فروشگاه اینترنتی فایل ها این وبلاگ در زمینه فروش انواع مختلف فایل های آموزشی تحصیلی و دانشگاهی فعالیت می نماید

بررسی گسیل امواج الکترومغناطیسی در پلاسما با استفاده از ویژه مدهای خطی به دام افتاده

چکيده

یکی از مهمترین تشعشعاتی که از محیط پلاسما گزارش شده است ، انفجار های رادیویی نوع است.انفجار های رادیویی نوع ، قوی ترین تشعشعات رادیویی در سیستم خورشیدی هستند که بر روی زمین ­آشکارسازی شده­اند. مکانیزم­های مختلفی برای توصیف این تشعشعات فضایی وجود دارد، از جمله این مکانیزم­­ها، میتوان به برهم کنش غیر خطی موج ­ـ موج (که شامل امواج لانگمیر، یون صوتی و امواج الکترومغناطیسی می­باشد)، مکانیزم تبدیل مد خطی و مکانیزم آنتن اشاره کرد، فرایندهای موج ـ موج و تبدیل مد خطی تبدیل امواج لانگمیر غیرجایگزیده را به تابش الکترومغناطیسی توصیف می­کنند.برای محیطهائی از پلاسما که در آنها بسته­های جایگزیده موج وجود دارند امکان گسیل امواج الکترومغناطیسی را می­توان مشاهده کرددر این پایان­نامه تشعشع امواج الکترومغناطیسی از ویژه مدهای لانگمیر جایگزیده در پلاسما به وسیله مدل آنتن مطالعه شده است. در این مدل یک سری از امواج لانگمیر با ساختار جایگزیدگی بالا که شدتشان در حدی نیست که پدیده کولاپس اتفاق بیافتد در نظر گرفته شده و ساختار این امواج جایگزیده که به صورت ویژه مدهای همزمان یک چاه چگالی سهموی هستند را بدست آورده و توان تابشی در فرکانس پلاسمایی و هارمونیک دوم آنرا (2) محاسبه کرده ایم و با حل عددی رابطه توان گسیلی نشان داده­ایم که توان تشعشعی امواج الکترومغناطیسی به پارامترهای پلاسمایی و ویژه مدهای جایگزیده وابسته است.

واژه‌هاي كليدي: تشعشع امواج الکترومغناطیسی، ویژه مدهای لانگمیر،­ مدل آنتن

 

فهرست مطالب

فصل 1: تابش در محیط پلاسما 1

1-1 مقدمه. 2

1-2معیارهای پلاسما 2

1-3رهیافت­های نظری 3

1-4تابش پلاسمایی ...............................................................................................................................................4

1-5انواع تشعشعات رادیویی خورشید 5

1-6بررسی تشعشعات ناشی از انفجار­های رادیویی نوع ІІІ6

1-7مدل­های فیزیکی توصیف گسیل امواج 9

1-7-1 تشعشع در توربولانس ضعیف 10

1-7-2فرایند گسیل در توربولانس قوی 10

فصل 2: آنتن پلاسمائی 13

2-1 مقدمه............................................................................................................................................................... 14

2-2 آنتن­ پلاسمائی................................................................................................................................................ 15

2-3 مبنای نظری آنتن­ پلاسمائی...................................................................................................................... 16

2-3-1چگالی جریان در آنتن پلاسمائی .....................................................................................................17

2-3-2بردار پوئین­تینگ در آنتن پلاسمائی .............................................................................................19

2-4 تشریح ساختار آنتن­ پلاسمائی.................................................................................................................... 20

2-5 آنتن­های پلاسمائیمعمولی......................................................................................................................... 21

2-6 آنتن­های پلاسمائیسیلیکونی.................................................................................................................... 21

2-7 کاربرد آنتن­های پلاسمائی...................................................................................................................... 22

فصل 3: گسیل از ویژه­مدهای جایگزیده در مدل آنتن 23

3-1 مقدمه................................................................................................................................................................ 24

3-2 ساختار ویژه­مدهای لانگمیر..........................................................................................................................24

3-3مکانیزم تابش از ویژه­مدها.............................................................................................................................28

3-4توان تشعشعی امواج الکترومغناطیسی در 2........................................................................................ 31

3-5توان تشعشعی امواج الکترومغناطیسی در ........................................................................................... 34

