重力场下弱电离尘埃等离子体电磁波传输特性研究

Recently, dusty plasma physics has attracted much attention in the natural sciences and in engineering. This proposal is just proposed for the frontier subject: the complex electromagnetic properties of weakly ionized dusty plasmas under gravity. Based on the kinetics equation, considering the non-Maxwellian of charged particles, using the charged theory of dust in plasmas, dielectric properties of weakly ionized dusty plasma under gravity will be developed. A dusty plasma setup is built in the laboratory, and its electromagnetic characteristics in microwave band are measured with advanced equipment, such as Vector Network Analyzer. In addition, the analysis software COMSOL Multiphysics is used to simulate the dusty plasma environment and the spatial and temporal distribution characteristic of dusts and other charged particles. By using these methods, theory analysis, emulation analysis and experiment in combination, the basic parameters, which can affect the electromagnetic characteristics, are analyzed, and the rules of propagation of electromagnetic waves in dusty plasmas are illuminated. Our research will lay the foundations of the foundational physics problems of dusty plasma and some tremendous problems related to electromagnetic waves in dusty plasmas in scientific research and engineering area.

尘埃等离子体物理是近年来自然科学及工程领域研究的热点。本项目针对重力场下微纳米尘埃颗粒存在下的复杂等离子体电磁特性这一前沿课题，从动理学方程出发，考虑到尘埃等离子体的非麦克斯韦分布，结合尘埃粒子充电理论，发展重力场下弱电离尘埃等离子体的介电理论；在实验室建立尘埃等离子体环境，利用矢量网络分析仪等先进测量与分析设备，测量尘埃等离子体的微波波段内的电磁特性。并利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics，模拟产生尘埃等离子体环境，验证尘埃颗粒及其它带电微粒时空分布特征；通过理论研究、实验测量和软件仿真等多种方案，分析确定影响重力场下弱电离尘埃等离子体电磁波传输特性的基本参数，进一步阐明尘埃等离子体中电磁波的传输机制。该项目的成功实施，将为尘埃等离子体物理基本物理问题，以及与电磁波在尘埃等离子体中传输有关的重大工程和科研问题奠定基础。

尘埃等离子体物理是近年来自然科学及工程领域研究的热点。尤其在空间信息传输领域，尘埃等离子体与临近空间高超音速飞行器通信黑障及目标特性、火箭喷焰信号传输中断、空间信息对抗等重大工程应用等密切相关。然而尘埃等离子体影响电磁波传输的机制尚不明确，尤其是重力场引起的尘埃等离子体分布对电磁波传输的影响规律需要进一步探索。本项目针对重力场下微纳米尘埃颗粒存在下的复杂等离子体电磁特性这一前沿和重要应用课题，按照任务书拟定的研究内容开展了理论、实验和数值模拟研究。首先搭建了多种尘埃等离子体实验装置，实现了重力场下相对稳定尘埃等离子体环境，实验研究了等离子体环境中尘埃颗粒的运动特征和分布规律，获得了大量尘埃与等离子体相互作用的实验数据。发展了两种尘埃等离子体中电磁波波传输实验装置，开展了电磁波在尘埃等离子体中传输的实验研究，分析了尘埃参数、等离子体参数对电磁波传输的影响。结合实验结果，开展了理论和数值模拟研究，从流体力学和动理学方程出发，考虑到尘埃等离子体的非麦克斯韦分布，结合尘埃粒子充电理论，发展了重力场下弱电离尘埃等离子体的介电理论；利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics，开展了尘埃与等离子体相互作用数值模拟，验证了尘埃颗粒及其它带电微粒时空分布特征；利用数值模拟方法对电磁波在尘埃等离子体中的传输特性进行了研究，验证了实验结果。该项目的实验结果，可为尘埃等离子体物理基本物理问题，以及与电磁波在尘埃等离子体中传输有关的重大工程和科研问题提供参考。. 项目开展过程中，发表SCI论文53篇（均标注了基金号），会议论文19篇，申请国家发明专利8项，授权1项，培养研究生10余名，已毕业5人，远远超过预期研究成果。