一种基于非均匀磁化等离子体的修正Z-FDTD算法

对已有的Z变换时域有限差分法(Z-transformation Finite Difference Time Domain,Z-FDTD)在电磁波与非均匀磁化等离子体中的传输特性分析的计算误差问题进行了研究,并探讨了一种修正计算误差的Z变换时域有限差分方法(Modified Z-transform Finite Difference Time Domain,MZ-FDTD),以提升Z-FDTD方法对非均匀磁化等离子体的适用性。对MZ-FDTD和Z-FDTD之间的计算误差问题,通过严格的公式推导求得该误差的计算公式,并引入误差分析因子,对比分析了该误差受空间步长和非均匀磁化等离子体的物理特性的影响特征,在充分的误差分析与网格参数对比后,以电磁波在非均匀磁化等离子体中的传输特性为分析目标,举例说明了MZ-FDTD的优越性。研究结果表明,相比于经典Z-FDTD,通过MZ-FDTD方法计算得到的数值结果具有更高的计算准确度,较低的运行时间和较少的运行内存占用。此外,对电磁波在非均匀等离子体中传输特性分析的举例说明也证明了相比于Z-FDTD,优化的Z-FDTD方法无论是在较低频段还是较高频段都保持较好的稳定性。在今后的工作中,使用MZ-FDTD方法研究非均匀磁化等离子体问题将会获得更好的计算结果,这项工作中的误差分析方法也将对某些计算电磁学在等离子体中的应用与优化工作起到一定的帮助作用。

基于ISMM方法的非均匀磁化等离子体湍流中电磁波传播特性研究

由于传统散射矩阵法(scattering matrix method, SMM)在计算过程中会产生奇异矩阵,本文基于改进的SMM (improved SMM, ISMM)结合一维磁化等离子体湍流模型,计算了等离子体湍流介质对电磁波在不同入射角下的反射系数和透射系数,同时分析了电磁波在非均匀磁化等离子体中的传播特性。结果表明,湍流的出现极大地影响了等离子体鞘套中电子的运动规律,使其运动过程中能量衰减增多,因此其在0~35 GHz的透射系数增大;另一方面外部磁场的增大,对左旋圆极化波与右旋圆极化波的传播特性影响相反,这是因为在左旋情况下,左旋圆极化波的旋转方向正好与电子的旋转方向相同,右旋圆极化波相反;随着入射角度的增大,相当于电磁波在等离子体湍流中的传播距离增大,导致更多的电磁波能量被吸收;此外,考虑非均匀磁化情况后,电磁波在0~35 GHz频段内的右旋圆极化的透射系数更大。这些结果为研究电磁波在非均匀磁化等离子体湍流介质的传播特性提供了理论依据。

磁化等离子体交替隐式时域有限差分法

针对传统显式时域有限差分法仿真各向异性磁化等离子体时,时间步长会受到柯朗-费里德里希斯-列维(Courant-Friedrich-Levy,CFL)条件限制的问题,采用拓展的无条件稳定交替隐式时域有限差分方法(alternating-direction-implicit finite-difference time-domain,ADI-FDTD)对无限大磁化等离子体进行数值仿真。该方法在传统两步法基础上增加2个子时间步,同时仍保持无条件稳定的特性。实验结果表明:反射和透射系数与理论值吻合较好。与普通时域有限差分方法相比,该方法能够高效仿真等离子体光子晶体,并且具有较高的精度和无条件稳定的特性。

基于JEC-FDTD等效循环神经网络的电磁建模和等离子体参数反演

磁化等离子体中的电磁波传播是重要的研究课题,针对特定场景下的电磁等离子耦合问题,进行有效且准确的方程建模与参数求解具有极强的研究价值和挑战性,这是探究电磁波与等离子体复杂非线性相互作用机制的关键。文中设计了一种可用于电磁等离子体正逆向建模的循环神经网络(recurrent neural network,RNN),该网络正向传播过程等价于任意磁倾角情况下的电流密度卷积时域有限差分(current density convolution finite-difference time-domain,JEC-FDTD)方法,因此可以求解给定的电磁建模问题,并易于大规模并行计算。通过构建前向可微模拟过程,JEC-FDTD方法可以使用自动微分技术准确且高效地计算梯度,然后通过训练网络来解决反问题。因此,该方法可以有效利用观测到的时域散射场信号反演重要的等离子体参数。JEC-FDTD方法和RNN相结合,形成了较强的协同效应,使得模型具有可解释性和高效的计算效率,受益于深度学习提供的优化策略和专用硬件支持,可以适用于不同仿真场景下的电磁建模和等离子体参数反演。

