性的影响。研究结果发现：在本文所选的入射波频率范围内，当频率较低时，电磁波的反射系数随等离子体密度梯度的增大而增大，当频率较高时，结果却变得更为复杂：电子与中性粒子的碰撞频率越大，电子比例越大，等离子体层厚度越大，电磁波反射系数越小，吸收带宽越宽；外磁场的引入在一定程度上增大了电磁波的衰减带宽。结果表明：等离子体的各种参数及外磁场的引入对电磁波入射到等离子体层时的反射和衰减都有很大的影响。适当地引入外磁场，匹配合适的电子与中性粒子的碰撞频率，较厚的等离子体层，在低频区选取较小的密度梯度，高频区选取较大的密度梯度，从而实现等离子体对电磁波更好的低反射高吸收效果。关键词：电磁波；等离子体；反射系数；时域有限差分平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用T h eI n t e r a c t i o no fP l a n eE l e c t r o m a g n e t i cW a v ew i t hO n eD i m e n s i o n a lS t r o n g l yC o l l i s i o n a la n dW e a k l yI o n i z e dP l a s m aA b s t r a c t1 1 l eI n t e r a c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e sw i t hp l a s m a s，e s p e c i a l l yt h er e f l e c t i o na n da b s o r p t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e si np l a s m a s，i sa l w a y sa na c t i v er e s e a r c hs u b j e c t,i m p o r t a n tt ob o t l lp l a s m ap h y s i t sa n de l e c t r o m a g n e t i cw a v et h e o r y S i n c ep l a s m a so fd i f f e r e mc o n f i g u r a t i o na n dd e n s i t yh a v ed i f f e r e n tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sp l a s m a st oh i【g hf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cw a v e s I nr e c e n ty e a r s，t h i sf i e l dh a sa t t r a c t e dm a n ya t t e n t i o n sd u et op o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nw i r e l e s ss p a c ec o m m u n i c a t i o n s，p l a s m aa n t e n n at e c h n o l o g y,a n dS Oo n n 坞r e f l e c t i o na n da t t e n u a t i o no fp l a n ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e sp r o p a g a t i n gi nt h eo n ed i m e n s i o n a ln o n u n i f o r ma t m o s p h e r ep r e s s u r ep l a s m al a y e r s，e i t h e ru n m a g n e t i z e do rm a g n e t i z e da n dc o v e r i n gam e t a ls u r f a c e，i Sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s C o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fn e g a t i v ei o n si nt h er e a l i s t i ca t m o s p h e r ec o n d i t i o n,t h ep l a s m ac o m p o s e do fe l e c t r o n s，a n dp o s i t i v ea n dn e g a t