微纳米通道电场调控电渗流研究及控制

在通道壁面垂直施加一个调控电场可以改变双电层电荷密度和Zeta电位势,实现对电渗流的调控。采用离子输运Nernst-Planck方程、液体流动Navier-Stokes方程、以及介电层-电解液耦合双电层Poisson方程,数值求解外加均匀调控电压下微纳米通道的电渗流动,得到表面Zeta电位势、电渗流速度与外加调控电压的关系特性。数值解与基于Poisson-Boltzmann方程双电层弱重叠近似和双电容串联模型的解析解相对比,进一步研究了控制外加调控电压以及控制电渗流的方法。     

射频鞘层中等离子体浓度对离子动量的影响

利用射频鞘层模型,推出了离子到达被加工材料表面时的动量的表达式。利用表达式分析了离子轰击材料表面的动量与等离子体浓度的关系。理论分析与实验数据有较好的吻合。等离子体浓度的增大对鞘内离子动量起抑制作用:随等离子体浓度(1015~1016 m–3)增加,离子动量(10–22~10–21kg.m.s–1)减小。等离子体浓度较小(约<3×1015m–3)时,对离子动量有较显著的影响;随等离子体浓度增大(约>3×1015m–3),其作用越来越平缓。     

高低频不同电压条件下腔室内CCP冷等离子体源的仿真分析

等离子体的状态的变化特征,特别是在双频情况下,是PECVD工艺设备的一项重要指标,这促使人们用不同的方法对它们进行研究。本文使用CFD-ACE 商业软件建立了二维流体模型对N2等离子体进行仿真。首先在高频13.56MHz,高频电压300V,低频电压0V的条件下描述了等离子体,特别是在鞘层部位的电势、电子数量密度、氮自由基和电子温度,分布的基本特征。在此基础上,讨论了高频电压分别是200V,300V,400V时及低频0.3MHz,低频电压分别是500V,600V,700V时对等离子体密度的影响。结论表明,在电极表面形成了约3mm厚的鞘层,在鞘层内电势和电子温度随时间和空间变化较大,而在非鞘层区域内电势跟随电极电压的变化而变化,但几乎不随空间变化,电子温度也只在很小的范围内变化。氮自由基的数量密度也受射频电压的调制,但相对变化很小。等离子体密度仅在鞘层区域内随时间发生变化,所以通过比较主等离子体区参数可以看出,等离子体的密度随着高频电压升高,随低频电压的升高略有下降,同时x方向和y方向的均匀性将会发生变化。因此,在其他条件不变的情况下需要选择合适的高低频电压来获得高密度和均匀性均合乎要求的等离子体。     

微波共振探针在测量等离子体密度中的应用

本文介绍了一种可以测量局部等离子体电子密度的微波共振探针法，并给出了它的测量原理、设计方法和实验结果。实验结果表明：由于微波共振探针不受鞘层的影响，因此它比通常的朗谬静电探针对等离子体密度的测量要精确得多。微波共振探针的空间分辨率与它的几何尺寸有关。     

分层等离子体包覆飞行器天线性能一体化分析

提出了一种适用于分层等离子体鞘套、高超声速飞行器以及天线一体化求解的修正多层薄介质片(Multi-Layer Thin Dielectric Sheet,ML-TDS)方法.该方法只需在相关参考面上进行面剖分,避免了对覆盖于机体表面等离子体的海量体剖分,从而大幅降低了待求未知量和计算量.详细介绍了修正ML-TDS方法,通过与体面积分方程方法和面积分方程方法的对比展示了其在分析分层等离子体鞘套覆盖下天线辐射特性问题中的优势.基于高速飞行器表面等离子体鞘套和天线间的互耦模型,分别计算了飞行器上单天线和双天线在等离子体鞘套和飞行器平台影响下的辐射特性.该方法可对等离子体鞘套包覆的飞行器和天线实现一体化的建模和计算,数值结果准确,计算复杂度低,是研究分层等离子体鞘套电磁效应较为便捷的数值分析工具.     

基于等离子体能量密度的航天器表面电位估计

空间等离子体状态对航天器表面充电具有重要影响。为了利用等离子体状态参数表征可能发生的严重充电事件,研究了基于等离子体能量密度的航天器表面电位快速估计方法。首先通过数值仿真考察了航天器表面铝材料表面电位随等离子体浓度和温度的变化关系,得出了表面电位关于等离子体能量密度的线性拟合公式。然后对拟合公式进行归一化处理,提出了利用无量纲系数估计航天器表面电位的方法,并解释了拟合系数的物理意义。利用单变量变化趋势对估计式中的系数进行拟合,可得到与数值仿真结果十分接近的拟合结果。将电位估计方法应用到其他几种常用的航天器表面材料上,均取得了较好的估计结果。该电位估计方法能够快速得到等离子体参数波动情况下的航天器表面电位变化结果,有助于实现基于空间等离子体天气的航天器表面严重带电事件的快速预报。     

