高频电磁波在大气条件下的部分电离等离子体层的功率吸收

高频电磁波在大气条件下的部分电离等离子体层的功率吸收 高频电磁波在部分电离的大气等离子体层的功率吸收 摘要:在大气环境下，前人已经研究了电磁波在覆盖一层均匀等离子体层的金属 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的传播、吸收和反射。前人的工作不是研究等离子体的在传播过程中的一次的吸收，而是第一次得到了一个普遍的电磁波在大气等离子体层和金属表面层经过长时间反射后总的衰减。文中讨论了等离子体参数的影响，特别是正负离子，电子在等离子体所占比例对电磁波功率衰减的影响。结果表明负离子的存在明显降低了电磁波在等离子体的功率消耗。并且计算出了电磁波的衰减。 1、引言 等离子体物理中电磁波和等离子体的相互作用是一个重要的课题。近年来对于电磁波在低温等离子体中传播的研究持续升温，因为它在大气压放电时电磁波吸收方面的潜在应用。Vidmar 发现大气压放电生成的冷碰撞等离子体可以用作宽频带的吸收。Laroussi 等人后来用数值模拟计算了微波在高压等离子体中的传播。Koretzky 等人后来演示等离子体焰炬可以有效地吸收微波能量。Liu 和Tang 等人研究了雷达波在均匀磁化板模型等离子体中的吸收、放射和传播。这些工作大部分都集中于电子在吸收、反射和传播的影响。这也很容易理解，高频电磁波在部分电离的等离子体传播时，等离子体中的电子总数对应于波所激发的高频电子模式。这些模式将会产生电子集体运动模式，从而电子的运动就包括无 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 的热运动和有序的集体运动，电子与中性气体分子碰撞将其有序运动的能量部分转移至中性气体分子无序运动之中，从而实现了电磁波的衰减与相位移动。然而，在大气环境下，存在一部分的氧气分子。由于负电性比较高，这些氧分子容易吸附电子从而变成阴离子。据研究，在大气条件下，阴离子数占所有负电荷总数的80%以上。阴离子的组成会严重降低电子的总数，从而影响到电磁波的传播。在最近的研究中，我们关注于阴离子在均匀非磁化板等离子体模型中吸收、放射和传播中的作用。 2、模型和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 为了简化问题和集中于物理过程的研究，假设电磁波是平面波并且垂直入射至等离子体平板。这个平板等离子体外围表面由厚度为d的金属包围。另外，我们假设该等离子体低温、弱电离、碰撞均匀，且处于稳恒状态。从空气中入射至等离子体中的电磁波总功率为Pi，在z = 0处，电磁波部分被反射，电磁波在等离子体中传播和吸收。我们用Pa，Pr，Pt分别表示电磁波在等离子体中的传播时的吸收，反射，传播功率，则在两种介质分界面有Pi= Pa+Pr+Pt。如果在等离子体中，没有极化电荷和极化电流，则电磁波在等离子体中的传播遵循麦克斯韦方程组: 汛E=-jHwm0 (1) HE汛=+sweej()r0 sJE=s在经典物理学中，由欧姆定律(指电导率)则上式可以写成 汛E=-jHwm0 (2) %HE汛=jweer0 s%1je=-其中，指的是等离子体的复合介电常数。如果电磁波沿z轴传播，rew0 %jwtz-g则，由色散关系 EEe=0 2w2%% (3) ge=-r2c 其中，%%指电磁波的复合传播常数，，指衰减系数，指相位系数。 gab=+jbga 在部分电离的等离子体中，我们可以令中性气体和正离子，负离子，电子的碰撞频率分别为，则 nnn,,+-ennn ,,n==+-RnCle (4) ()ålnllln 其中，指的是l粒子和中性气体的碰撞截面,C指的是l粒子的热速度，指nlålnl的是l粒子的粒子数密度，R指的是相关系数。在这种情况下，显然有 (5) JenVenVenV=-+-ee++-- V，V，V指的是电子，正离子，负离子的速度。对于平面波而言，由牛顿方程 e+- jmVeElejmVeEwnwn+=-=-+=,(,),,对于带电粒子和欧姆定律()()lnnll+++ s%有1j，我们有电导率的表达式，由JenVenVenVE=-+-=se=-ree++--ew0此我们可以推出复合介电常数的表达式 222骣www?pepp+-ç?ç%1e=-++-?r222222ç??çwnwnwn+++桫+-ennn (6) 222骣wnwnwn1?++--çpeenpnpn?çj++?222222ç??çwwnwnwn+++桫+-ennn 111222222骣骣骣nenene鼢 e+珑 -鼢 www===,,,nnn=+其中由电中性可知。 珑 鼢 +-+-epepp珑 鼢 珑 eeemmm桫桫桫000+-e 因为均匀等离子体密度是一个常数，对于某些电磁波，在等离子体内部没有反射。仅在空气和等离子体分界面z = 0处，初始反射功率是 2%1-erPPP==l (7) 0rii%1+er 2%%lee=-+11其中，表示电磁波由空气射入等离子体中的反射系数，也可以表rr 2??%%lee=-+11l示为指等离子体射空气中的反射系数。