高功率微波与大气击穿等离子体相互作用的数值研究

The intense electric field of a high-power microwave may cause the air ionization and breakdown, and lead to the production of plasma, which may severely affect the radiation and transmission of the high-power microwave. Therefore, it is very important to study the interaction of the high-power microwave with air breakdown generated plasma. In this project we will adopt the electron fluid model to simulate numerically the radiation and propagation characteristics of the high-power microwave in the air breakdown environment. The kinetic model and the particle model are employed to study the reasonable electron energy distribution function, respectively, in order to improve the accuracy of the electron fluid model. The nonlinear equations restricted by the electron fluid model are solved using the finite-difference time-domain method, the difference schemes in which all components and transport coefficients such as ionization frequency and collision frequency are updated with time-step are obtained, and the stability conditions for the difference schemes are deduced. The ionization and breakdown threshold of air, and the transmission, absorption and reflection of the high-power microwave propagating in the air breakdown are investigated, and the law of the high-power microwave propagation in the atmosphere is revealed; the time evolution of the air breakdown generated plasma in the near field of the horn antenna and its effect on the radiation are investigated; the methods for the suppression of the high-power microwave breakdown are evaluated. Our study will be helpful to the design of the high-power microwave antenna, the high-power microwave propagation and other applications.

高功率微波的强电场极易引起大气发生电离、甚至击穿，而伴随产生的等离子体将严重影响高功率微波的辐射与传播。因此，开展高功率微波与大气击穿等离子体相互作用研究具有重要的意义。本项目拟采用电子流体模型数值模拟高功率微波在大气击穿环境中的辐射与传播特性。分别基于动力学模型与粒子模型研究合理的电子能量分布函数，改进电子流体模型的模拟精度。针对由电子流体模型限定的非线性方程体系，采用时域有限差分方法的思想对其进行处理，导出按时间步进的差分格式，实现电离率、碰撞率等输运系数的时间动态计算，并推导差分格式的稳定性条件。研究高功率微波在大气传播中的电离、击穿阈值、传输、吸收和反射问题，揭示高功率微波大气传播规律；研究喇叭天线近场击穿等离子体的时域演化过程及其对天线辐射的影响；评估高功率微波大气击穿的抑制方法。本项目的研究将为高功率微波的天线设计、传播及其它方面的应用提供重要的理论支持和参考依据。

本项目在充分考虑电子与中性粒子之间的电离、粘附、激发等诸多物理反应下，通过联立麦克斯韦方程组和等离子体流体方程组建立了高功率微波大气传输与击穿的流体模型。分别采用动力学模型与粒子模型确定了相对精确的电子能量分布函数形式，大大提高了流体模型的模拟精度。基于时域有限差分方法分别求解了一维和二维流体模型，得到了高效的差分算法。揭示了输运系数与电子能量的非线性关系，实现了这些系数的时间动态计算。在上述基础上，对高功率微波大气击穿特性开展了深入的研究，发现在大气击穿之前，高功率微波的传输特性几乎不受影响，而在击穿之后，放电等离子体吸收和反射入射微波，使得传输电场明显减小；高功率微波大气击穿特性依赖于气压、气体种类、微波频率和场强；低气压下外加直流磁场可有效抑制大气击穿；放电等离子体结构及动力学特性与气体压强及入射微波参数密切相关。比较大气击穿的模拟结果与实验数据，充分验证了流体模型的准确性。除采用流体模型之外，我们还开展了以下研究：推导了非线极化高功率微波加热电子时的功率，揭示了电场分量之间的相位差对气体击穿的影响；通过场等效原理与体平均流体模型，预测了临界大气击穿时口径天线的辐射功率；采用体平均流体模型，预测和比较了空气和六氟化硫的击穿阈值。在本项目资助期间，项目负责人以第一作者身份在《IEEE Transactions on Plasma Science》，《Physics of Plasmas》等SCI期刊上发表论文10篇，中文核心期刊论文1篇，另外以通讯作者身份发表SCI期刊论文1篇。本项目圆满完成了预定研究任务，为研究高功率微波传输与击穿提供了有效和准确的分析和计算手段，本项目的研究结果也为相关的应用提供了重要的参考依据。