本文關鍵詞：磁重聯電磁脈沖定向輻射方法研究　出處：《中國工程物理研究院》2014年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 磁重聯 定向電磁脈沖 磁化高能量密度等離子體 電流絲 非熱電磁輻射

【摘要】：天體物理觀測結果表明磁化高能量密度等離子體能以較高的能量轉換效率輻射低頻非熱電磁脈沖。本文研究磁化高能量密度條件下磁重聯電磁脈沖定向輻射方法,并分析其物理極限。傳統(tǒng)天線輻射機制以電場為初始儲能,其峰值功率和轉換效率受多種因素限制而達到物理極限。例如,當電場達到原子內部場強量級時,電場能量極有可能以共振形式快速釋放,并產生等離子體,對輻射極為不利,此時的能量密度為1011J/m3量級。電中性條件排除了等離子體內部可存在強電場的普適性,特別是對于尺寸較大的等離子體系統(tǒng)�？臻g電荷效應進一步限制了傳統(tǒng)天線輻射峰值功率和效率。與電場儲能不同,磁重聯電磁輻射機制初始能量儲存在磁場中。等離子體內部存在強磁場并不違背電中性條件,對磁感應強度大小的可能物理極限還不明確,從天文觀測來看,即使存在物理極限,這一物理極限至少應大于1015G,對應的能量密度1027J/m3量級,比電場儲能極限高16個量級。等離子體在自生磁場作用下獲得相對論速度,這種復雜的運動必然引起磁力線拓撲結構的重建,輻射磁重聯電磁脈沖。相對論效應可極大地提高磁重聯電磁輻射效率,同時還能引起定向的相干輻射。相對論、強磁化的高能量密度條件雖然與某些天體環(huán)境更為接近,然而目前實驗室高能量密度加載能力的不斷提升使得本論文的研究也具有現實意義。 因此,本文針對磁化高能量密度條件下電流絲結構的產生及其磁重聯電磁脈沖定向輻射機制進行了初步探索和嘗試,提出一種磁化高能量密度等離子體非熱電磁輻射機制。論文主要研究內容和結論如下： 1、討論了磁化高能量密度條件下電流絲／電流環(huán)的形成機制。處于高能量密度狀態(tài)的等離子體電阻率隨溫度升高而降低(負斜率),若溫度沿磁場方向分布不均勻(即使小擾動),初始溫度較高區(qū)域的電阻率會以正反饋形式降低,使得該區(qū)域的電流密度提高,最后形成波矢平行于磁場方向的電流絲或電流環(huán)結構。電流絲／電流環(huán)在洛侖茲力作用下以相對論速度碰撞,該過程可輻射強電磁脈沖。通過推導電流絲陣列的色散關系發(fā)現,電流絲陣列具有波長與陣列空間周期同量級的本征模式,退激發(fā)過程可輻射電磁脈沖,這提供了第二種可能的低頻非熱輻射機制。只有平行磁場(k||B)的溫度擾動模式能產生電流絲結構,該模式的激發(fā)對實驗加載能力要求很高�；谖覀兡壳暗募虞d能力,開展了k⊥B不穩(wěn)定性模式的實驗研究,實驗結果表明不穩(wěn)定性隨時間向長波模式演化,若將這一結論推廣至k||B的不穩(wěn)定性模式,可以預測電流絲陣列的空間周期變大。漲落可提供溫度的擾動機制,等離子體內的電磁波也可引起空間周期為波長量級的擾動。擾動機制和正反饋機制保證了磁化高能量密度條件下產生電流絲結構的可能性。 2、討論了運動電流環(huán)和電流絲輻射電磁脈沖機制,提出了實現定向輻射的理論方案。本文理論分析表明,垂直于電流方向的運動更有利于電磁脈沖輻射,外磁場或自生磁場的洛侖茲力(J×B)恰好提供了垂直電流方向的驅動力。相對論效應對電磁脈沖功率和角分布有顯著的影響,具體表現為：電磁脈沖功率與電流環(huán)/電流絲的峰值運動速度近似滿足定標率只ras∝β2γ2-3,速度從0.1c增至0.9c后峰值功率提高三個量級。相對論效應有助于提高輻射定向性。以繞軸勻速轉動的電流環(huán)為例,非相對論條件下,電磁脈沖在電流環(huán)所在平面內(即垂直磁場)取極大值：相對論條件下,電磁脈沖沿磁軸(磁偶極矩)方向取極大值。對于運動電流絲,非相對論條件下,電磁輻射在運動方向(包括沿速度方向和速度反方向)取極大值,垂直于運動方向無輻射；相對論條件下,電磁脈沖集中于沿速度方向的小錐角內,這點與單粒子輻射類似。討論了表觀超光速擾動引起的定向電磁脈沖輻射機制,小角度傾斜或質量沿長度方向調制的雙電流絲均可引起表觀超光速擾動,其輻射角分布與Cerenkov輻射相同；在相對論條件下,電流絲以較高的對稱性運動并不會抑制電磁輻射；反之,非相對論條件下對稱性運動會抑制電磁輻射。傳統(tǒng)輻射機制的峰值功率受限于多種因素而達到物理極限,磁重聯電磁脈沖輻射功率和能量滿足∝γ2-3,正比于電流絲/電流環(huán)動能的平方/立方,原則上沒有物理極限。 3、討論了弱加載條件下的磁重聯實驗結果。測量脈沖電流加載下雙絲在微波、可見光和X射線三個波段的電磁輻射。熱輻射機制能較好解釋X射線輻射；可見光波段的電磁輻射則由熱輻射和元素特征線輻射共同決定；弱加載條件的低頻電磁輻射極有可能是歐姆加熱引起金屬絲經歷固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)-等離子體相變所致。
[Abstract]:The results show that magnetized astrophysical observations of high energy density plasma with high energy conversion efficiency of non thermal radiation of low frequency magnetic pulse. This paper studies the magnetization under the condition of high energy density magnetic reconnection electromagnetic pulse radiation method, and analyzes its physical limits. The traditional antenna radiation mechanism for the electric field as the initial energy, peak power and conversion efficiency restricted by many factors and reach the physical limit. For example, when the electric field reaches the atom field magnitude, the electric energy is likely to be released rapidly in resonance form, and generate plasma of radiation is extremely unfavorable, the energy density of the order of 1011J/m3. The condition of electrical neutrality eliminates the strong electric field inside the plasma are universal, especially for the plasma system of larger size. The space charge effect further restrict the traditional antenna radiation power and efficiency and electric field peak. Energy storage, magnetic reconnection electromagnetic radiation mechanism of initial energy stored in the magnetic field. The plasma has a strong magnetic field does not violate the condition of electrical neutrality, physical limit of the magnetic induction intensity is not clear, from astronomical observations, even in the presence of physical limits, the physical limits should be at least more than 1015G, the corresponding energy density the order of 1027J/m3, electric field energy storage limit of 16 orders of magnitude higher. Plasma obtained relative velocity in self generated magnetic field, the complex motion will cause the reconstruction of the topologies of magnetic field, magnetic reconnection electromagnetic pulse radiation. The relativistic effects can greatly improve the efficiency of magnetic reconnection electromagnetic radiation, can also cause orientation coherence radiation. The theory of relativity, the condition of high energy density strongly magnetized although with some celestial environment closer, however, the laboratory of high energy density loading ability and constantly improve. The study of this paper is also of practical significance.
Therefore, in this paper and the current magnetic wire structure under the condition of high energy density magnetic reconnection electromagnetic pulse radiation mechanism for a preliminary exploration and try to put forward a magnetized high energy density plasma non thermal electromagnetic radiation mechanism. The followings are the main research contents and conclusions:
