基于电子能量分布函数修正的等离子体电磁特性及实验研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiangyao366
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等离子体是一个复杂的多粒子系统,电磁波在等离子体的传输过程中会有很多具有研究意义的现象发生。近些年来,很多领域都涉及到电磁波与等离子体的相互作用,因此对于这方面的研究成为了等离子体、电磁传输领域的热点问题。在电磁波与等离子体相互作用的过程中,电子起到了主要作用,而电子能量分布函数(Electron energy distribution function-EEDF)是描述等离子体的重要物理参量,它决定了等离子体中电流与电场的关系,从而决定了等离子体的介电性质。在实验室的研究中,我们一般假设电子处于热平衡态,此时电子分布函数为麦克斯韦分布,如果麦克斯韦的假设不成立,就必须利用玻尔兹曼方程来求解电子分布函数。等离子体中电子满足麦克斯韦分布只是理想化的假设,在实际实验中的等离子体往往偏离麦克斯韦分布,因此不能够单纯的用麦克斯韦分布来处理实际问题。本文基于等离子体的EEDF,分析EEDF对电子能量等离子体电磁特性的影响,并结合实际实验对理论和数值模拟进行验证,重点开展等离子体EEDF对电导率和介电常数的影响和实验验证,等离子体的EEDF对电磁波传输系数的影响和实验验证,等离子体天线的传输特性以及EEDF对传输特性的影响等研究工作,具体研究内容如下:首先,基于等离子体动理学理论得出的等离子体的电导率和介电常数的一般形式,引入了修正因子,通过修正因子来对该形式进行了修正。并采用四种典型的EEDF对修正的结果进行了比较,分析了不同EEDF的形式对于电导率和介电常数的影响。基于以上理论和数值模拟,开展了实验研究,设计了圆柱形微波谐振腔,采用谐振腔微扰法,将电导率和介电常数的表达式带入微扰理论,得到了不同放电形式下大气压氦气射流等离子体的电子密度值,并利用已经给出的几种典型EEDF对实验结果进行了修正,得到的修正结果与文献中已有的结果符合较好,从而获得了描述氦气射流等离子体EEDF的具体形式。其次,建立了电磁波与等离子体相互作用的物理模型,研究几种典型的EEDF条件下电磁波入射到等离子体的反射,透射和吸收特性,并探究了几种EEDF在不同的碰撞频率,放电压强,电子密度和等离子体厚度的条件下,对电磁波传输特性的影响。在此基础上,利用同轴空心阴极网格放电装置,电离氩气和氦气,获得了两种等离子体,并对电磁波在这两种等离子体中传输的透射率进行了测量,将实验得到的透射系数结果与给出的几种不同EEDF得到的理论结果进行了比较,发现实验中产生的氩气等离子体符合Druyvesteyn分布,氦气等离子符合Bi-Maxwellian分布。最后,基于EEDF理论,对等离子体天线进行了实验研究。实验搭建了阵列等离子体天线系统,并对等离子体天线系统的特性进行了测量,获得了天线在不同的放电电流时的方向图,结果表明在某些情况下,等离子体天线会呈现高度定向辐射现象。进一步测量了不同放电电流时,等离子体天线的电子密度以及电磁波在天线中传输的透射系数。在此基础上,比较了不同的EEDF对于等离子体天线的相对振幅和附加相位的影响。发现EEDF对等离子体天线系统振幅变化的影响较大,而对其相位变化的影响相对较小。
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