13172.磁重聯(lián)電磁脈沖定向輻射方法研究

1、StudyofDirectedElectromagneticPulseEmissionfromMagneticReconnectionJiaK1LltEtDallSupervisor：ProfJianFengLiInstituteofFluidPhysicsChinaAcademyofEngineeringPhysicsSubmittedintotalfulfilmentoftherequirementsforthedegree01Ph

2、DinOptics摘要天體物理觀測(cè)結(jié)果表明磁化高能量密度等離子體能以較高的能量轉(zhuǎn)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(lián)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(jī)制以電場(chǎng)為初始儲(chǔ)能，其峰值功率和轉(zhuǎn)換效率受多種因素限制而達(dá)到物理極限。例如，當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到原子內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)量級(jí)時(shí)，電場(chǎng)能量極有可能以共振形式快速釋放，并產(chǎn)生等離子體，對(duì)輻射極為不利，此時(shí)的能量密度為1011Jim3量級(jí)。電中性條件排除了等離子體內(nèi)部可存

3、在強(qiáng)電場(chǎng)的普適性，特別是對(duì)于尺寸較大的等離子體系統(tǒng)。空間電荷效應(yīng)進(jìn)一步限制了傳統(tǒng)天線輻射峰值功率和效率。與電場(chǎng)儲(chǔ)能不同，磁重聯(lián)電磁輻射機(jī)制初始能量?jī)?chǔ)存在磁場(chǎng)中。等離子體內(nèi)部存在強(qiáng)磁場(chǎng)并不違背電中性條件，對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的可能物理極限還不明確，從天文觀測(cè)來(lái)看，即使存在物理極限，這一物理極限至少應(yīng)大于1015G，對(duì)應(yīng)的能量密度1027Jim3量級(jí)，比電場(chǎng)儲(chǔ)能極限高16個(gè)量級(jí)。等離子體在自生磁場(chǎng)作用下獲得相對(duì)論速度，這種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)必然引起磁力

4、線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重建，輻射磁重聯(lián)電磁脈沖。相對(duì)論效應(yīng)可極大地提高磁重聯(lián)電磁輻射效率，同時(shí)還能引起定向的相干輻射。相對(duì)論、強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)實(shí)意義。因此，本文針對(duì)磁化高能量密度條件下電流絲結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生及其磁重聯(lián)電磁脈沖定向輻射機(jī)制進(jìn)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(jī)制。論文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：1、討論了磁化高能量密

5、度條件下電流幺幺／甘a流環(huán)的形成機(jī)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(fù)斜率)，若溫度沿磁場(chǎng)方向分布不均勻(即使小擾動(dòng))，初始溫度較高區(qū)域的電阻率會(huì)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(chǎng)方向的電流絲或電流環(huán)結(jié)構(gòu)。電流絲／電流環(huán)在洛侖茲力作用下以相對(duì)論速度碰撞，該過(guò)程可輻射強(qiáng)電磁脈沖。通過(guò)推導(dǎo)電流絲陣列的色散關(guān)系發(fā)現(xiàn)，電流絲陣列具有波長(zhǎng)與陣列空間周期同量級(jí)的本征模式，退激發(fā)過(guò)程可輻射電磁脈沖