磁重联电磁脉冲定向辐射方法研究

摘要

天体物理观测结果表明磁化高能量密度等离子体能以较高的能量转换效率辐射低频非热电磁脉冲。本文研究磁化高能量密度条件下磁重联电磁脉冲定向辐射方法，并分析其物理极限。传统天线辐射机制以电场为初始储能，其峰值功率和转换效率受多种因素限制而达到物理极限。例如，当电场达到原子内部场强量级时，电场能量极有可能以共振形式快速释放，并产生等离子体，对辐射极为不利，此时的能量密度为1011J/m3量级。电中性条件排除了等离子体内部可存在强电场的普适性，特别是对于尺寸较大的等离子体系统。空间电荷效应进一步限制了传统天线辐射峰值功率和效率。与电场储能不同，磁重联电磁辐射机制初始能量储存在磁场中。等离子体内部存在强磁场并不违背电中性条件，对磁感应强度大小的可能物理极限还不明确，从天文观测来看，即使存在物理极限，这一物理极限至少应大于1015G，对应的能量密度1027J/m3量级，比电场储能极限高16个量级。等离子体在自生磁场作用下获得相对论速度，这种复杂的运动必然引起磁力线拓扑结构的重建，辐射磁重联电磁脉冲。相对论效应可极大地提高磁重联电磁辐射效率，同时还能引起定向的相干辐射。相对论、强磁化的高能量密度条件虽然与某些天体环境更为接近，然而目前实验室高能量密度加载能力的不断提升使得本论文的研究也具有现实意义。
　　因此，本文针对磁化高能量密度条件下电流丝结构的产生及其磁重联电磁脉冲定向辐射机制进行了初步探索和尝试，提出一种磁化高能量密度等离子体非热电磁辐射机制。论文主要研究内容和结论如下:
　　1、讨论了磁化高能量密度条件下电流丝/电流环的形成机制。处于高能量密度状态的等离子体电阻率随温度升高而降低（负斜率），若温度沿磁场方向分布不均匀（即使小扰动），初始温度较高区域的电阻率会以正反馈形式降低，使得该区域的电流密度提高，最后形成波矢平行于磁场方向的电流丝或电流环结构。电流丝/电流环在洛仑兹力作用下以相对论速度碰撞，该过程可辐射强电磁脉冲。通过推导电流丝阵列的色散关系发现，电流丝阵列具有波长与阵列空间周期同量级的本征模式，退激发过程可辐射电磁脉冲，这提供了第二种可能的低频非热辐射机制。只有平行磁场(k‖ B)的温度扰动模式能产生电流丝结构，该模式的激发对实验加载能力要求很高。基于我们目前的加载能力，开展了k⊥B不稳定性模式的实验研究，实验结果表明不稳定性随时间向长波模式演化，若将这一结论推广至k‖B的不稳定性模式，可以预测电流丝阵列的空间周期变大。涨落可提供温度的扰动机制，等离子体内的电磁波也可引起空间周期为波长量级的扰动。扰动机制和正反馈机制保证了磁化高能量密度条件下产生电流丝结构的可能性。
　　2、讨论了运动电流环和电流丝辐射电磁脉冲机制，提出了实现定向辐射的理论方案。本文理论分析表明，垂直于电流方向的运动更有利于电磁脉冲辐射，外磁场或自生磁场的洛仑兹力(J×B)恰好提供了垂直电流方向的驱动力。相对论效应对电磁脉冲功率和角分布有显著的影响，具体表现为:电磁脉冲功率与电流环/电流丝的峰值运动速度近似满足定标率Prad∝β2γ2-3，速度从0.1c增至0.9c后峰值功率提高三个量级。相对论效应有助于提高辐射定向性。以绕轴匀速转动的电流环为例，非相对论条件下，电磁脉冲在电流环所在平面内（即垂直磁场）取极大值;相对论条件下，电磁脉冲沿磁轴（磁偶极矩）方向取极大值。对于运动电流丝，非相对论条件下，电磁辐射在运动方向（包括沿速度方向和速度反方向）取极大值，垂直于运动方向无辐射;相对论条件下，电磁脉冲集中于沿速度方向的小锥角内，这点与单粒子辐射类似。讨论了表观超光速扰动引起的定向电磁脉冲辐射机制，小角度倾斜或质量沿长度方向调制的双电流丝均可引起表观超光速扰动，其辐射角分布与Cerenkov辐射相同;在相对论条件下，电流丝以较高的对称性运动并不会抑制电磁辐射;反之，非相对论条件下对称性运动会抑制电磁辐射。传统辐射机制的峰值功率受限于多种因素而达到物理极限，磁重联电磁脉冲辐射功率和能量满足∝γ2-3，正比于电流丝/电流环动能的平方/立方，原则上没有物理极限。
　　3、讨论了弱加载条件下的磁重联实验结果。测量脉冲电流加载下双丝在微波、可见光和X射线三个波段的电磁辐射。热辐射机制能较好解释X射线辐射;可见光波段的电磁辐射则由热辐射和元素特征线辐射共同决定;弱加载条件的低频电磁辐射极有可能是欧姆加热引起金属丝经历固态-液态-气态-等离子体相变所致。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 磁重联超热电子辐射

1．2．2 等离子体振荡辐射

1．2．3 磁场排斥机制

1．3 本文研究内容和章节安排

第二章 磁化高能量密度系统的低频辐射机制

2．1 引言

2．2 高能量密度条件下电流丝的产生

2．2．1 电流丝结构的形成机制

2．2．2 k／／I扰动模式的初步验证

2．2．3 电流丝结构的初始扰动机制

2．3 电流丝阵列的色散关系

2．3．1 电流丝的等效RLC模型

2．3．2 电流丝阵列的本征频率

2．3．3 电流丝阵列在微波放大中的应用

2．4 磁化高能量密度条件下的低频辐射机制

2．5 本章小结

第三章 磁重联电磁脉冲辐射

3．1 引言

3．2 运动电流环产生的电磁脉冲

3．2．1 电流环沿对称轴平动

3．2．2 电流环脉动

3．2．3 电流环绕对称轴转动

3．2．4 电流环绕直径转动

3．2．5 电流环绕轴转动-对称轴与旋转轴之间夹角任意

3．2．6 旋转中子星辐射

3．3 运动电流丝产生的电磁脉冲

3．3．1 有限长电流丝-非相对论运动

3．3．2 无限长电流丝-非相对论运动

3．3．3 无限长电流丝-相对论运动

3．3．4 传统辐射机制-振荡电流辐射

3．4 丝阵内爆产生的电磁脉冲

3．5 磁重联电磁脉冲定向辐射

3．5．1 超光速扰动与定向辐射机制

3．5．2 多个辐射源的定向辐射机制

3．5．3 单个辐射源的定向辐射机制

3．6 磁重联电磁脉冲物理极限

3．6．1 功率-能量极限

3．6．2 效率极限

3．7 本章小结

第四章 弱加载条件下磁重联实验研究

4．1 引言

4．2 双丝磁重联实验研究

4．2．1 等离子体运动图像

4．2．2 微波辐射

4．2．3 可见光辐射

4．2．4 X射线辐射

4．3 双丝磁重联数值模拟研究

4．4 本章小结

第五章 全文总结与展望

参考文献

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致谢