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【摘要】本文初步探讨了尘埃簇团粒子的电磁散射特性，研究了在不考虑粒子所带电荷的库仑作用的情况下，几种典型尘埃粒子极化度的角分布。讨论了单个簇团粒子的散射特性和极化特性两个方面的性质。
【关键词】尘埃簇团粒子;电磁散射特性;极化度
0.引言
许多年以来，很多领域的科学家对非球形粒子的电磁散射都非常的感兴趣。因为非球形粒子的散射相关理论应用十分广泛，比如在地球物理学和天体物理学，比如微观生物学、物理学、胶体化学等领域的应用。尤其是在大气中的气溶胶，以及云中粒子的研究中，非球形等方面的性质，使的关于大气辐射传输等方面很难实现精确计算。然而非球形例子的复杂性、无规则粒子的光散射等相关的难题，在国际上也是一个关于散射理论研究的焦点和难点，一直有许多科学家在这方面进行了大量的实验和相关的探索。尤其是在激光技术被广泛用于通讯和雷达遥感以后，关于非球形粒子在传输中对光的散射和吸收作用的相关研究得到了越来越多的关注和重视。
最近几十年里，国外发展了多种关于非球性和非均质粒子的光散射计算方法，按计算思路的差别它们可以分为以下三类：解析方法、基于表面的方法、基于体积的方法[1]。本文着重讨论了单个簇团粒子的散射特性和极化特性两个方面的性质。同时也研究了单个球形粒子、非球形粒子以及单个小粒子群的散射特性和极化特性以及其他方面的性质。
1.尘埃粒子的散射
电磁波都具有极化和散射两种固有的属性性质，其中极化描述的是电场矢量端点作为时间的函数所形成的空间轨迹的旋向和形状，它说明了电场强度的幅度和取向随时间的变化而变化。当电磁波照射到某一介质上发生散射，因为散射与介质之间的相互作用，使得电磁波的性质将会发生变化，我们常用散射矩阵法的方法研究这种变化。散射矩阵是电磁波与介质之间相互作用，使得前后其极化状态发生变化的一个衔接，包括了电磁波散射和极化的所有信息和数据，同时能够间接的将介质本身的一些信息体现出来。
在电磁波的传播中，因为不同的波长，对应着不同的复折射率。研究已证明波长越大的电磁波对应的散射强度越小，这就意味着簇团粒子吸收的能量越大。
2.尘埃粒子电磁散射特性及极化度
2.1 尘埃粒子散射特性
在宇宙空间中存在大量的尘埃粒子，大到宇宙空间，小到实验室和工业加工车间都存在着尘埃粒子，因此对尘埃粒子的研究越发的显得重要。单簇的尘埃粒子的研究，可以进一步来研究大量的具有随机分布的尘埃簇团粒子的研究，同时我们可以探索尘埃粒子的散射特性，进而研究尘埃簇形成机理。
我们用计算机模拟具有分形结构的尘埃粒子，并对其理论模型进行分析，也就是用几种由球形粒子随机组成的粒子结构来模拟。由此来讨论体现散射特性和极化特性的矩阵，即散射矩阵，并由计算机模拟单簇的尘埃粒子的散射特性。
单个尘埃簇团粒子，由于其空间结构的复杂性、吸收截面、散射截面以及不对称因子以及入射角的变化而引起的差异相对是比较明显的，而这种差别又随着入射波的不同，变得非常大。其原因是尘埃粒子的折射率，会随着入射波的波长的变化而发生改变，这也就导致尘埃粒子对入射波的散射和吸收发生改变，从而影响了尘埃簇的总散射。此结果也可以由尘埃粒子在不同波长入射波的入射情况下，据散射强度的角分布的数值来得出。我们知道电磁波不同的波长对应着不同的复折射率，而不同的复折射率对粒子的尺寸参数是有影响的，电磁波的波长越大对应的散射强度越小，这意味着尘埃粒子吸收的能量越大。
2.2 尘埃粒子的电磁散射特征
我们在研究尘埃粒子光散射的时候，都是用以下这几个量进行讨论，而尘埃粒子的一般电磁散射特性也是通过这些量来揭示的。
1）几何反照率，其中表示方位平均值，G表示几何截面，为周围介质中入射光的波长。A与散射光的强度有关，当，即小相位角时，我们可以这样来表示和散射角之间的关系：。
2）散射强度I，散射强度一般是在大的相位角时，获得相对最大值。
3）极化度，也表示方位平均。当相位角很小的时候极化度为负值，当相位角为20度时极化度上升到0，当相位角在90度附近极化度达到最大值。