激光等离子体空气冲击波前参量的测定及研究

根据空气中激光等离子体冲击波自由衰减条件下的波前传播方程和冲击波波阵面处动量、能量、质量守恒定律 ,给出了冲击波波阵面处温度、压强、气体密度、粒子运动速度等重要参数的计算公式 ,并与实验数据进行了比较。结果表明当波速小于空气中正常声速的 1 5倍时 ,波阵面处出现热力学量参数突变的冲击波模型不再适用 ,出现了冲击波向正常声波过渡的新特性     

太赫兹波在高超声速目标等离子体鞘套中的传输特性

高超声速飞行器在临近空间飞行过程中会产生等离子体鞘套,这种等离子体鞘套的存在会严重干扰地面与飞行器之间的通信。针对这一问题,在计算球锥流场的基础上,根据流场温度、压强分布以及空气离解反应模型建立了等离子体鞘套模型,并基于时域有限差分方法研究了不同飞行速度、不同入射角度下太赫兹波在等离子体鞘套中的传输特性。结果表明,在不同的飞行速度和入射角度下,太赫兹波都可以有效地穿透等离子体鞘套。该研究对实现临近空间与高超声速飞行器的通信具有重要意义。     

相对运动等离子体平板与电磁波相互作用研究

高超声速飞行器在飞行过程中,由于高温高压的作用,会在飞行器表面形成一层等离子体鞘层,飞行器及其等离子体鞘层相对于地面测控中心做高速相对运动,对目标物电磁回波会带来严重影响.此外,等离子体鞘层的时变特性,也会对目标物雷达回波进行调制,使测控中心难以识别、跟踪目标.本文利用Lorentz-FDTD方法研究了相对运动等离子体鞘层与电磁波之间的相互作用,并分析了等离子体鞘层的相对运动特性和时变特性对电磁波造成的影响,发现运动的时变等离子体除了对电磁波造成多普勒频移外,还会对入射波频谱进行调制.     

微管靶等离子体电子温度密度的空间分布

用高功率激光加热微管靶,观察到在软X光波段的Mg~(+10)能级粒子数反转.对微管靶作的二维诊断,得到了维管靶等离子体电子温度和密度的空间分布.     

Compton散射下强激光等离子体的辐射阻尼效应

为了研究Compton散射对强激光等离子体中辐射阻尼效应的影响,采用多光子非线性Compton散射模型、相对论理论和洛伦兹变换方法,对Compton散射对不同极化激光在等离子体中产生辐射阻尼效应的影响进行了理论分析和数值计算。提出了将Compton散射光作为等离子体产生辐射阻尼效应的新机制,给出了辐射阻尼满足的修正方程。结果表明,Compton散射使等离子体辐射阻尼效应对电子运动产生重要作用的几率增大,这主要是由于产生这种作用所需的入射激光强度降低,从而使电子频率增大、电场耦合频率增大的缘故。多光子非线性Compton散射光是产生和提高等离子体辐射阻尼效应的一个重要机制。     

等离子体与电磁波相互作用FDTD 数值模拟

围绕等离子体与电磁波相互作用的问题,将气体分子动力学与电磁场理论相结合,基于玻尔兹曼方程和麦克斯韦方程建立了等离子体与电磁波相互作用自洽模型,为了对模型进行验证,将该方法与经典的电流密度卷积时域有限差分法进行对比,以一维情况下电磁波由自由空间向等离子体内传播为例,应用时域有限差分法对二者进行了数值仿真,仿真结果证明了所建立模型的正确性。此外,基于该模型仿真分析了等离子体参数对电磁波在等离子体中传播的影响,为等离子体与电磁波相互作用的研究提供了一种新思路和新方法。     

基于动力论的尘埃等离子体充电方程研究

尘埃等离子体与一般等离子体最大的不同源于尘埃粒子的充电问题,尘埃粒子充电方程是描述尘埃等离子体充放过程的基本方程,充电频率(电荷驰豫速率)是描述这一物理过程的基本物理量。在研究尘埃等离子体微波散射、尘埃等离子体介电张量及尘埃等离子体中各种纵波问题时,不同的文献引入了不同的充电频率表达式。在动力论基础上研究了尘埃粒子的充电问题,用动力论方法推导了尘埃粒子充电方程,给出了充电频率表达式。对两种不同形式的充电频率表达式做了分析,阐明它们是不同近似条件下给出的结果。     

超低频磁流波传播中电导率效应的研究

由麦克斯韦方程出发，利用粒子轨道模型，研究线性超低频磁流波在磁化等离子体中传播的情况，推导了传播过程中电导率的解析表达式，并讨论了电导率在超低频磁波波传播中的效应。     