i v ei o n si sa s s u m e d I nt h i st h e s i s，t h eh y p e r b o l i ct a n g e n tr a m po ft h ep l a s m ad e n s i t yi sa p p l i e da tt h ea t m o s p h e r e-p l a s m ai n t e r f a c e T 1 地e f f e c t so ft h em a g n e t i cf i e l d，e l e c t r o n-n e u t r a lc o l l i s i o nf r e q u e n c y，e l e c t r o nd e n s i t yg r a d i e n t,e l e c t r o np r o p o r t i o n,a n dp l a s m al a y e rt h i c k n e s so nt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca r es t u d i e dw i t hf m i t-d i f f e r e n c e-t i m e d o m a i n(F D T D)m e t h o d I ti sf o u n dt h a t，f o rag i v e ni n c i d e n tw a v ef r e q u e n c yr a n g e，i nt h el o w e rf r e q u e n c yr e g i m e，t h el a r g e rt h ed e n s i t yg r a d i e n ti s，t h el a r g e rt h er e f l e c t i o ns h a l lb e；w h i l ei ti st h eo p p o s i t eb a s i c a l l yi nt h eh i g h e rw a v ef r e q u e n c yr e g i m e；t h eh i g h e rt h ee l e c t r o n e u t r a lc o l l i s i o nf r e q u e n c y，t h el a r g e rt h ee l e c t r o np r o p o r t i o n,a n dt h et h i c k e rt h ep l a s m al a y e r，t h eb r o a d e rt h ea t t e n u a t i o nb a n d w i d t ha n dt h ew e a k e rt h er e f l e c t i o n T h ea p p l i c a t i o no ft h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dC a ne n h a n c et h ea t t e n u a t i o nb a n do ft h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et oac e r t a i ne x t e n t I ti ss h o w nm 乩t h er e f l e c t i o na n da t t e n u a t i o na r ei n f l u e n c e dg r e a t l yb yv a r i o u sp l a s m ap a r a m e t e r sa n dt h em a g n e t i cf i e l d I ti sa l s of o u n dt h a tl o wr e f l e c t i o no rh i g ha b s o r p t i o nc 孤b er e a c h e db yp r o p e r l yc h o o s i n gm a g n e t i cf i e l d，e l e c t r o n-n e u t r a lc o l l i s i o nf r e q u e n c y，h i g he l e c t r o np r o p o r t i o n,t h i c kp l a s m al a y e r,a n ds m o o t hd e n s i t yg r a d i e n ti nt h el o wf r e q u e n c yr e g i m e，b u ts h a r pd e n s i t yg r a d i e n ti nt h eh i g hf r e q u e n c yr