非对称辐照下微粒子内部辐射吸收特性研究

摘要

在自然界、各种工程应用及科学研究中，各种微尺度粒子常常作为主要的研究对象，例如常见的云雾雨滴、目前研究火热的PM2.5、工业燃烧重点研究的碳黑粒子以及生命科学感兴趣的细胞等等。这些粒子与热辐射的相互作用如吸收、发射和散射，在这些工程问题中起着重要作用，成为相关领域研究的重点。针对半透明粒子的辐射特性研究，工程上大多采用几何光学求解大粒子或是用经典的 Mie氏理论研究微小粒子作为块材的整体特性，只考虑粒子的表面作用。而在实际工程应用中还有很多时候，粒子内部的辐射吸收分布显得至关重要，例如航天领域的空间制冷，燃烧领域中的液滴爆破，生物领域内的癌症热疗法等等。针对这些情况，本课题对粒子内部的辐射吸收分布进行了细致的研究。
　　本文主要采用时域有限差分方法（FDTD）对非对称辐照条件下微米尺度球形粒子内部当地辐射吸收进行了研究。重点研究非灰粒子、灰体粒子和一种简单的含核粒子内部的辐射吸收分布以及粒子的尺寸参数和光学常数对其的影响。
　　采用经典的Mie氏理论验证FDTD方法数值计算的准确性，结果表明两种方法计算得到的不同尺寸参数条件下粒子整体散射因子和衰减因子吻合良好。为了研究粒子内部当地辐射吸收分布，定义了粒子内部无量纲吸收函数。
　　研究表明粒子内部当地辐射吸收分布是粒子的尺寸参数的单值函数，可以用粒子的尺寸参数来描述粒子尺寸对粒子内部的辐射吸收分布的影响，当粒子的尺寸参数接近1时，粒子内部的当地辐射吸收趋于均匀分布；随着尺寸参数的增大，粒子内部出现局部吸收峰，最大吸收峰的位置先沿着入射方向移动到达粒子表面之后又沿着入射方向反方向移动；最大吸收峰的峰值随着尺寸参数变化显著；且粒子内部出现明显的干涉条纹。随着折射率的增大，粒子内部的辐射吸收的非均匀性不断增大，最大吸收函数峰值显著增大，可以提高30倍以上，但是高吸收峰的区域范围随着折射率的增大逐渐减小；而当粒子的衰减指数由小到大不断增大时，粒子内部的辐射吸收分布由后集中逐渐变为前集中，当衰减指数接近1时，粒子内部当地辐射吸收基本为0，吸收因子在粒子表面很小的距离就衰减至0。
　　本课题还研究了两种典型的非灰粒子和含核粒子内部的辐射吸收分布，研究表明内部的核粒子显著的改变了基元粒子内部的辐射吸收分布。在所研究的参数条件下，基元粒子整体的辐射吸收因子增大了近30倍，内部核粒子表面附近一层辐射吸收明显增强。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的意义

1.2国内外研究现状

1.3本课题主要研究内容

第2章 微纳尺度粒子辐射的基本理论

2.1 Maxwell方程与本构方程

2.2 Mie氏理论简介

2.3时域有限差分法基本原理

2.4粒子内部当地辐射吸收求解

2.5对比验证

2.6本章小节

第3章 灰体粒子内部辐射吸收分布特性

3.1尺寸参数的影响

3.2折射率的影响

3.3衰减指数的影响

3.4本章小节

第4章 非灰粒子及含核结构内部辐射吸收特性

4.1微尺度水滴辐射吸收分布

4.2微尺度金粒子辐射吸收分布

4.3含核粒子辐射吸收分布

4.4本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