大功率高频无线电波对赤道E区双流不稳定性的影响--PIC静电粒子模拟研究

地面入射的大功率高频无线电波(泵波)和电离层等离子体之间的参数相互作用，能够引起静电波的激发，在一定条件下，产生不稳定性．本文用PIC静电粒子模拟方法，研究泵波与赤道电离层E区等离子体的相互作用．研究结果表明，泵波能够控制双流不稳定性的发生，在不同条件下，泵波对双流不稳定性起着稳定与不稳作用，模拟结果定性地与理论研究结果相符合，这为我们对不规则体产生的地面人工控制提供了依据．     

二维静电孤立波的粒子模拟研究

利用二维粒子模拟程序研究了双流不稳定性激发静电波并演化为静电孤立波的物理过程.计算结果表明,在线性增长阶段,主要激发的是沿磁场传播的静电波;在非线性演化阶段,相邻的静电波会互相合并,直至形成静电孤立波,并可激发静电哨声波.还研究了磁场强度和离子温度对此过程的影响.当磁场强度比较小时,无法形成静电孤立波,只有磁场强度达到一定程度后静电孤立波才能形成;同时,离子温度会影响静电孤立波的稳定性,当离子温度比较小时,静电孤立波的稳定性减弱,在演化一段时间后会逐渐瓦解.      

等离子体片边界层处离子的随机加速

本文讨论宽频带静电噪声对等离子体片边界层处粒子的随机加速问题.计算表明:宽频带静电噪声会使离子轨道在相空间Poincare截面上一定范围内无规行走, 该范围与扰动电场的振幅、频率和波矢有关;引起的离子随机加速使一部离子能获得较高的能量, 在等离子体片参数下预计最大能量可达1000keV量级;对电子, 随机效应不明显.该结果为等离子体片中高能离子的存在这一长时观测特性提供一种新的可能产生机制.      

扭转Alfvén波共振的数学描述

提出完备正交函数基(OFSE)展开方法,求解冕环中无耗散扭转Alfvn波。每个基函数对应冕环中每根磁力线的一个固有角频率ω_n,当冕环足点驱动频率等于磁力线的固有频率时,Alfvn波将在这根磁力线处发生共振。采用OFSE方法求解了双足点驱动时冕环Alfvn波的时变演化问题,给出了时变解析解的新形式,其中包含共振项,从共振项可以发现,在共振角频率为ω的共振磁力线附近,在时间t为π/ω的整数倍时,出现δ型间断;在t为π/(2ω)的奇数倍时,出现1/x间断。共振磁力线振幅随时间线性增加,增加的斜率正比于Alfvn波速,反比于冕环长度,与驱动频率无关。     

空间辐射粒子引起单粒子翻转率预计

空间辐射粒子引起单粒子翻转（ＳＥＵ）率预计的基础是地面粒子加速器模拟试验数据、卫星轨道的粒子辐射环境模型和高能粒子与器件相互作用模型。引起ＳＥＵ的空间辐射粒子包括银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地磁俘获粒子。高能粒子通过电离产生多余电子－空穴对引起ＳＥＵ。介绍了计算轨道中ＳＥＵ率的程序ＣＲＥＭＥ。以８０Ｃ３１微控制器为例,根据串列静电加速器地面模拟试验结果,进行了在轨ＳＥＵ率预计。     

80C31单粒子效应敏感度评估

采用串列静电加速器对同步轨道气象卫星扫描辐射计控制器用８０Ｃ３１微控制器进行了单粒子效应模拟试验，得到了器件的错误截面与ＬＥＴ关系曲线；根据试验结果，对器件在同步轨道重离子环境中的翻转率进行了预计。     

极光场线上上行氧离子(O+)束驱动的静电离子迥旋波和离子声波不稳定性

本文研究了由背景热电子、背景冷质子(H+)和强各向异性氧离子(O+)束组成的模型等离子体中静电O+迴旋波和离子声波不稳定性.结果表明,低频(|ω|<σ_p,σ_p表示质子迴旋频率)静电O+迴旋波和离子声波可以由极光场线上上行O+束来激发.上行O+束可能是极光场线上低频静电不稳定性一个重要的自由能源.      