e g i m e K e，rW o r d s：E l e c t r o m a g n e t i cw a v e；P l a s m a：R e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t；F I)T D独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意作者签名：壶兰圣塑日期：丝堕大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：而红梅导师躲量堕麴坐年月工日大连理工大学硕士学位论文1绪论等离子体物理学，无论从其理论研究还是其广泛的实际应用方面来说，都是一个活跃的研究领域。等离子体物理学是在5 0 年代迅速发展起来并在工程上得到广泛应用的一门学科。近年来，等离子体物理学在电离层等离子体物理、大型电子设备和电磁防护以及等离子体隐身领域广泛的应用前景，引起了人们的广泛关注。电磁波与等离子体的相互作用，特别是电磁波在等离子中的传播和吸收是等离子体物理学研究的基本问题之一，更是一个古老而活跃的话题。1 1 等离子体的基本理论1 1 1 等离子体的基本概念等离子体是继物质三种形态固体，液体，气体之后，人们发现的第四种物质形态，它普遍地存在于自然界中口1。任何不带电的普通气体在受到外界高能量源的作用后(如对气体施加高能量粒子轰击、强激光照射、高压气体放电、热致电离等方法)，部分原子中的电子吸收能量超过原子电离能后脱离原子核的束缚而成为自由电子；同时原子因失去电子而成为带正电的离子。这样原中性气体因为电离将转变为大量自由电子，正离子和部分中性气体原子组成的与原气体具有不同性质的物质，这种物质就成为等离子体。如火焰和电弧中的高温部分，太阳和其他恒星的表面气层。地球上空8 0,4 0 0 1 m处的电离层就是等离子体，是太阳紫外线和宇宙射线使该处空气发生电离而形成的。在军事上，核爆炸、放射性核素的射线、高超音速飞行器的激波、燃料中掺有铯、钾、钠等易电离成分的火箭和喷气式飞机的射流，都可以形成弱电离的等离子体口1。但是并非所有的自由电子、正离子和部分中性气体组成的物质都是等离子体，只有具有足够高的电离度的电离气体才具有等离子体的性质，才能称为等离子体。等离子体具有良好的导电性，如普通气体中有0 1 的气体被电离，这种气体就具有了很好的等离子体性质：如果电离气体增加到1，这样的等离子体便成为导电率很大的理想导电体。1 1 2 等离子体的产生方法自然界中和实验室中产生等离子体的主要方法一般说来有以下几种方式H 1：(1)热致电离产生等离子体原则上，热致电离是产生等离子体的一种最简单的方法。任何物质加热到足够高的温度后都能产生电离。当粒子所具有的动能使粒子间的碰撞足以引起相碰粒子中的一个平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用粒子产生电离时，才能得到等离子体。所以热致电离的机制还是碰撞相互作用，而不是加热后原子直接产生电离。(2)气体放电产生等离子体气体放电是工程和实验室用来产生等离子体的常用方法。气体放电分为自持放电和非自持放电两种。非自持放电是靠外界电离因素(如火焰、紫外线或放射性等)的作用，使气体电离而产生放电的。当消除外界电离因素后，放电就停止。与非自持放电的情况相反，自持放电能持续进行，因此，利用气体放电产生等离子体时，普遍采用气体自持放电过程，如火花放电、电弧放电和辉光放电等。(3)强激光产生等离子体激光具有能量集中和可以控制的特点，因此利用激光产生高温而获得等离子体，引起了人们广泛注意。激光的能量密度高的相当惊人，由于气体在极短的时间内从激光束中吸收了大量的能量，这样可以得到密度较大的强电离等离子体。激光产生等离子体应该说是光致电离的结果。利用激光产生等离子体的最大优点是等离子体具有确定的位置。在实验室里，用这种方法，除了能得到温度较低的部分电离的冷等离子体外，还可以获得高密度的激光等离子体，从而实现热核反应的条件。(4)放射性核素产生等离子体放射性核素在其衰变过程中，能自发的放出一种或几种射线，这一衰变过程遵守指数定律。衰变过程中放出的射线具有很高的能量，他们在穿过空气过程中会和气体分子作用，使分子电离，产生大量的电子和离子，形成等离子体。1 1 3 等离子体的分类等离子体分类有多种方法嘲，本文简要介绍几种：(1)按存在分类按存在可分为：天然等离子体和人工等离子体。宇宙中9 9 的物质是以等离子体状态存在的，如恒星星系、星云、地球附近的闪电、极光、电离层等都为天然等离子体。人工等离子体如日光灯、霓虹灯中的放电等离子体，等离子体炬(焊接、新材料制备、消除污染)中的电弧放电等离子体和气体激光器以及各种气体放电中的电离气体。(2)按电离度分类按电离度可分为：完全电离等离子体，强电离等离子体和弱电离等离子体。通常等离子体中存在电子、正离子和中性粒子(包括不带电荷的粒子如原子或分子以及原子团)三种粒子。