1, discuss the formation mechanism of current filament / current loop magnetization under the condition of high energy density. In the state of high energy density plasma resistivity decreases with the increase of temperature (negative slope), if the temperature along the direction of magnetic field distribution is not uniform (even small perturbations), higher initial temperature resistivity areas will be reduced with the positive feedback form. The current density in the region increased, finally current wire or current loop structure of wave vector parallel to the magnetic field direction is formed. The current filament / current loop in the Lorentz force in relativistic velocity collision, the process of electromagnetic pulse radiation. The dispersion relation of current filament array is found, the eigen modes of current filament array with wavelength and array space cycle of the same level, de excitation process of electromagnetic pulse radiation, which provides second possible low frequency non thermal radiation mechanism. Only the parallel magnetic field (k||B) temperature disturbance The dynamic model can produce current filament structure, the excitation mode of experimental loading capacity is very high. Our current loading capacity based on experiment were carried out to study the anomalous K B instability mode, the experimental results show that the stability with time to long wave mode evolution, if the conclusion is generalized to the instability of k||B mode. Can predict the spatial period of current filament array becomes larger. Disturbance mechanism can provide the temperature fluctuation, disturbance of electromagnetic wave in plasma can also cause the space periodic order of wavelength. The disturbance mechanism and positive feedback mechanism to ensure the possibility of current filament structure magnetization under the condition of high energy density.
2, discussed the motion of current loop and current filament electromagnetic pulse mechanism, puts forward the theoretical scheme to achieve directional radiation. Theoretical analysis shows that the movement is more perpendicular to the current direction to electromagnetic pulse radiation, Lorentz force field or self generated magnetic field (J * B) provides the driving force of the vertical direction of the current. The relativistic effect of electromagnetic pulse has significant influence power and angular distribution, specific performance: electromagnetic pulse power and current loop / peak velocity of filament current approximate scaling to meet the rate of Ras / 2-3 gamma beta 2, speed increased from 0.1C to 0.9c after the peak power is increased by three orders of magnitude. The relativistic effects contribute to the to improve the radiation directivity. Current to rotate around the shaft of the uniform ring as an example, the non relativistic conditions, electromagnetic pulse in the current loop within the plane (i.e. vertical magnetic field) maximum relativistic conditions along the magnetic axis of electromagnetic pulse (magnetic The direction of maximum dipole moment). The movement of current wire, non relativistic conditions, electromagnetic radiation in the direction of motion (including velocity direction and speed reverse direction) maximum, perpendicular to the direction of motion without radiation; relativistic conditions, electromagnetic pulse along the direction of the focus on the speed of the small cone angle, this with the single particle radiation is discussed. Similar to the apparent superluminal disturbance caused by directional electromagnetic pulse radiation mechanism, double filament current can be small angle or quality along the length direction of modulation caused by the apparent superluminal disturbance, the angular distribution of radiation and Cerenkov radiation are the same; in relativistic conditions, current wire with high symmetry the movement and suppression of electromagnetic radiation will not; on the contrary, the non relativistic symmetry will inhibit movement under the condition of electromagnetic radiation. The peak power limitation traditional radiation mechanism in a variety of factors and achieve physical limits, the magnetic reconnection electromagnetic pulse Radiation power and energy to meet / R 2-3, is proportional to the current filament current loop energy / square / cubic, no physical limit principle.
3, the weak under the loading conditions of the magnetic reconnection experiment results are discussed. The measurement of pulse current loading double wire in the microwave electromagnetic radiation, visible light and X ray band three. Thermal radiation mechanism can be used to explain X ray radiation; electromagnetic radiation in visible light by thermal radiation and radiation characteristics of elements determined low frequency electromagnetic radiation; weak loading condition is most likely caused by ohmic heating wire through the solid liquid vapor phase transition induced by plasma.

【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P141

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本文編號：1427745