EAST-CTI测试平台上六硼化镧等离子体源的研制

为了更方便和深入研究紧凑环注入(CTI)系统产生的等离子体团在等离子体中的演化过程,特设计了一套大尺寸、均匀的六硼化镧等离子体源,用来产生磁化、高密度等离子体。等离子体源的阴极采用钨丝间接加热的方式来达到工作温度,阴极最高可达到1800℃。阳极采用耐高温、透过率50%的钼金属网,与阴极之间轴向间距1m。在阴极和阳极之间施加40~200V偏压,阴极发射的电子与中性气体碰撞、电离进而产生长1m直径100mm的稳态磁化等离子体柱。在台面实验中,测试了源的放电性能和等离子体相关参数。实验结果表明,在阴极发射电流密度为1~2A·cm^(-2)的情况下,测得的氩等离子体电子密度可达到10^(18)m^(-3)量级,电子温度约为8eV。通过增加阴、阳极之间偏压,阴极发射电流密度最高达到8.5A·cm^(-2),等离子体参数与托卡马克边界参数相近。该等离子体源满足设计要求并具备为EAST-CTI系统开展台面实验的能力。

磁化等离子体处理大豆种子的生物学效应

利用不同剂量的磁化等离子体处理晋豆20种子,分析被处理种子发芽率、幼苗生长、呼吸与能量的代谢以及同功酶谱的变化,为探讨磁化等离子体对种子的作用机理提供依据。结果表明,经不同剂量磁化等离子体处理后,种子的发芽率和幼苗的根长、干重没有显著变化;2.0～3.0A处理组苗高、鲜重比对照分别增加17.8%～26.9%和12.70%～17.08%;2.0A处理侧根数比对照显著增加,增幅为11.8%。当处理剂量为2.5A时,根系活力提高60.9%,叶片和根系的呼吸速率分别提高43.68%和38.92%,ATP含量分别提高37.79%和47.68%。磁化等离子体处理大豆种子后幼苗同工酶谱没有特异性条带的产生,但POD和酯酶同工酶的活性得到了普遍提高,其中2.5A处理后POD活性最高。综合分析指标表明2.5A的磁化等离子体处理对刺激种子活力、促进种子发芽和幼苗生长效果最佳。

电磁波与非磁化等离子体的相互作用

研究了频率为 0 .5～ 10GHz的电磁波在非磁化等离子体中的传播。在厚度为 10cm的、密度n=10 1 0 或10 1 1 cm- 3均匀的和密度分布n=n0 exp[2 (z/d- 1) ]非均匀的等离子体中 ,计算了等离子体中的电子与中性气体的碰撞频率为 0 .1～ 10GHz间的电磁波的反射功率、吸收功率和透射功率的变化。结果表明当等离子体密度比较大 (n=10 1 1 cm- 3) 、电子与中性气体的碰撞频率比较大时 ,无论是均匀还是非均匀等离子体对电磁波能量的吸收都比较大 ,最大可达 90 %。

电磁波在不均匀磁化等离子体中的吸收

本文讨论了不均匀磁化等离子体片对圆极化电磁波、异常模电磁波的吸收 ,计算了不同条件下衰减率 .计算表明 ,当电磁波的频率接近电子碰撞频率时 ,磁等离子体对电磁波的吸收达到最大值 .当入射电磁波的频率很低时 ,不均匀磁化等离子体中碰撞对雷达波的吸收非常小 .当入射电磁波频率较高时 ,等离子体的碰撞对入射电磁波的衰减很有效 .在磁场对电磁波衰减率的影响上 ,对右旋电磁波 ,磁场变大 ,衰减率曲线的峰值向较低的碰撞频率方向移动 ,且衰减率减小 .而对左旋电磁波 ,磁场变大 ,衰减率曲线的峰值向高的碰撞频率方向移动 ,且衰减率也增大 .同时 ,我们发现在一定条件下 ,磁场使电磁波的有效吸收带宽变宽 .此时 ,等离子体对电磁波的吸收也最大 .特别是当入射电磁波的频率较低时这一特性更显著 .