设它们的密度分别为心，吩和，定义电离度口=(吃+)，以此来衡量等离子体的电离程度。日冕、核聚变中的高温等离子体电离度都是1 0 0，像这样口=l一2 一大连理工大学硕士学位论文的等离子体称为完全电离等离子体。0 0 1 口 1 的等离子体称为强电离等离子体，1 0-6 口 Z、疋 瓦，人们把这样的等离子体称为低温等离子体。(4)按粒子密度分类按粒子密度可分为：稠密等离子体和稀薄等离子体，如恒星灼热的高温使其成为等离子体，粒子数密度约1 0-1 0 3 1。目前，人们采用高功率激光束，以极高的功率加热而得到等离子体，其粒子数密度高达1 0 嬲-1 0 嚣，我们称这种等离子体为稠密等离子体。又如星际气体云内粒子数密度约在1 0 3-1 0 6 之间，地球外层空间的电离层内，粒子数密度约在1 0 -1 0 1 2 之间，它们都属于稀薄等离子体。1 1 4 等离子体的特征参数(1)等离子体密度等离子体密度是描述等离子体的重要参数嘲之一，它表示单位体积(每立方米)内所含的电子数或离子数的多少。一般情况下，电子密度和离子密度吩近似相等。在自然界和实验室制得的等离子体由于形成的方式不同，不同等离子体密度差异很大，在很大范围内变化。(2)等离子体频率等离子体的另一个重要参数是等离子体频率伍3。如果在等离子体中存在电子的扰动(使电子与离子本底有个位移)，将在等离子体中形成电子的振荡。等离子体频率就是用来描述外界某种扰动引起的等离子体内部电子和离子的振荡情况。频率的大小表示了等离子体对电中性破坏反应的快慢。从能量的观点来看，在振荡过程中，被扰动的电子将以一定的频率在质量大的、相对不动的正离子云中间振荡，不断进行着粒子热运动动能和静电位能的转换，最后将由于碰撞阻尼或其它形式的阻尼而把能量耗散，直到振荡一3 一平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用终止。人们通常把电子振荡角频率称为等离子体振荡角频率，习惯上也把称为等离子体频率。其定义为=辱式中，吃是等离子体中自由电子密度，e 和鸭分别是单电子的电量和质量，岛是真空中的介电常数。可以看出，等离子体频率彩。取决于等离子体中的自由电子密度。若等离子体的密度用每立方厘米的粒子数来表示，则等离子体频率为厶9 1 0 3(1 2)(3)等离子体温度由于等离子体包含两到三种不同组成粒子：自由电子，正离子和中性粒子。这使得我们针对不同的组分定义不同的温度：电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。在低温等离子体中，电子温度通常为几个e V(1 e V 约等于1 2 0 0 0 K)，而离子和中性粒子的温度(即通常所说的气体温度)依然在室温附近。高度电离的等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。(4)德拜长度等离子体的电中性是宏观平均意义上讲的，因为每个带电粒子附近都存在电场，该电场被周围粒子的场“屏蔽 时，在一定的空间外显电中性。这种屏蔽称为德拜屏蔽，“屏蔽”粒子场所占的空间尺寸称为德拜长度乃。如某一电离气体表现出等离子体性质，那么在空间的最小线度L 必须远大于德拜长度。必须强调的是：德拜长度仅仅是一个数量级的概念，可以表示为九=屠(1 3)(5)碰撞频率碰撞频率也是描述等离子体特性的一个重要物理量之一，其定义为电子在等离子体中与其它粒子单位时间内碰撞的次数。等离子体对电磁波有吸收作用，很大程度上取决于碰撞频率的存在。电磁波的电场对电子做功，电子获得动能，再通过它与中性粒子，正离子和其他电子的碰撞，把这种能量转换为粒子无规则运动的能量，使得电磁波能量被吸收。4 大连理工大学硕士学位论文1 2 波与等离子体相互作用1 2 1 等离子体的特性等离子体，作为一种电离的气体，具有许多不同于一般气体的特殊性质，本文简单列举一些波在等离子体中传播的典型特性口1：(1)等离子体的参数有很大的变化范围，表征自然界中存在的或者实验室内获得的等离子体的参数可以相差许多数量级。(2)等离子体往往很不均匀，以至在参数逐点变化的介质内发生波的传播。在等离子体内，很少出现明显的分界面，并且典型的情况是介质性质平滑但有非常大的变化。这种变化往往大的使介电常数改变符号。在其他问题中也遇到不均匀介质，但通常存在明显的分界面，很少遇到介质性质有比较微小和平滑的变化。(3)等离子体可以比较容易地成为介电常数几乎等于或等于零的弱吸收介质。这就导致出现衰减极为微弱的等离子体波的可能性和其他一些重要的特征。(4)波在等离子体中传播有相当大的频率色散，即等离子体的介电张量占依赖于频率缈。(5)在恒定磁场的作用下等离子体的性质发生显著变化。因此，即使通常认为很弱的磁场(如地球磁场)，也能大大改变波在地球电离层内和其它场合下的传播特性。(6)即使在相当容易获得的电场内，等离子体的电磁性质也出现非线性。