离子迴旋波的参量激发

本文分析了极光区上空以低混杂波作为泵波激发静电离子迴旋波的可能性,并计算了增长率。结果表明,当泵波较强时(峰值100mV/m)增长率可达0.5ω_ci,大于电流驱动不稳定性及离子束流不稳定性等线性理论所可能期待的增长率。从而在某些情况下,离子迥旋波的这种参量激发可能是主要的。      

扭转Alfvén波共振的数学描述

提出完备正交函数基(OFSE)展开方法,求解冕环中无耗散扭转Alfvén波.每个基函数对应冕环中每根磁力线的一个固有角频率ωn,当冕环足点驱动频率等于磁力线的固有频率时,Alfvén波将在这根磁力线处发生共振.采用OFSE方法求解了双足点驱动时冕环Alfvén波的时变演化问题,给出了时变解析解的新形式,其中包含共振项,从共振项可以发现,在共振角频率为ω的共振磁力线附近,在时间t为π/ω的整数倍时,出现δ型间断;在t为π/(2ω)的奇数倍时,出现1/x间断.共振磁力线振幅随时间线性增加,增加的斜率正比于Alfvén波速,反比于冕环长度,与驱动频率无关.     

带顶盖的半球形静电分析器的计算机模拟

从解带顶盖的半球形90°静电分析器关于势分布的Laplace方程开始,建立了荷电粒子在分析器中的运动方程,确定了以时间为参量的粒子运动轨道,引出了传输函数和几何因子的表达式,从而提供了一套适用于带顶盖的半球形90°静电分析器的模拟方法.为了使用方便,给出了传输函数和几何因子的尺度性质.所编制的程序特别地被应用于Sablik等的分析器原型,在现在的模拟结果和Sablik等的结果的对比中,评估了本文描述的模拟技术的精确性.      

VLF波从大气层到低电离层的传输特性分析

基于传播矩阵法计算了均匀半空间电离层的反透射系数, 同时解Booker复系数四次方程得到电离层的复折射指数, 分别研究了电离层反射透射系数及折射指数随VLF频段入射电波频率、入射角和地磁倾角、电离层电子浓度及碰撞频率的变化规律. 计算结果表明, 在VLF频段, 垂直电偶极子辐射的横磁(Traverse Magnetic)波更易透射进入电离层, 而水平电偶极子辐射的横电(Traverse Electric) 波易被限制在地-电离层波导内来回反射. 电离层电子密度较低时 (如夜间), 在高纬度地区, 观测到地震电离层VLF异常的概率更大. 当考虑地磁场 的影响时, 电离层将允许地震辐射的超低频(Ultra Low Frequency ,ULF)/甚低频 (Very Low Frequency, VLF)部分的电磁波透射进入电离层, 这一点已有很多卫星观测事实为证, 但其进一步的物理机制尚需深入研究.      

Analysis of the turbulence observed in the outer cusp turbulent boundary layer

One of the prominent features of the cusp Turbulent Boundary Layer (TBL) is a persistent low frequency electromagnetic turbulence that extends from <1Hz up to the electron cyclotron frequency, accompanied by what appears to be purely electrostatic noise above this frequency range. The Plasma Wave Instrument onboard Polar obtained plasma wave measurements in the cusp TBL in the form of waveform captures simultaneously from 6 different sensors (3 each orthogonal electric and magnetic) in the frequency range 1 Hz up to 25 kHz. This allowed us to directly calculate the phase velocity from the measured ratio of |dE| to |dB| and compare it to theoretical values for various modes. Using this technique, we have gained some insight into the mode of the electromagnetic turbulence that extends in frequency from 1 Hz up to the electron cyclotron frequency (several hundred Hz to a few kHz) in the TBL. The whistler and kinetic Alfvén wave modes are discussed as the possible modes of this turbulence. By analyzing the high time resolution waveforms, we isolate and identify some of these modes. The electrostatic turbulence above the electron cyclotron frequency is associated with pulses and quasi-sinusoidal waveforms observed in the measured time series. These do not fit any known mode, although work is continuing in this area to show that some of them may be associated with electron holes or with downshifted Langmuir waves produced through a two-stream instability.     

从空间飞行器入射进电离层的调制电子束产生的高频波辐射

在主动束-等离子体试验中,调制电子束从空间飞行器入射进电离层等离子体将会产生电磁波辐射,在不同试验条件下电磁波辐射机理也不一样,由电子束纵向约束性产生电磁波辐射是其中之一.对半无界稀薄调制电子束从空间飞行器入射进电离层等离子体时所产生的波现象进行了理论分析和数值计算.结果表明,当调制电子束沿磁力线入射时,会在电离层等离子体中产生高频电磁波辐射,该辐射主要集中在垂直于入射电子束运动方向的平面内.      

