微波大气击穿产生等离子体过程的理论研究

随着高功率微波功率的不断提高，其应用和潜在应用领域不断扩大。高功率微波的产生和应用都会遇到微波大气击穿或微波产生大气等离子体。例如，高功率微波天线介质窗口的击穿与表面闪络，高功率微波大气传输中的尾蚀，高功率微波产生人造电离层和人造臭氧层等。本项目首先使用动理学的方法求解弱电离碰撞等离子体中的电子能量分布函数以及各主要反应参数。然后利用这些反应参数将描述电磁波的Maxwell方程组与等离子体的控制方程组耦合起来数值求解，深入研究弱电离空气等离子体与高功率微波的非线性相互作用，阐明不同压强和微波强度下等离子体产生、维持及驰豫过程。给出不同压强和微波强度下等离子体区域形状结构、动力学过程及其对微波能量的吸收效率。为相关研究，如微波天线介质窗口击穿、微波大气传输、人造电离层和臭氧层等奠定理论基础。

本项目首先使用球谐展开求解玻尔兹曼方程得到了电子能量分布函数，并在此基础上对电子与氮气分子和氧气分子的各碰撞反应过程的反应参数和能量损失进行了计算。对使用有效场强得到的微波大气击穿阈值表达式进行深入的理论分析，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，并使用理论推导和数值模拟给出修正的微波大气击穿阈值。为了精细化模拟图像，对电磁波和等离子体使用不同的时空步长，编制了Maxwell方程组与等离子体流体控制方程耦合的一维、二维及三维并行程序。为了摸清微波大气击穿的物理过程和机理，我们分别对不同参数条件下的单束及相交束微波大气击穿过程，发现微波等离子体的“趋源”运动性质。单束微波击穿产生等离子体区域在高气压下等离子体成丝状；中等气压下等离子体成片状或鱼骨性等离子体区域；低气压下电离产生连续的（扩散性）等离子体区域。研究得到的等离子体区域演化机制和运动规律，很好的解释了MIT的最新实验结果。相交微波束中击穿只在大于击穿阈值的强场区出现，在高气压下形成一个由分立的丝状等离子体组成的带状区域。对介质表面附近微波击穿模拟发现，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；相关结果也与Texas 理工大学的实验结果吻合。最后，项目还对气象条件（如雨滴）对微波大气击穿影响进行了研究；在群速度运动的局域坐标系下编制一维大气击穿程序，并用于模拟高功率微波长距离传输过程中大气击穿及其造成的尾蚀。使用粒子模拟蒙特卡洛碰撞（PIC-MCC）方法与流体模拟结合对大气击穿的相关参数和击穿机制进行研究。在本项目支持下，公开发表学术论文16篇，其中SCI收录10篇，EI收录6篇；项目组成员参加国际会议1次，国内会议5次，与国内外充分交流，介绍项目研究成果。