这导致等离子体中传播的波的非线性相互作用(交扰调制等)。在其它介质中(除铁磁体和铁电体等以外)，非线性效应仅在很强的场内才会出现。1 2 2 波在等离子体中传播的各种情形波作为一种物质运动的形态，它不仅仅能在空气中传播，也能在等离子体中传播。由于等离子体是一种特殊的带电物质，波在其内部传播的形式和内容都将比普通的声波的传播更为丰富和复杂。在许多场合下，常常遇到电磁波在等离子体中的传播和吸收问题，其中最重要的有下列情形：(1)无线电波在地球高层大气(电离层)中的传播。(2)各种低频电磁波在电离层、外逸层以及与之相毗邻的行星际空间区域中的传播。(3)起源于宇宙天体的射电波在太阳大气、星云、星际空间和行星际空间中的传播。这些波可以用射电天文学的方法来研究。类似的情形还有：接受太阳、月亮和行星的雷达回波以及和遥远的人造地球卫星、宇宙火箭等进行通讯时所用的波的传播。(4)低频波，包括磁流体波和磁声波，在外层空间条件下的传播。一5 一平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用(5)等离子体波在宇宙天体条件下(如在日冕内等)和地球电离层内的传播。(6)各种电磁波在实验室条件下，研究气体放电时和在研究受控热核反应的装置中等，产生的等离子体内的传播。此外，由于宇宙中的物质绝大数处于等离子体状态，所以整个光学、天文学也和电磁波在等离子体中的传播有关。同时，等离子体的概念，不仅对于气体的研究，而且对于研究固体的某些性质(金属光学，固体中的分立能量损耗，存在大量载流子时半导体内的回旋共振以及某些其它效应)都是一个合适和有用的概念。1 3电磁波与等离子体相互作用的应用电磁波与等离子体的相互作用，特别是电磁波在等离子体中的反射和吸收，是一个古老而又活跃的领域。这一领域是许多高科技应用的理论基础，在实际中具有重要的应用价值。1 3 1电离层空间通讯众所周知，电离层对电波通讯【8】有重要意义。现代的地一地无线电波通信和地面一卫星之间的通信都借助于电离层。自从人造卫星上天以后，无线电波在电离层中传播的规律及其应用的研究，扩展到穿越整个电离层区域的传播规律问题。电离层中各副层的自由电子及粒子的密度会随着太阳周期的变化而改变，所以当地球磁暴发生时电离层电子浓度会急剧攀升，这样造成了通讯系统受到很大影响。电视及广播很少受太阳周期因素影响，但长距离的通讯系统如从地表传到空中、从船上把讯号传送到陆地上及业余通讯，都会因此而造成讯号被中断，军用通讯系统，在太阳极大期发生时，受到严重的阻碍影响。太阳活跃区发射出来的高强度电磁波，甚至还会造成电波通讯系统出现阻塞的现象。卫星导航系统对太阳活动期的阻扰也非常敏感。飞机及船只利用卫星导航系统来定位，而电离层受到干扰时会影响讯号的传播，造成定位系统出现很大的误差值。导航系统在地球磁暴或粒子活动发生时，如果事先通知而处于借用系统状态，所受的影响就不至于那样大。这一系列影响均由于电离层受到干扰。因此高频电磁波在等离子体中的传播特性的研究，对开发近地面飞行器的电磁屏蔽技术及在宇宙物理学和无线电空间通信等技术中有广阔的应用前景。1 3 2 等离子体微波电子学随着等离子体微波电子学的发展，很多国家的学者都开始了对等离子体填充微波管理论和实验的研究。最初在等离子体中产生电磁波是基于把等离子体作为一种慢波结构的想法们，这种思想在二十世纪五十年代后期得到了实验的证实n 卜1 2 1，随后在六十年代，一6 一大连理工大学硕士学位论文人们做了大量基于电子注与等离子体相互作用的微波源的理论与实验研究n 射。在七十年代和八十年代，在这些器件被相对论电子注驱动时，等离子体填充微波器件焕发了生机，这些等离子体填充相对论微波器件至少具有两个优点。第一，在高电压时能够较方便地从等离子体中提取微波能量，因为相对论电子注的运动速度接近光速，这使得可以不必减慢同步波的相速，相应地，具有很大相速度的电磁波能够很容易耦合进真空区域。第二，真空器件由于受空间电荷效应的影响，存在一极限电流即空间电荷限制流，等离子体具有电中和效果，应用等离子体可以有效的中和大电流电子束的空间电荷效应，这使得等离子体填充的微波器件能工作在比真空极限电流更大的电流范围内，从而进一步增加输出功率。随着对等离子体填充微波器件研究工作的不断深入，国际上对等离子体填充行波管的研究也取得了令人振奋的工作进展。研究发现若在高功率微波电真空器件(如相对论返波管、回旋管等)中填充受控等离子体，其性能将发生很大的改变。不仅可以提高器件的输出功率，而且可以显著的改善器件的带宽和互作用效率，甚至可以去掉引导磁场。相对论微波器件无论在军事对抗，还是民用方面都有重要的应用价值。在军事上可用作定向能武器、超级干扰源、强功率雷达和冲击雷达、强功率微波射束河微波炸弹等，是现代军事电子装备所急需的器件。民用方面它在无线电功率传输、高分辨率雷达、微波等离子体激光以及工业加工、环境净化、医学、生物学、新材料制备等面也有着广泛的应用前景。