温度、密度对磁化等离子体光子晶体缺陷模的影响

采用等温近似,用磁化等离子体的分段线形电流密度卷积(Piecewise Linear Current Density Recursive Convolution,PLCDRC)时域有限差分(Finite-differentce Time-domain,FDTD)算法研究了具有单一缺陷层的一维磁化等离子体光子晶体的缺陷模特性;以高斯脉冲为激励源,用算法公式计算所得的电磁波透射系数,讨论了温度和等离子体层密度对其缺陷模的影响。结果表明:改变温度和等离子体层密度可以获得不同的缺陷模。

非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性研究

用时域有限差分法(Finite-Different Time-Domain,FDTD)中的电流密度卷积(Current Density Convolution,JEC)算法讨论了一维非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性,分析了非磁化等离子光子晶体的周期结构和等离子体参量对其禁带周期的影响.以微分高斯脉冲为激励源,用电磁波通过非磁化等离子体光子晶体后所得的透射系数来讨论非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性.结果表明,通过改变参量可以获得不同的禁带周期特性.

时变磁化等离子体光子晶体的禁带特性

采用磁化等离子体的分段线形电流密度卷积(Piecewise Linear Current Density Recursive Convolution,PLCDRC)时域有限差分(Finite-Different Time-Domain,FDTD)算法研究了一维时变磁化等离子体光子晶体的禁带特性。以高斯脉冲为激励源,用算法公式所得的电磁波透射系数来讨论了等离子体上升时间、密度、周期常数对其禁带特性的影响。结果表明,改变等离子体上升时间和密度可以实现对禁带的控制。

低轨道磁化等离子体中运动航天器等离子体鞘层特性

用二维静电粒子模拟程序研究了在低轨道磁化等离子体中航天器充电过程和等离子体鞘层结构．采用磁化等离子体流经航天器的物理模型，并且考虑零级对流电场的影响．结果表明航天器在低轨道空间飞行时，如果不考虑光电子流，航天器会在短时间内（ｔ＝５４ω_（ｐｅ）^（－１），ω_（ｐｅ）是电子等离子体频率）快速充电到平衡电位。在不考虑航天器运动的情况下其周围等离子体鞘层结构是围绕航天器对称的，等离子体鞘层宽度约２．４个德拜（Ｄｅｂｙｅ）长度．当考虑航天器运动时，航天器的平衡负电位绝对值减小．且在背离航天器运动方向上等离子体鞘层宽度为８．３个德拜长度．磁场的增大使负的平衡电位绝对值变小，当航天器运动从平行于磁场方向转向垂直于磁场方向时，航天器负平衡电位的绝对值减小．

电磁波在时变磁化等离子体信道中通信性能的实验研究

本文首先利用5.8 GHz微波实际测量了辉光放电等离子体源电子密度和碰撞频率随时间的变化规律.然后搭建实验平台,测试了多种通信调制体制的信号经过该等离子体源后的误码率,实验发现二进制相移键控(BPSK)调制方式的信号在该时间变化的等离子体信道中通信误码率最小.最后加入磁场,实验测试了L波段(1.5 GHz)BPSK调制信号和S波段(2.5 GHz)正交相移键控(QPSK)信号在该磁化等离子体中的衰减、相移以及眼图和星座图的变化,通过与非磁化情况下对比发现,加入磁场后,信道的通信性能有所改善,误码率显著降低,可以有效地缓解时变等离子体引起的幅度和相位上的寄生调制效应.

基于拉氏变换原理的三维磁化等离子体电磁散射FDTD分析

根据拉普拉斯变换(LT)原理,提出了一种新的分析色散介质的电磁特性的时域有限差分(FDTD)算法,称为电流密度拉普拉斯变换时域有限差分(CLT-FDTD)算法.利用磁化等离子体介质中的关于电流密度矢量与电场强度的本构方程,将其两边分别拉普拉斯变换,得到s域内的本构方程.最后进行逆拉普拉斯变换和指数差分,得到在时域里易于求解的FDTD迭代方程.通过该方法计算了非磁与磁化等离子体球的后向雷达散射截面(RCS),验证了该方法正确性与有效性.