在等离子体内rr 部，电磁波功率为 ---222aaazzzPzPePePe==-=-P1l (8) ()()()0rtii 假定金属为良导体，则其表面为全反射界面，电磁波传回空气等离子体界面时，有 ,4,d (9) P,,,11,,,,PPe，，，，1ii ,4,d,,e其中，指的是电磁波两次通过等离子体层的吸收功率系数(在等离子体金属界面有一次全反射)。因此，电磁波从金属表面反射后通过空气等离子体 2分界面进入空气是的功率为P,,,,,11,,,PPP，指在P，，，，1t1ir1r1空气等离子体界面反射时的附加贡献，这也是下标用“r1”的原因。则新的入射功率为，相应的波在第二次反射后传回等离子体空气界面PPP,,,,,,(1)li11, nn,,11是的功率为。从而，显然。PP,,,PP,,1,P,,,,PP,,，，21r22nn,11因此，第n次反射的附加贡献可以写成 2nn,,,111nnP,,111,,PPP,,,,,,,,, (10) ，，，，，，rnn1i则，电磁波在等离子体表面(空气等离子体分界面)的总反射为 223，， (11) PP,P11,,,,,,,,,,,，，，，，？，，，，，，rii，， ,,,1显然，，则上面的是式子收敛为 2P,,PP,,,11,,,, (12) ，，rii 则总的吸收功率为 (13) P,PPP,,,,,,1111,,,,,，，，，，，，，airi，， 在此，我们注重等离子体内部的吸收忽视金属表面的反射。如果在金属等离子体表面有功率损失，我们可以通过式(13)进行修正，下文中我们对此有讨论。 3、数值结果 +不失一般性，我们假设在大气压条件下正离子为Ar ，由于强电场电子运动—剧烈负离子为O。然后我们计算和讨论负离子对1GHz到10GHz的高频电磁波功2 率吸收的影响。对于每种频率的电磁波，我们从0.1到1改变电子数密度的百分比 ,=0.1,=0.1,=nn，可类比于大气条件下电子数较少，表示等离子体中没有e， 负离子。假定等离子体别的参量如下: ,,192202,,，,51010mm,,TTKTK,,,503000,, ,,,，,ennen，, ,l,，,,,,01.GHz,,05.GHz我们假定为例5中给出的值和。 ，，lnenen 对于一个厚度为0.1cm的等离子体层，我们假设电磁波吸收功率与入射波功 ,,01.GHz,,05.GHz率的比值和电磁波频率有关。在和两种不同的离子电enen 子碰撞率下，电磁波在等离子体层总的吸收功率与入射波功率的比值和电子数密度对应。 如图示，表1给出了电子中性粒子低碰撞率的情况，表2则给出了高碰撞率的情况。显然碰撞率越高，电磁波的吸收越强。在没有负离子的常规等离子体中，即，较高的电子中性气体碰撞率会使等离子体的吸收覆盖全部的功率谱。,=1 我们也可以发现在两种情况下，等离子体层对高频电磁波的吸收大多取决于它的电子布局。随着电子数比率的增加，吸收功率的带宽和最大值也会增加。对于理想等离子体而言，即，电磁波在功率谱较宽的频率范围内有较高的吸收,=1 率，并且频率越高时，吸收功率的的最大值也会越大。显然，负离子的存在将会明显的降低等离子体层对高频电磁波的功率吸收。 4、结论 频率在1GHz到10GHz范围内的高频电磁波穿过表面由金属包围且未磁化的均匀等离子体层时，电磁波的吸收，反射和传播功率与相对电子密度有关。等离子体层中相对电子比例对电磁波的吸收功率影响较明显。降低，电磁波的带,, ,=0.1宽和最大吸收功率都会降低。如果，则对于高频(3GHz)电磁波，等离子体层可以当做是透明的。另外，高的离子电子碰撞率也有助于电磁波的吸收。 显然，等离子体中高频电磁波的吸收主要取决于电子。因为GHz的频率在电子模式范围内。因此，在等离子体中是电子和电磁波的相互作用消耗了能量。能量消散的通道主要是电子和其他部分碰撞，比如背景粒子为离子和中性粒子。电子数和消耗，即碰撞率，是高频电磁波吸收功率的主要原因。关键因素是电子的 ,=0.1总数。当，如图2所示，对高频电磁波而言等离子体层也可以当做是透明的。 因此，高频电磁波在部分电离的等离子体中传播过程中，相对电子数密度是气传播和吸收的决定性因素。所以，在等离子体层中雷达波吸收的电流模式需重新考虑在大气条件下负离子的存在严重降低了电子总数。 在我们的模型中，我们关注于波的吸收，而忽略了波功率在金属表面的损失。实际上，在等离子体金属分界面上，有小的且有限的功率损失比率，记为。则, ,,,,,1-,1-,每次反射造成的功耗系数为，需修正为。在我们的模型中仅仅，， ,,,,,1-用代替，相当于将等离子体层加厚，上述的结论和讨论依然有效。,，， 由电磁学上的经验公式，垂直入射至金属表面的平面电磁波功率反射比为,,,,,42。显然，对于导电性较高金属，，例如微波频段铝表面反射，, 10 。即使考虑这微小的损耗，我们依然很难区分开理想导电性的金,,0003--0010..— 属表面情况和铝表面情况。因此可以忽略这种情况。 通过研究电磁波在等离子体层衰减，计算其相移系数与衰减系数同样可以得到等离子体的参数从而达到等离子体诊断的目的。