高温磁化等离子体中太赫兹波传输特性的数值研究

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当飞行器从太空返回地面经过大气层时,由于飞行的速度过快,使得飞行器周围的空气被激发到非常高的温度,致使飞行器周围空气分子被电离形成温度过高的等离子体鞘层。正因为等离子体鞘层的出现,使得电磁波在传输过程中会出现强吸收以及反射较大等现象,阻碍了飞行器与空间站以及地面等的联系,通信性能严重下降,甚至通信中断,著名的“黑障”现象由此而来。为了解决这一难题,一直是航天通信领域的一个热点难题。二十世纪以来,随着太赫兹波源被大量研究人员的开发与应用,研究发现太赫兹波波段的电磁波拥有强穿透性。因此越来越多的研究人员开始对太赫兹波展开了研究,使得太赫兹科学技术取得了前所未有的成果与进步。此外太赫兹电磁波还有低能性、相干性以及宽带性等特点,应用十分广泛。基于以上这些特点,有科研人员开始针对“黑障”这一类问题对太赫兹波段展开研究,发现了太赫兹波对于解决此类问题有着很好的帮助。因此基于“黑障”问题、太赫兹电磁波和高温等离子体相互作用以及等离子体隐身技术等,本文重点从理论以及数值上研究了磁化高温等离子体鞘层中电磁波的传输特性。过去的人们主要集中对太赫兹波在冷等离子体中进行理论以及实验研究,得到了大量太赫兹波在冷等离子体中传输的研究结果。本文是在前人工作的基础上主要对电磁波在高温磁化等离子体中进行理论以及数值分析。我们分别采用了解析法研究磁化均匀高温等离子体中太赫兹波入射的影响,Wentzel–Kramers–Brillouin法以及散射矩阵法分析了左右旋圆极化太赫兹波在非均匀等离子体中的透射特性,尤其对太赫兹波斜入射等离子体中的情况进行了讨论。数值结果表明,采用的三种方法对于解决这一类问题都符合的特别好,还与已有文献进行了对比,得到了结果都非常吻合,也能表明所采用的方法是正确的。我们主要是从理论上研究了物理参数包括外磁场B、等离子体中电子温度Te、入射角θ、等离子体中电子密度Ne、等离子体中电子碰撞频率ven以及鞘层厚度d等对磁化高温等离子体中太赫兹电磁波的传播的影响。结果表明,在考虑外磁场B或者电子温度Te时会有一些在冷等离子体中没有的现象发生。增大外磁场B时不仅会使得透射峰值逐渐向高频移动,还会使得透射峰值逐渐增大。增加电子温度Te也会导致透射峰值逐渐增大,但对应的太赫兹波频率f几乎不会移动。在磁场的作用下,太赫兹波会被作用分成左右旋圆极化太赫兹波,右旋圆极化波的透射相对更复杂于左旋圆极化波。这是因为右旋圆极化波会发生回旋共振,导致会有强吸收的现象发生。不仅如此,入射角度θ、电子密度Ne、等离子体厚度d以及碰撞频率ven等参数对于磁化高温等离子体中太赫兹电磁波的传输也有影响。以上所得的这些理论结果在一定程度上也可为“黑障”问题的缓解以及提高电磁波的通信质量提供了依据。
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