磁化弧光等离子体对小麦种子刺激效应的研究

磁化弧光等离子体用于提高种子活力的技术已经得到大面积的推广。实验通过不同剂量的等离子体处理小麦种子后进行盆栽实验,结果表明小麦增产幅度为10.51%～19.73%,产量因素构成中的作用顺序为:穗长>分蘖数>千粒重,最佳处理剂量为2.0 A。另外,从生理角度进行机理研究,经2.0 A的磁化弧光等离子体处理种子后电导率提高18.28%,小麦呼吸速率较对照提高了23.32%～35.59%;根系活力比对照增加40.7%;ATP含量在真叶和根系中分别增加65.15%和57.60%

波在磁化周期等离子体中的传播特性

电磁波与等离子体之间存在极为丰富的相互作用现象,对电磁波的传播构成重大影响。该文研究了在磁场指导下,对电磁波在密度周期变化的磁化等离子体中的传播特性,进行了理论分析并导出色散方程,通过数值计算分析了等离子体密度变化分别对电磁波传播特性的影响。计算结果表明密度n1变化对左、右旋波的截止频率影响不大,而n0的变化对左旋波的截止频率影响大,对右旋波的通带宽度影响大。并发现密度周期变化磁化等离子体构成一周期慢波系统,在该系统中明显出现慢波,这可能对注波互作用产生重大影响。

非磁化等离子体中的电子碰撞频率

电子碰撞频率是非磁化等离子体的一个重要参数,它对等离子体与电磁波相互作用的性质具有较大影响。基于产生等离子体的气压条件不同,其电子碰撞频率具有较大变化范围。研究了它对非磁化等离子体吸波能力的影响,得出了当电子碰撞频率与等离子体频率和入射波频率相当时,等离子体对电磁波具有较大吸收的结论,给出了对应于最大吸收的最佳碰撞频率值。分析了通过选择放电气体来调整等离子体的电子碰撞频率。

温度、密度对非磁化等离子体光子晶体禁带特性的影响

采用等温近似,用时域有限差分法(FDTD)给出了电磁波通过由非均匀的、各项同性的、热的、碰撞的等离子体构成的一维非磁化等离子体光子晶体的FDTD算法公式。以微分高斯脉冲为激励源,用算法公式所得的电磁波透射系数来讨论了温度、等离子体层密度对其禁带特性的影响。结果表明,改变温度和等离子体层密度分布可以实现对禁带的控制。

磁化等离子体覆盖导体散射问题的FE/BI方法分析

基于矢量有限元方法和边界积分方程,推导了分析三维导体表面覆盖各向异性磁化等离子体电磁散射问题的矢量有限元/边界积分(FE/BI)方法公式,并将该方法推广到外磁场沿任意方向时磁化等离子体的情形。应用该方法计算了磁化等离子覆盖导体目标的双站雷达散射截面(RCS),分析了等离子体厚度、密度、碰撞频率和外磁场方向对雷达散射截面的影响。数值计算结果表明:在导体表面覆盖各向异性磁化等离子体并且选取合适的参数,能够有效地减少雷达散射截面。

磁化等离子体的并行三维JEC-FDTD算法及其应用

给出了三维磁化等离子体的电流密度卷积-时域有限差分(JEC-FDTD)算法的迭代公式,指出该算法与一般FDTD算法实现并行时的不同:增加了电流密度的迭代,以及并行计算时在子域交界面上增加了一些数据的交换.并实现了基于MPI(Message Passing Interface)的并行JEC-FDTD算法.然后用计算涂覆等离子体的金属球的雷达散射截面(RCS)的算例验证了并行程序的可靠性,并测试了并行程序在某集群上的并行效率.最后计算了涂敷磁化等离子体的全尺寸飞机的单站RCS.结果表明并行JEC-FDTD算法是可靠的,而且并行效率高,能计算各向异性磁化等离子体的电大尺寸目标的散射.