相对论微波器件有很多种，它包括相对论速调管、相对论磁控管、相对论返波管、相对论行波管、相对论介质切伦可夫脉塞、回旋管、自由电子激光等u 4 挎1。它们的同特点都是将电子束或其它媒质的能量有效地转换很强的电磁能。1 3 3 等离子体天线等离子天线技术不采用传统的金属设计，而采用气体等离子体天线技术。等离子体天线，一般来说由内部填充了一定气体的玻璃管或陶管所组成，通过将其内部的气体电离从而使天线处于工作状态，在电离过程中可以通过控制等离子体的形态和强度等参数对其结构进行动态重构，使其适应不同的传输频率、方向、增益和传输带宽等。因此一个等离子天线可以承担几个不同的金属天线的功能，使得组建天线阵列所需的天线数量大大减少，其体积和重量也一并减少。相对于传统金属天线，等离子天线具有无可比拟的优点，主要包括：(1)隐形性：当除去电离状态后，等离子体天线将不会产生后向散射雷达波，也不会吸收可降低电子对抗效能的高功率微波辐射。一7 一平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用(2)适应于多种信号：等离子体天线具有可动态重构的特性，如带宽、频率、增益和指向性。(3)便于远程部署：等离子天线可以不需要很大的体积就可以进行低频信号的传输，其效率将更高、重量更轻、体积更小、尺寸更短、带宽更宽。(4)效率更高：等离子体天线很好地降低冲击激励效应，从而提高了短脉冲雷达的性能。(5)抗干扰：由于等离子体的性质，等离子天线将只会对低于或等于等离子体本身震荡频率的电磁波进行响应，高于该频率的电磁波，将可以自由穿过等离子体天线，并不会对等离子天线产生影响，从而大大降低了等离子天线之间的干扰。这些独特的优点将使等离子体天线技术具有广阔的应用前景，如用于海军水面舰与潜艇雷达天线、隐形飞机雷达天线和弹道导弹防御雷达天线等。1 3 4 核聚变等离子体加热核聚变研究的主要任务之一就是设法把等离子体加热到聚变温度。微波加热是一种基本加热方式。其加热原理啪1 为：利用等离子体中存在的内在本征波，如离子回旋波(频段为就I O O M H z)，电子回旋波(频段为I O O G H z)，以及所谓的低混杂频波(频段为几个G H z)，通过外部高频器件(离子二极管波发生器，速调管，回旋管)发射强功率微波，由天线耦合或波导传输进入等离子体，通过一些特殊的共振或非共振机制使等离子体的电子或离子得到加热。最有效的是离子回旋共振加热，已经实现将离子温度加热到聚变堆所要求的温度(2 0 k e V)，电子回旋加热则可以局部加热电子到很高温度，一般用于辅助加热手段；低混杂频段的波则常常用于波电流驱动。1 3 5 等离子体隐身等离子体隐身技术是指利用等离子体干扰敌方雷达探测的一种技术，它是实现雷达隐身的一种新途径，是雷达隐身技术的最新发展。从理论上说，等离子体隐身技术利用的是电磁波在等离子体中传播时发生的吸收，反射和折射等现象。它利用等离子体发生器、发生片或者放射性核素在兵器或者物体表面形成一层等离子体云，设计等离子体的特征参数(能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等)使之满足特定要求，使照射到等离子体云上的雷达波一部分被吸收，一部分改变传播方向，令返回到雷达接收机的能量大大减少，使敌方难以探测，从而达到隐身的目的。此外，还能进一步通过控制等离子体的特征参数，改变反射信号的频率，使敌雷达判断出错误的飞机位置和数据从而实现隐身。一I 一大连理工大学硕士学位论文相对于常规的隐身技术，等离子体隐身技术所具有的一个很大优点是涂覆在目标表面的等离子体包层能够很快的产生和消逝乜。当自身通讯或雷达系统不发送和接收信息的时候，等离子体可以快速产生包裹系统，使己方“隐身 于对方的雷达波探测；而当己方系统需要发送和接收信息时，可以通过开关让等离子体迅速产生和消逝。除此之外，等离子体隐身技术还具有如下优点：吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好，使用简单、使用时间长、价格相对便宜；由于没有吸波材料和涂层，维护费用大大降低啪1；它对于长波的吸收能力比短波的更强，而通常的雷达吸收涂覆只对厘米波以及波长更短的雷达波有效，而且无需改变飞机等设备的气动外形设计。俄罗斯的风洞试验证明，利用等离子体隐身技术，将某种等离子体发生器布置在飞机表面选定的几个位置上，在飞机飞行中释放出一定的等离子流不但不会影响飞行器的飞行性能而且还可以减少3 0 以上的飞行阻力。1 3 6 强激光等离子体强激光等离子体物理学例是与等离子体物理学和光物理学两大学科联系在一起的新兴学科。近三十多年来，它随着激光核聚变研究和激光技术迅速发展而迅速发展起来。强激光与等离子体相互作用的研究是强激光等离子体物理学的一个重要研究方向，它对能否顺利实现惯性约束核聚、激光驱动粒子加速、谐波的产生、X 射线激光和强激光在大气中长距离传输(激光大气遥感、激光引雷等)等重大应用都起着极其重要的作用 2 4-3 1 o但随着激光技术的迅速发展，越来越高功率、高强度的激光器的应用使得激光在电离气体以及等离子体中传输时与物质发生越来越复杂的相互作用，并不断呈现出新的物理现象。