【摘要】：塵埃等離子體是指含有大量帶電塵埃顆粒的等離子體系統(tǒng),對(duì)許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值,是多學(xué)科交叉的重要前沿方向。盡管科學(xué)界在塵埃等離子體物理方面開展了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作,對(duì)塵埃等離子體的物理特性有了基本的理解,但到目前為止,人們對(duì)塵埃等離子體的一些動(dòng)力學(xué)過程認(rèn)識(shí)還相當(dāng)有限,對(duì)其電磁特性問題研究涉及的更少。鑒于此,本論文瞄準(zhǔn)這些前沿科學(xué)問題,以等離子體物理和復(fù)雜介質(zhì)電磁波傳播理論為基礎(chǔ),研究了塵埃顆粒與等離子體相互作用機(jī)理與過程,建立了描述塵埃等離子電磁特性的物理模型,并開展了部分與此相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究,主要研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)方面:利用現(xiàn)有的球形顆粒軌道充電物理模型,研究了等離子體對(duì)塵埃顆粒的充放電作用,在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究等離子體中電子和離子對(duì)塵埃顆粒的充放電作用而引起的庫(kù)侖彈性碰撞動(dòng)力學(xué)過程以及中性分子的存在對(duì)帶電粒子之間相互作用的影響,系統(tǒng)給出了帶電塵埃顆粒的存在對(duì)等離子體中電子和離子運(yùn)動(dòng)影響的規(guī)律。從傳統(tǒng)的等離子體玻爾茲曼動(dòng)理論方程出發(fā),開展了塵埃等離子體電磁參量的模型研究,提出了描述塵埃等離子體電磁特性的新理論和新方法,分別給出不同條件下的各向同性塵埃等離子體介電系數(shù)的理論表達(dá)式,同時(shí)利用經(jīng)典的磁化強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)方程理論推導(dǎo)了塵埃等離子體磁化率,給出摻雜磁性塵埃顆粒的等離子體的磁導(dǎo)率表達(dá)式。利用塵埃等離子體介電系數(shù)表達(dá)式,開展了高頻電磁波在塵埃等離子體中傳播的理論與實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究塵埃等離子體對(duì)高頻電磁波吸收,并討論了塵埃尺寸,密度對(duì)高頻電磁波吸收峰值和吸收頻帶的影響。利用已有的地面塵埃等離子體實(shí)驗(yàn)裝置,開展了塵埃等離子體對(duì)電磁波的吸收實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論的合理性。給出理想條件下的塵埃等離子體非相干散射理論譜理論計(jì)算公式,在此基礎(chǔ)上討論塵埃尺寸、溫度和密度對(duì)非相干散射譜線的影響,獲得了塵埃等離子體非相干散射功率譜的基本物理規(guī)律。研究了極區(qū)夏季中層頂塵埃等離子體異常分層結(jié)構(gòu)形成的動(dòng)力學(xué)成因,利用流體力學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)方程組構(gòu)建了相應(yīng)的物理模型,并利用數(shù)值方法模擬了帶電塵埃顆粒在大氣重力波擾動(dòng)下形成分層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)演化過程,同時(shí)結(jié)合已有的歷史火箭探空數(shù)據(jù)和雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)本文的理論模型進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,再現(xiàn)或解釋許多觀測(cè)到的現(xiàn)象,論證理論模型的可靠性,為極區(qū)夏季中層雷達(dá)回波背后形成的物理機(jī)制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
【圖文】：

體相互作用形成的天然塵埃等離子體云對(duì)高頻電波散射產(chǎn)生異回波現(xiàn)象(PMSE：Polar Mesosphere Summer Echoes)，如圖 1-1 所雷達(dá)回波功率強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頻率范圍寬，對(duì)該地區(qū)衛(wèi)星導(dǎo)航等空間技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，PMSE 現(xiàn)象以及相關(guān)的塵埃受到歐洲等許多重要國(guó)家的高度重視和響應(yīng)，除了大量的地基雷，美國(guó)還專門發(fā)射了一顆中層大氣高空冰晶探測(cè)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)于傳統(tǒng)的等離子體電磁波反射和散射理論都不能準(zhǔn)確的描述 率和異常的功率譜特征，導(dǎo)致 PMSE 現(xiàn)象一直是等離子體物理學(xué)、無線電物理學(xué)界討論的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題[17-19]。事實(shí)上，PM子體與電磁波相互作用產(chǎn)生的一種特殊現(xiàn)象，它的產(chǎn)生與極區(qū)夏等離子體精細(xì)分層結(jié)構(gòu)以及特殊的電磁特性緊密相關(guān)。但是要成的物理成因還存在許多的難點(diǎn)，主要表現(xiàn)在對(duì)極區(qū)中層頂塵埃分層結(jié)構(gòu)形成背后的動(dòng)力學(xué)成因還缺乏深入的理解，塵埃等離子相互作用機(jī)理也認(rèn)識(shí)不是很清楚。因此，開展塵埃等離子體的電關(guān)的動(dòng)力學(xué)過程研究對(duì) PMSE 形成機(jī)制的理解具有重要的科學(xué)

圖 1-2 旅行者飛船拍下的土星環(huán)中輻條狀塵埃顆粒[11]Fig.1-2 Dust in the Saturn's rings werephotographed by the travelers' spacecraft圖 1-3 等離子輔助半導(dǎo)體芯片制造的塵埃污染[27]Fig.1-3 Semiconductor chip fabrication iscontaminated by dust目前以塵埃等離子體為主要研究對(duì)象的復(fù)雜等離子體物理研究已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的研究歷程。前期的研究大多集中在塵埃等離子體波動(dòng)特性方面，其中標(biāo)志性的成果是 20世紀(jì)90年代低頻塵埃聲波理論的提出和不同實(shí)驗(yàn)室塵埃晶格的發(fā)現(xiàn)，這些研究進(jìn)展一定程度上推動(dòng)了塵埃等離子體物理理論以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究。由于塵埃加入等離子體中會(huì)被充電，變成帶電顆粒，這些高電荷、大質(zhì)量的帶電顆粒將獨(dú)特的電勢(shì)結(jié)構(gòu)和一種緩慢的時(shí)間尺度引入到等離子體動(dòng)力學(xué)過程中，改變了傳統(tǒng)等離子體中長(zhǎng)程庫(kù)侖力的大小，影響了整個(gè)等離子體的物理特性，也導(dǎo)致塵埃等離子體中出現(xiàn)了許多普通等離子體沒有的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程，包括成核動(dòng)力學(xué)、不穩(wěn)定性波模、若干非線性結(jié)構(gòu)現(xiàn)象等等。塵埃等離子體中的集體波動(dòng)與不穩(wěn)定的研究是最近二十年來最活躍的研究領(lǐng)域，，等離子體中塵埃顆粒的存在會(huì)對(duì)普通等離子體中的集體波動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，這些影響可以大致歸為兩種：一種是塵埃自身的運(yùn)動(dòng)激發(fā)起極低頻的
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O53

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本文編號(hào)：2518698