微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论,指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题.然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究,并将其与直流电场进行比较.分析发现在高气压下,电子能量转移频率高,有效电子温度随电场大幅振荡,由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率,因此在高气压时,微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值.通过大量分析,给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.

雨滴对微波大气击穿过程的影响

将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解,研究了雨滴对微波大气击穿过程的影响。由于雨滴介电常数的模远大于大气介电常数,故雨滴的存在可使局部场强增加到2倍(三维下为3倍),从而降低大气击穿所需的入射微波能量。雨滴的作用相当于一个局部的场强增强器,增加局部场强,诱导微波大气击穿,从而在雨滴附近形成丝状放电。等离子体丝出现后,其尖端取代雨滴成为新的场强增强器。多雨滴模拟结果显示微波上游雨滴附近的等离子体丝比下游有更好的发展。

介质表面附近微波大气击穿的理论研究

将麦克斯韦方程组和简化等离子体方程耦合求解,对介质表面附近大气击穿形成等离子体的过程进行了理论研究.分别使用一维、二维模型对等离子体的形成过程及等离子体对电磁波的反射、吸收过程进行了模拟研究.一维计算结果发现在ne=0,j=0两种边界条件下,虽然形成的等离子体密度分布相差较大,但二者得到的微波反射、吸收、透射波形彼此相差不大.初始电子数密度厚度为20 mm的条件下,得到界面附近的等离子体密度大于5 mm厚度的情况.二维计算结果发现,由于TE10模在波导中心位置处的微波电场最强,电子碰撞电离首先在中心位置处形成等离子体,当等离子体密度达到一定值(临界密度附近)时,波导中心介质表面处微波场强减小,等离子体区域沿着介质表面向两侧移动.TE10模在波导边缘处微波电场强度小于击穿阈值,因此等离子体区域不可能移动到波导边缘附近.