因此，强激光等离子体物理的研究不仅是国际热点、前沿研究方向，也是国家高技术发展计划惯性约束核聚变主题和激光技术主题的重点发展方向。同时，对强激光在电离气体以及等离子体中传输特性的研究对基础物理学科的发展也将起着巨大的促进作用。强激光等离子体物理学研究内容主要包括激光在等离子体中的传输和吸收、等离子体波的激发、激光等离子体参量不稳定性、超热电子的产生和输运、自生磁场的产生等丰富的等离子体集体现象和非线性效应。当今国际前沿主要包括三个方面：超短脉冲强激光与等离子体相互作用；激光与大尺度等离子体的相互作用：激光驱动粒子加速物理研究。一9 一平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用2 时域有限差分方法1 9 6 6 年K S Y e e【3 幻首次提出时域有限差分(F i n i t e-D i f f e r e n c e T i m e-D o m a i n)方法，即著名的Y e e 差分格式。F D T D 方法的提出具有划时代的意义，它在计算精度和稳定性等方面实现了质的突破。F D T D 方法在其后的几十年中被广泛应用于求解与M a x w e l l方程组有关的问题，研究领域从电磁学到光学，无处不在。8 0 年代后期，F D T D 方法被成功地用于微波电路的时域分析中，9 0 年代以来又被用于天线辐射特性、电磁兼容分析等的计算问题。随着计算机性能的大大提高和此方法的日益成熟，其应用范围不断扩大，应用效果不断提高。在这些过程中虽然产生了许多变形和改进，但基本思想不变。此方法原理简单，表述简明，容易理解，因而在科学研究和工程电磁学领域倍受重视。目前，F D T D 方法现已被广泛应用于电磁传播、辐射与散射等多种电磁问题的求解口钔。2 1F D T D 方法的基本原理和特点在F D T D 方法中，采用Y e e 氏离散方式，即对M a x w e l l 方程中的电磁场E、日的各个分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，使每一个E(或日)场分量周围有四个日(或E)场分量环绕。应用这种离散方式将含时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。Y e e 提出的这种抽样方式后来被称为Y e e 元胞。由于该方法是直接从M a x w e l l 方程出发对电磁场进行有限差分的一种数值方法，因而具有较大的优越性。在计算中将空间某一样本点的电场(或磁场)与周围格点的磁场(或电场)直接相关联，且介质参数已赋值给空间每一个元胞，因此这一方法可以处理复杂形状目标和非均匀介质物体的电磁散射、辐射等问题。作为一种电磁场的数值计算方法，时域有限差分方法具有一些非常突出的特点嘲，也是它的优点。主要在以下几个方面：(1)直接时域计算：时域有限差分方法能够直接给出非常丰富的电磁场问题的时域信息，给复杂的物理过程描绘出清晰的物理图像。如果需要频域信息，则只需要对时域信息进行F o u r i e r 变换，为获得宽频带的信息，只需在宽频谱的脉冲激励下进行一次计算。(2)计算程序的通用性：由于时域有限差分方法的直接出发点是概括电磁场普遍规律的M a x w e l l 方程，因此它的基本差分形式对于广泛的电磁场问题具有通用性，近几年的发展也证实了这一点附铷大连理工大学硕士学位论文(3)节约存储空间和计算时间：在时域有限差分方法中，所需的存储空间直接由所需的网格空间决定，在计算时，每个网格电磁场都按同样的差分格式计算，所以所需的时间也与网格总数成正比。与矩量法相比，不需要求解大规模的代数方程组。(4)适合并行计算：时域有限差分方法的计算特点是，每一个网格点上的电场(或磁场)分量仅与它相邻的磁场(或电场)分量及上一步该点的场值有关，这使得它特别适合并行计算。(5)简单、直观、容易掌握：由于时域有限差分方法直接从M a x w e l l 方程出发，不需要任何导出方程，这样就避免了使用更多的数学工具，使得它成为所有电磁场的计算方法中最简单的一种。2 2M a x w e I I 方程组及其F D T D 算法2 2 1M a x w e I l 方程组及其Y e e 兀胞M a x w e l l 方程组由两个旋度方程和两个散度方程组成：v 日：望+，(2 1)拼V 心一等一L(2 2)西1V B=成(2 3)V D=p(2 4)其中，E 为电场强度(伏特米)；D 为电通量密度(库仑米2)；日为磁场强度(安培米)；曰为磁通量密度(韦伯米2)；，为电流密度(安培米2)；L 为磁流密度(伏特米2)：成为磁荷密度(韦伯米3)；户为电荷密度(库仑米3)。当只考虑各向同性媒质时还有如下的本