大量的研究表明，凝聚粒子在入射波作用下不同部位產生的极化是不同的，同而导致了在远处产生的散射场是不同的。[2]散射特性随尘埃粒子的尺寸的变化十分明显，所以我们构造与星际尘埃聚集粒子的尺寸相似的聚集粒子来研究尘埃的散射特性。由于粒子的形状对散射特性有着明显的影响，因此我们同时对四面体和球体这两种不同形状的单体进行了研究。
在计算单个球形粒子的散射特性时，如果采用离散偶极子近似的方法，所用偶极子的数目越大计算的结果相对越准确。而且在数目比较大的情况下，这种方法的计算结果更为接近真实值。
2.3 极化度
极化度与散射粒子的形状、尺寸和折射率密切相关。本文讨论了聚集粒子的结构和多孔性对极化度的影响。因为可用的计算资源是有限的，所以我们需要知道要采样多少样品点，才能得到所期望的准确值。
实验中我们选择单个四面体来研究所必须的样品点的数目。计算中的参数是，相应的等体积半径为。单个四面体由10726个偶极子阵列表示，对应的=0.3846。同时也计算了由球形粒子单体构造的聚集粒子的极化度。[1]
研究表明，当介质折射率虚部较小时，微分散射截面随着实部的增大有较明显的增。而当介质折射率虚部较大时，微分散射截面随着实部的增大在整个散射区域均无明显变化。[3]当散射角在90度左右时，极化度最大，而极化度的角分布也锁着单体形状的变化而有所不同。聚集粒子的极化度的角分布也随着单体粒子的数目和单体的形状，以及聚集形态的不同而不同。而且，极化度曲线的变化也是随着单体粒子数目的增加而出现强烈的起伏变化。导致这个结果的原因就是聚集粒子的多孔性。
3.总结
本文初步探讨了尘埃簇团粒子的电磁散射特性，研究了在不考虑粒子所带电荷的库仑作用的情况下，几种典型尘埃粒子极化度的角分布。对尘埃粒子进行建模，并通过理论模型进行了相关的探讨和研究。然后研究了尘埃粒子的光散射特性和极化特性，得出了散射强度和极化度随散射角的变化的结论。
参考文献
[1]黄朝军.随机簇团粒子全极化电磁散射特性研究.西安电子科技大学.2006.
[2]类成新.随机分布簇团粒子传输特性研究.西安电子科技大学.2005.
[3]王丽.DDA在粒子散射特性研究中的应用.西安电子科技大学.2009.
陕西理工学院基金项目：“陕南复杂气候背景下气溶胶电磁辐射特性研究（slgky11-06）”。
【关键词】尘埃簇团粒子;电磁散射特性;极化度
0.引言
许多年以来，很多领域的科学家对非球形粒子的电磁散射都非常的感兴趣。因为非球形粒子的散射相关理论应用十分广泛，比如在地球物理学和天体物理学，比如微观生物学、物理学、胶体化学等领域的应用。尤其是在大气中的气溶胶，以及云中粒子的研究中，非球形等方面的性质，使的关于大气辐射传输等方面很难实现精确计算。然而非球形例子的复杂性、无规则粒子的光散射等相关的难题，在国际上也是一个关于散射理论研究的焦点和难点，一直有许多科学家在这方面进行了大量的实验和相关的探索。尤其是在激光技术被广泛用于通讯和雷达遥感以后，关于非球形粒子在传输中对光的散射和吸收作用的相关研究得到了越来越多的关注和重视。
最近几十年里，国外发展了多种关于非球性和非均质粒子的光散射计算方法，按计算思路的差别它们可以分为以下三类：解析方法、基于表面的方法、基于体积的方法[1]。本文着重讨论了单个簇团粒子的散射特性和极化特性两个方面的性质。同时也研究了单个球形粒子、非球形粒子以及单个小粒子群的散射特性和极化特性以及其他方面的性质。
1.尘埃粒子的散射
电磁波都具有极化和散射两种固有的属性性质，其中极化描述的是电场矢量端点作为时间的函数所形成的空间轨迹的旋向和形状，它说明了电场强度的幅度和取向随时间的变化而变化。当电磁波照射到某一介质上发生散射，因为散射与介质之间的相互作用，使得电磁波的性质将会发生变化，我们常用散射矩阵法的方法研究这种变化。散射矩阵是电磁波与介质之间相互作用，使得前后其极化状态发生变化的一个衔接，包括了电磁波散射和极化的所有信息和数据，同时能够间接的将介质本身的一些信息体现出来。
在电磁波的传播中，因为不同的波长，对应着不同的复折射率。研究已证明波长越大的电磁波对应的散射强度越小，这就意味着簇团粒子吸收的能量越大。
2.尘埃粒子电磁散射特性及极化度