外加正交电磁场等离子体中电磁波透射特性

在基于磁流体动力学和电磁波传播理论的基础上,针对航天飞行器再入过程中的黑障问题,提出了一种物理模型.利用数值分析方法,研究电磁窗周围的电子密度在不同的飞行器轴向距离下,随着飞行器法向距离增加呈现出的变化趋势;改变外加电场和磁场的交叉角度,分析不同角度下电磁窗周围电子密度的变化趋势;研究有外加正交电磁场的电子密度与无外加电磁场电子密度比值的变化趋势和电磁波衰减的变化趋势.结果表明:当外加正交电磁场时,接收天线周围的电子密度随飞行器法向距离的增加而不断减小,其与无外加电磁场时电子密度之比呈现不断下降的趋势;电磁波的衰减在不同飞行高度和外加磁场强度下,随着电磁波频率的增加而不断减小.这为减缓“黑障”问题提供了一种新的方法.      

太阳高能电子束通过空间振荡轴向场产生的电磁不稳定性

本文基于太阳高能电子和日冕区开放场及行星际磁场特征，建立了相对论电子束与伴有空间变化（空间周期变化）的轴向场相互作用模型，用数值方法研究了该体系产生的电磁不稳定性，结果指出只有当太阳高能电子束速度和空间振荡场波数大到一定程度时，该体系才可激发在旋电磁模不稳定性，当太阳高能电子束逐一通过日冕和行星际空间时，激发具有波频向低频漂移特征的电磁波．     

电子回旋共振推力器放电室内磁场与微波电磁场分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,适宜用作深空探测器主推进装置。放电室是电子回旋共振推力器的关键部件,其作用是产生电子回旋共振等离子体。放电室内的磁场和微波电磁场分布对于推力器的可靠启动、稳定工作有着重要的影响。为此针对10cm推力器,采用大型有限元分析软件ANSYS建立了三种磁路模型,计算了放电室内的磁场分布,得出三种方案中电子回旋共振面的位置,分析放电室材料不同时磁场分布的变化;最后采用ANSYS有限元分析软件计算了放电室内的电磁场分布。结果表明,在电子回旋共振面上微波能量满足放电所需能量。计算结果可以为电子回旋共振推力器放电室的设计提供帮助。     

有限外磁场中的空心圆柱等离子体波导

分析了外磁场中电磁波沿空心圆柱等离子体波导的传播特性.首先给出边界条件的矩阵方程,利用矩阵的有关性质导出了问题的特征方程,采用精确求解特征方程的数值法,分析了波导传播常数随等离子体厚度、电子密度、碰撞频率和外加磁场的变化规律.      

Investigations of artificial HF plasma turbulence features using stimulated electromagnetic emission

New results on growth and decay times of the stimulated electromagnetic emission (SEE), obtained using a special quasi-continuous schedule of HF pump wave radiation, are presented. The employed technique allows to study the evolution of HF plasma turbulence with a high time resolution ( 0.25 ms). It is established that for the broad continuum SEE component the emission intensity starts to decrease within the delay time τ_D 0.5−3.2 ms after pump wave turn-off, where longer times correspond to lower SEE frequencies. The effect is explained in terms of transfer of HF-excited plasma waves throughout their spectrum due to induced scattering by thermal ions.     

强磁场中电磁辐射散射的自激效应

电子在磁场中运动,对频率ω_i的外来电磁波的散射,除频率仍为ω_i的部分以外,还发出与回旋辐射相同频率的散射波,这可以称作是自激效应.除了高频极限,该效应对散射截面有相当大的影响.本文对单个电子及冷等离子体情形,给出了强磁场中非相对论性经典电子散射截面的修正计算.讨论了电子散射的谱分布,给出某些典型情形中平衡状态下磁等离子体的Thomsom吸收系数.本文结果可应用于X射线脉冲星谱线形成等问题.      

Generation mechanism of the whistler-mode waves in the plasma sheet prior to magnetic reconnection

The whistler-mode waves and electron temperature anisotropy play a key role prior to and during magnetic reconnection. On August 21, 2002, the Cluster spacecrafts encountered a quasi-collisionless magnetic reconnection event when they crossed the plasma sheet. Prior to the southward turning of magnetospheric magnetic field and high speed ion flow, the whistler-mode waves and positive electron temperature anisotropy are simultaneously observed. Theoretic analysis shows that the electrons with positive temperature anisotropy can excite the whistler-mode waves via cyclotron resonances. Using the data of particles and magnetic field, we estimated the whistler-mode wave growth rate and the ratio of whistler-mode growth rate to wave frequency. They are 0.0016f_ce (Electron cyclotron frequency) and 0.0086f_ce, respectively. Therefore the whistler-mode waves can grow quickly in the current sheet. The combined observations of energetic electron beams and waves show that after the southward turning of magnetic field, energetic electrons in the reconnection process are accelerated by the whistler-mode waves.