华南师范大学（论文）文献综述论等离子体对电磁波的作用摘要：本文综述了等离子体的震荡特性，并讨论了电磁波在等离子体内传播的特性和等离子体对电磁波的折射作用关键词：等离子体频率 电磁波色散等离子体是一种大部分原子被电离的气体，其中电子和离子是独立自由的等离子体是一种集体效应比碰撞效应占优势的电离气体原子发生电离需要达到一个阀值能量，而复合则不需要，但是复合比电离发生的可能性要小得多这个 阀值为电离能量（13.6eV ）等离子体是“物质的第四态”，它是由许多可流动的带电粒子组成的体系 自然界中99%的物质是以等离子体状态存在的地球就是被一弱电离的等离子体（即电离层）所包围太空 中的一些星体及星系就是由等离子体构成的，如太阳就是一氢等离子体球也可以在实验室中采用放电方法 使不同的气体产生等离子体用于材料表面改性或合成新材料的等离子体，一般都是由低气压放电产生的 等离子体的实例有：① 气体放电：荧光，火花间隙，电弧，焊接，光源，受控核聚变② 电离层：地球周围的电离带③ 行星际介质：行星和恒星的磁圈，太阳风④ 恒星物理学：恒星，脉冲星，辐射过程⑤ 气体激光器：等离子放电泵浦激光： C02 He, Ne, HCN一、等离子体特性等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量，其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本的参量。
对于实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要是由电子、离子、1ne和温度Te、nene ng华南师范大学(论文)文献综述中性粒子或粒子团组成的因此，描述等离子体的密度参数和温度参数主要有：电子的密度 离子的密度ni和温度Ti以及中性粒子的密度 ng和温度Tg在一般情况下，为了保证等离子体的宏观电中ne,. n i = n 0可以用参量“电离度”性，要求等离子体处在平衡状态时，电子密度近似地等于离子密度2#n <<1)当耳=1时,Te 约为 1、10eVk BTe4 n0e2来描述等离子体的电离程度低气压放电产生的等离子体是一个弱电离的等离子体( 为完全电离等离子体对于实验室中采用低气压放电产生的等离子体，电子的温度(1eV=11600K ),远大于离子的温度 Ti(只有数百K,基本上等于中性粒子的温度 )有时称这种等离子体为冷等离子体(Cold Plasma )等离子体在宏观上是呈电中性的 但如果受到某种扰动，其内部将会出现局域电荷空间分离， 产生电场如在等离子体中放入一带正电量 q的小球，由于该电荷的静电场的作用， 它将对等离子体中的电子进行吸引，而对离子进行排斥这样，在它的周围将形成一个带负电的球状“电子云” 。
这时，带电小球在等离子体中产生的静电势不再是一简单的裸库仑势，而是一屏蔽的库仑势，如：V(r) =9exp(-r/ d )r其中为德拜屏蔽长度(Debye Shielding Length ).可见电子云对带电小球产生的库仑势(或场)起着屏蔽作用, 这种现象被称为等离子体的德拜屏蔽德拜屏蔽长度是等离子体的一个重要物理参量为了保证一个带电粒子系统是一个等离子体， 通常要求其空间尺度 L要远大于德拜屏蔽长度， 即: L>> ■ D .对于典型的辉光放电等离子体，有 n0 =101°cm3, kBTe =1eV，这样 D =7 10"cm等离子体另一个特性是其振荡性 一般地，处于平衡状态的等离子体在宏观上其密度分布是均匀的， 但从微观上看，其密度分布是有涨落的，且这种密度涨落具有振荡性为了说明等离子体密度涨落的振荡性， 不妨可以假设等离子体是仅由电子和离子组成的由于离子的质量较重，可以看成离子是不动的，构成一均 匀分布的正电荷的本底如果在某点电子的密度突然受到扰动，相对正电荷的离子本底有一个移动，造成电 荷空间分离但这种电荷空间分离不能继续进行下去，因为库仑力的作用将试图把电子拉回到其原来的平衡 位置，以保持等离子体的电中性。