2.1 尘埃粒子散射特性
在宇宙空间中存在大量的尘埃粒子，大到宇宙空间，小到实验室和工业加工车间都存在着尘埃粒子，因此对尘埃粒子的研究越发的显得重要。单簇的尘埃粒子的研究，可以进一步来研究大量的具有随机分布的尘埃簇团粒子的研究，同时我们可以探索尘埃粒子的散射特性，进而研究尘埃簇形成机理。
我们用计算机模拟具有分形结构的尘埃粒子，并对其理论模型进行分析，也就是用几种由球形粒子随机组成的粒子结构来模拟。由此来讨论体现散射特性和极化特性的矩阵，即散射矩阵，并由计算机模拟单簇的尘埃粒子的散射特性。
单个尘埃簇团粒子，由于其空间结构的复杂性、吸收截面、散射截面以及不对称因子以及入射角的变化而引起的差异相对是比较明显的，而这种差别又随着入射波的不同，变得非常大。其原因是尘埃粒子的折射率，会随着入射波的波长的变化而发生改变，这也就导致尘埃粒子对入射波的散射和吸收发生改变，从而影响了尘埃簇的总散射。此结果也可以由尘埃粒子在不同波长入射波的入射情况下，据散射强度的角分布的数值来得出。我们知道电磁波不同的波长对应着不同的复折射率，而不同的复折射率对粒子的尺寸参数是有影响的，电磁波的波长越大对应的散射强度越小，这意味着尘埃粒子吸收的能量越大。
2.2 尘埃粒子的电磁散射特征
我们在研究尘埃粒子光散射的时候，都是用以下这几个量进行讨论，而尘埃粒子的一般电磁散射特性也是通过这些量来揭示的。
1）几何反照率，其中表示方位平均值，G表示几何截面，为周围介质中入射光的波长。A与散射光的强度有关，当，即小相位角时，我们可以这样来表示和散射角之间的关系：。
2）散射强度I，散射强度一般是在大的相位角时，获得相对最大值。
3）极化度，也表示方位平均。当相位角很小的时候极化度为负值，当相位角为20度时极化度上升到0，当相位角在90度附近极化度达到最大值。
大量的研究表明，凝聚粒子在入射波作用下不同部位產生的极化是不同的，同而导致了在远处产生的散射场是不同的。[2]散射特性随尘埃粒子的尺寸的变化十分明显，所以我们构造与星际尘埃聚集粒子的尺寸相似的聚集粒子来研究尘埃的散射特性。由于粒子的形状对散射特性有着明显的影响，因此我们同时对四面体和球体这两种不同形状的单体进行了研究。
在计算单个球形粒子的散射特性时，如果采用离散偶极子近似的方法，所用偶极子的数目越大计算的结果相对越准确。而且在数目比较大的情况下，这种方法的计算结果更为接近真实值。
2.3 极化度
极化度与散射粒子的形状、尺寸和折射率密切相关。本文讨论了聚集粒子的结构和多孔性对极化度的影响。因为可用的计算资源是有限的，所以我们需要知道要采样多少样品点，才能得到所期望的准确值。
实验中我们选择单个四面体来研究所必须的样品点的数目。计算中的参数是，相应的等体积半径为。单个四面体由10726个偶极子阵列表示，对应的=0.3846。同时也计算了由球形粒子单体构造的聚集粒子的极化度。[1]
研究表明，当介质折射率虚部较小时，微分散射截面随着实部的增大有较明显的增。而当介质折射率虚部较大时，微分散射截面随着实部的增大在整个散射区域均无明显变化。[3]当散射角在90度左右时，极化度最大，而极化度的角分布也锁着单体形状的变化而有所不同。聚集粒子的极化度的角分布也随着单体粒子的数目和单体的形状，以及聚集形态的不同而不同。而且，极化度曲线的变化也是随着单体粒子数目的增加而出现强烈的起伏变化。导致这个结果的原因就是聚集粒子的多孔性。
3.总结
本文初步探讨了尘埃簇团粒子的电磁散射特性，研究了在不考虑粒子所带电荷的库仑作用的情况下，几种典型尘埃粒子极化度的角分布。对尘埃粒子进行建模，并通过理论模型进行了相关的探讨和研究。然后研究了尘埃粒子的光散射特性和极化特性，得出了散射强度和极化度随散射角的变化的结论。
参考文献
[1]黄朝军.随机簇团粒子全极化电磁散射特性研究.西安电子科技大学.2006.
[2]类成新.随机分布簇团粒子传输特性研究.西安电子科技大学.2005.
[3]王丽.DDA在粒子散射特性研究中的应用.西安电子科技大学.2009.
陕西理工学院基金项目：“陕南复杂气候背景下气溶胶电磁辐射特性研究（slgky11-06）”。