CO2激光诱导空气等离子体放电通道特性研究

为了研究高能脉冲CO₂激光诱导空气等离子体放电通道的特性,建立了高压电容充放电实验平台,激光束经离轴抛物聚焦镜汇聚,引发间距可调的盘状电极和针状电极之间的等离子体放电通道。利用电气参量测量、发射光谱测量等手段,分析了等离子体放电通道的启动特性、阻抗特性和等离子体密度。结果表明,激光束与放电方向同轴的结构以及较大的脉冲能量,使得激光诱导等离子体放电通道的启动时间大幅缩短,50mm间距的等离子体通道,启动时间约为2μs;激光诱导等离子体放电通道的阻抗很小,约1Ω~2Ω,并且阻抗值随放电电压的增加有减小的趋势,而与等离子体通道长度的关系不明显;由谱线的Stark展宽计算获得的空气击穿之后、放电启动之前的等离子体电子密度约为1019cm-3,尽管放电启动时等离子体辐射显著增强,但等离子体密度近乎单调下降。这些结果将有利于高能脉冲CO₂激光诱导空气等离子体放电通道的应用研究。     

激光焊接过程中电磁场控制等离子体的研究

高功率CO2激光焊接过程中,小孔上方的等离子体会影响激光和工件之间的耦合效率.从分析外加电磁场对等离子体的作用出发,探讨了采用外加电磁场控制激光等离子体的可能性.实验结果表明,选择合适的外加电磁场参数,可以降低等离子体对激光的屏蔽效果,增大熔深.     

激光焊接过程中电磁场控制等离子体的研究

高功率CO₂激光焊接过程中,小孔上方的等离子体会影响激光和工件之间的耦合效率。从分析外加电磁场对等离子体的作用出发,探讨了采用外加电磁场控制激光等离子体的可能性。实验结果表明,选择合适的外加电磁场参数,可以降低等离子体对激光的屏蔽效果,增大熔深。     

基于化学物质释放的五点傅里叶变换求解泊松方程的方法

在电离层化学物质释放数值模拟中,傅里叶变换是一种有效的求解泊松方程的方法,但其仿真精度有待进一步提高.文章提出一种改进的傅里叶变换求解泊松方程的方法,对泊松方程的五点差分形式做傅里叶变换,并引入误差修正项,弥补二阶差分带来的误差,模型中给出了详细推导过程,并与常用方法进行了对比分析.研究结果表明,改进方法求得电势的均方误差（Mean Square Error,MSE）相对Birdsall方法和电势求导方法小6个量级,电势空间分布更加接近解析结果.文中所提方法满足化学物质释放数值仿真的要求,为等离子体粒子模拟中泊松方程的求解提供了一种新的方法.     

用于测量激光烧蚀下靶材获得冲量的方法

强激光与固体靶物质相互作用产生的等离子体膨胀对靶有强烈的反冲作用,这就是激光等离子体推进的基本思想。固体靶获得冲量大小的测量在研究冲量传递效率过程中有重要作用。采用一种悬摆法和光电测速法相结合的测量方法对激光等离子体膨胀时靶摆动的周期、角速度进行了实验测量,结合测试装置的几何结构和流体力学理论得到了有空气阻力影响下靶的摆动方程,并将实验测量的靶摆动周期与由摆动方程计算的结果进行了比较,两者之间的相对误差小于0．5％,即这一摆动方程能较精确地描述靶的摆动过程,采用此摆动方程和实验测量的靶摆动角速度求得了靶的冲量。理论和实验研究结果表明该测试方法具有结构简单、操作方便、测量精确度高等特点。     

Relativistic Dynamics,Electromagnetic Field,and Spin,as All Quantum Effects

We consider a quantum particle as a wave packet in the coordinate space. When the conjugate wave packet in the momentum space is considered, we find that the group velocities of these two wave packets, which describe the particle dynamics, are in agreement with the Hamilton equations only if in the time dependent phases one considers the Lagrangian instead of the Hamiltonian which leads to the conventional Schrdinger equation. We define a relativistic quantum principle asserting that a quantum particle has a finite frequency spectrum, with a cutoff propagation velocity c as a universal constant not depending on the coordinate system, and that any time dependent phase variation is the same in any system of coordinates. From the time dependent phase invariance, the relativistic kinematics is obtained. We consider two types of possible interactions: 1) An interaction with an external field, by a modification of the time dependent phase differential with the terms proportional to the differentials of the space-time coordinates multiplied with the components of this field four-potential, and 2) an interaction by a deformation of the space-time coordinates, due to a gravitational field. From the invariance of the time dependent phase with field components, we obtain a mechanical force of the form of Lorentzs force, and three Maxwell equations: The Gauss-Maxwell equations for the electric and magnetic fluxes, and the Faraday-Maxwell equation for the electromagnetic induction. When the fourth equation, Ampre-Maxwell, is considered, the interaction field takes the form of the electromagnetic field. For a low propagation velocity of the particle waves, we get a packet of waves with the time dependent phases proportional to the relativistic Hamiltonian, as in Diracs famous theory of spin, and a slowly-varying amplitude with a phase proportional to the momentum and this velocity. In the framework of our theory, the spin is obtained as an all quantum effect, without any additional assumption to the quantum theory. When a space-time deformation is considered in the time dependent phase of a quantum particle, from the group velocity we get the particle dynamics according to the general theory of relativity. In this way, the relativistic dynamics, the electromagnetic field, and the spin of a quantum particle are obtained only from the invariance of the time dependent phases of the particle wave functions.