然而，由于电子具有惯性，它们到达平衡位置时并不能停止下来，而是朝华南师范大学(论文)文献综述另一个方向继续运动，造成新的电荷空间分离这样一来，库仑力又要试图把它们拉回到平衡位置，依此下去这种现象即称为等离子体的振荡 (Plasma Oscillati on )由于离子的质量远大于电子的质量，因此离子的振荡频率相对很小所以，通常讲等离子体的振荡实际上就是指电子的振荡假设离子本底静止，通过使电子偏移一段距离 X来扰动等离子体平板(见下图)则单位面积上所建立的电荷为q为电子电量，因此产生的电场强度为neqx3#；0为真空介电常数， 叫为电子质量，电子的运动方程为dvITIe — dtneq：x##f 2 、 n eQe"Te」解方程得等离子体电子做简谐振荡频率为neqe ，re取正数Me##称为等离子体频率(plasma frequency )，又称朗缪尔频率(Langmuir frequency )在可以忽略电子热运动的冷等离子体中，这种振荡不向外传播，不会形成波动但是在热等离子体中，即电子热运动的影响不可忽略时，这种振荡会形成纵波，称为朗缪尔波(Langmuir wave )，它是电子密度的疏密波。
朗缪尔波##的频率稍大于等离子体频率 •，p是等离子体的另一个重要的物理量 等离子体电中性条件要求： 等离子体放电的特征时间尺度t要远大于等离子体的振荡周期 ・=1/「p电磁波在等离子体内传播特性等离子体中的波动模式：在均匀非磁化的等离子体中，存在着三种本征的波动模式：低频的离子声波、华南师范大学（论文）文献综述高频的电子等离子体波、离子声波是纵波，在此模式中，离子与电子几乎同步（电子略快）地振荡，从而出 现密度扰动和电荷密度扰动（电子的振荡幅度稍大于离子的，造成了电荷分离），热压力（类似于声波作用） 和静电力是振荡得以存在的恢复力电子等离子体波或称朗缪尔波，也是纵波在静电力的作用下，电子在 均匀离子背景中发生振荡，即朗缪尔振荡电子的热运动将局域的振荡信息带到临近区域，因而振荡得以传 播形成朗缪尔波此时等离子体对频率为-.0的入射电磁波的行为与通常的电介质类似， 根据广义斯涅尔定律,可以用折射率描述 等离子体中的电子，在恒定磁场与外加正弦电磁场中，受电磁力作用形成运流电流首先给出电磁波在均匀非磁化等离子体中的麦克斯韦方程组，假设电磁波是沿 +r方向传播，由电磁波麦克斯维方程组' _D =0 （ D »0 ；rE）B'、、E = am（ b 70h）'、B- - '0 ：：Dct由广义斯涅尔定律有折射率N =、..；"，对于外加磁场为零 B = 0的均匀介质"=1，故此N =-.；，而；（'0）=1 （ 0）电子转动产生的电偶极矩为 p0二-qer， r为位矢量，等离子体内的极化强度矢量P 二-reqer在等离子体内的电磁波对电子的电磁力作用下，电子的运动方程为dv dt■qe（E ■ v B），me5#将neqe乘上式有gqed2rdt22Ze Eneqe dr叫dt把P = _neqer代入得-2:一 P.:PB 2ec 「 B 0 pE :t#华南师范大学（论文）文献综述其中qBB?是 B的单位向量。
如果外磁场B =0,有上式写成代入r2Pme：：2p;:t2考虑把电磁波形式2亡 厂二 d 'pE.t则得到P = Pexp 丨-j( ‘ot -kr) 1 E = Eexp 丨-j( ‘0t - kr)]寫P—：o‘2e由P = ~ 0 eE得到从而:6#N和频率的关系见下图N为折射率横波在非磁化等离子体内2对于频率「o^'p的电磁波，等离子体有 N < 0,此时N是个纯虚数，相当于一个负折射率介质，对于为实数的k和「0也为纯虚数，对于类似于E 二 Eexp I-j（ ot - kr） 1形式的波，它在空间的变化不是振荡的，而是呈指数变化，既波在媒质中的传播是指数衰减（见下图左） 当•■0<「p的波入射到等离子体中时会被全反射，而不会有能量通过等离子体，我们把这种情况称为“截止” 因此，• ’p又称作等离子体的截止频率但是在 ■ -o^ 'p时，等离子体可以视为一个透明介质，电磁波可以传播，但是会由于折射发生弯曲（见下面右图）#华南师范大学（论文）文献综述7#三、讨论据式 伍2、少0丿当• '0 < • 'p时，折射率N为虚数，意味着角频率低于等离子体频率的电磁波不可能在等离子体中传播或者说，电磁波在自由空间与等离子体分界面处被全反射 ，电磁波无法进入等离子体。
等离子体的这种特性是短波超视距通信的基础，大气电离层对短波的全反射就是利用了这个原理当-o^-p时，折射率N为小于1的实数，根据广义斯涅尔定律，电磁波可以在等离子体中无衰减地传播，但在自由空间与等离子体分界面处 ，或者等离子体内电子密度不均匀处 ，由于折射率不连续，电磁波要产生折射，从而改变电磁波的传播方向，发生连续弯曲现象参考文献[1] 莫锦军 刘少斌 袁乃昌•等离子体隐身机理研究 •南京：现代雷达• 2002年5月，3（24）[2] B .金兹堡•电磁波在等离子体中的传播 •北京：科学出版社• 1978-09[3] 王华东•等离子体对电磁波吸收效应的研究 •成都•电子科技大学• 2003[4] 奥本海姆•信号与系统 北京：电子工业出版社 2009年6月8。