10-等离子体波(三).pptVIP

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10-等离子体波(三)

3.3非磁化等离子体中的高频电磁波 3.4垂直磁场方向传播的高频电磁波 3.4垂直磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 电磁波的色散关系 从这个关系可以看出,电磁波在等离子体中的传播是否有衰减,完全取决于电磁波频率和电子德拜频率。 利用这一点可以诊断等离子体密度? plasma 发射电磁波 接受电磁波 天线 ω ωpe 才能传播, ω ωpe 不能传播, ω=ωpe称为截止频率 可以确定ωpe 小结: 非磁化等离子体中有三种波: 朗缪尔波 离子等离子体波 电磁波 电磁波 离子声波 朗缪尔波 色散关系 静电波:朗缪尔波是高频波,不涉及离子运动; 静电波:离子等离子体波是低频波,受离子运动影响; 电磁波有扰动磁场,且存在截至频率? 等离子体波 3.1非磁化等离子体中的静电波 3.2垂直于磁场传播的静电波 3.3非磁化等离子体中的高频电磁波 3.4垂直磁场方向传播的高频电磁波 3.5平行于磁场方向传播的高频电磁波 3.6冷等离子体波 3.7 托卡马克等离子体的射频波注入 对于磁化等离子体中的高频电磁波,可以略去离子的运动。为简单起见,设等离子体是冷的,因此描述高频电磁波的线性化方程组为 完备方程组,无需泊松方程和连续性方程 首先考虑垂直传播的波,各矢量如图所示。 先考虑扰动场平行于磁场 k⊥ B0时,如选取横波k⊥ E1,则有两种选择:E1可平行于B0或垂直于B0。 (KTe=0) 3.4.1 寻常波,E1∥ B0 所以只需考虑B0即z方向的运动方程分量 非磁化均匀等离子体中 = 扰动场平行于磁场 可以立即写出色散方程? 这种E1∥B0的方程称为寻常波,在这里令“寻常波”是一种不受磁场影响的波更有意义一些? 3.4.2 非寻常波E1 ⊥ B0 E1 ⊥ B0时电子运动将受到B0的影响,色散关系就会改变。对于垂直于磁场方向的扰动电场,电子响应该电场而运动,电子的运动受到电场以及磁场的作用,所以E1和ue1都有x和y的分量? 让E1和ue1具有x和y两个分量: x Ex z E1 Ey y B0 非寻常波的E矢量是椭圆偏振的,分量Ex和Ey以相位差90o振荡,所以总电场矢量E1矢尖在每个波周期沿椭圆运动一次。 正弦变化 线性化上面的方程? 五个未知数五个方程 消除速度及磁场量,整理后,利用ωp的定义,可以将这组方程写 条件AD=BC,能写成: 当系数行列式为零时,方程才有非零解, 其中ωh是上杂化频率, 经过一些代数运算简化这个式子,得到: 这就是非寻常波的色散关系。它是一种部分横向、部分纵向的电磁波,传播方向垂直于B0,且E1与B0垂直。 非寻常波是由部分横波和部分纵波构成的电磁波。在空间固定点来看,矢端的轨迹是一个椭圆,所以它是椭圆偏振波。 3.4.3 截止与共振 非寻常波的色散关系 非寻常波的色散关系相当复杂,为了分析波的传播特性,定义截止和共振这样的术语,在分析其意义时是相当有用的。 当折射率变零时,也就是波长变成无穷大时,在等离子体中出现截止。 当折射率变为无穷大时(波长为零时),等离子体中发生共振。 令方程中的k等于无穷大,能得到非寻常波的共振点。对任何有限ω值,k→∞,意味着ω→ωh,因此共振就发生在等离子体中满足下列条件的点: 给定的波接近于共振点时,其相速度和群速度都趋于零,波能量转化为上杂化振荡。 令方程(4.14.12)中的k等于零,就求出非寻常波的截止点。除以ω2- ωp2,能将方程写成: 非寻常波的色散关系 求出ω的表达式: 截止点: 两个符号各给出一个不同的截止频率ωR和ωL,两个二次式的根是: 每个解的负值 不存在 每种情况的平方根都取了正号,因为我们习惯ω是正值。在-x方向进行的波将用-k来描述。 截至频率ωR和ωL分别被称为右旋截止和左旋截止。 若: 表明 时,非寻长波以光速传播 非寻常波的色散关系 截止与共振频率把色散图分成传播区域与非传播区域。见图(4.15.1) ωR和ωh层之间不存在可能的传播; 在ωh与ωL之间传播是可能的; ωωL又出现另一个不能传播的区域。ωh时存在共振点vφ =0。 图(4.15.1)从相速度频率变化的性状看非寻常X波的色散。在阴影区域,波不传播

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