فصل 4: جمع بندی و نتایج 38

4-1بحث ونتایج.................................................................................................................................................... 39

 

مراجع45

فهرست شکل ها

شکل (1-1) طرحی از انفجار خورشیدی .......................................................................................................................4

شکل (1-2) طرحی از گسیل رادیویی انفجارهای خورشیدی نوع ІІІ..................................................................7

شکل (1-3) تابع توزیع سرعت الکترون قبل ودر طی عبور از باریکه ......................................................................9

شکل (2-1) آنتن پلاسمائی............................................................................................................................................ 15

شکل (2-2) ساختار آنتن پلاسمائی............................................................................................................................ 21

شکل (3-1) شکل موج لانگمیر جایگزیده برای0............................................................................................. 26

شکل (3-2) شکل موج لانگمیر جایگزیده برای 2 .......................................................................................... 28

شکل (3-3) ساختار چاه چگالی سهموی................................................................................................................... 31

شکل (4-1) طرحی از تغییراتدر2 برای مقادیر مختلف.......................................................... 41

شکل (4-2) طرحی از تغییرات در2 برای مقادیر مختلف........................................................ 42

شکل (4-3) طرحی از تغییرات در2 برای مقادیر مختلف.............................................................. 42

شکل (4-4) طرحی از تغییراتدر2 برای مقادیر مختلف............................................................. 43

شکل (4-5) طرحی از تغییراتدر2 برای مقادیر مختلف............................................................ 44

فهرست جدول ها

جدول (1-1) انواع انفجارهای رادیویی خورشیدی 6

جدول (3-1) پارامتر­های اندازه­گیری شده در باد خورشیدی.. 27

فهرست نمادها

فرکانس پلاسما.......................................................................................................................................................... ω_p

چگالی الکترون .......................................................................................................................................................... n_e

تراوایی مغناطیسی .................................................................................................................................................... µ

سرعت حرارتی الکترون .......................................................................................................................................... v_e

جرم الکترون ............................................................................................................................................................ m_e

چگالی بار ..................................................................................................................................................................... ρ

چگالی جریان................................................................................................................................................................ J

سرعت نور...................................................................................................................................................................... c

فصل 1

تابش در محیط پلاسما

1-1 مقدمه

 

پلاسما [1]مجموعه­ای از اتم­های خنثی و ذرات بارداربا تعداد مساوی حاملین بار مثبت ومنفی آزاد را شامل می شود. وجود تقریبی تعداد یکسانی از بار با علامت­های متفاوت در یک عنصر حجمی ضمانت می­کند که پلاسمادر حالت ایستا، شبه خنثی باشد. به طور متوسط جلوۀ خارجی یک پلاسما، خنثی بودن الکتریکی آن است. برای اینکه بتوان ذره­ای راآزاد فرض کرد، می­باید انرژی پتانسیل نوعی آن، ناشی از نزدیکترین همسایه­اش به مراتب کوچکتر از انرژی جنبشی آن باشد.فقط در این صورت است که حرکت ذره مادامی­که برخورد­های مستقیمی رخ ندهند، عملاً از تأثیر ذرات باردار دیگر، واقع در همسایگی خود مصون می ماند. بنابراین یک پلاسمای نوعی، عبارت از یک گاز داغ و به شدت یونیده است. در حالیکه تنها معدودی از پلاسماهای خنثی مانند شعله­ها، یا جرقه­های برق آسمانی را می توان در نزدیکی سطح زمین یافت.انواع مختلفی از پلاسما­ها در کیهان مشاهده می­شوند طوریکه بیش از 99درصد کل مواد شناخته شده در جهان در حالت پلاسما هستند.

 

1- 2 معیارهای پلاسما

برای اینکه پلاسما در حالت ایستا، رفتاری شبه خنثی داشته باشد، چنین عنصر حجمی باید به حدکافی بزرگ باشد تا به تعداد کافی از ذرات را در برگیرد. ودر عین حال می­باید در مقایسه با طول­های مشخصه برای تغییرات ماکروسکپی مانند چگالی ودما، به اندازه کافی کوچک باشد. در عنصر حجمی می­باید میدان­های بار فضایی میکروسکپی ناشی از حاملین بار منفرد همدیگر را خنثی کنند،تا بدین ترتیت خنثیبودن ماکروسکپی بار فراهم شود. چون اثر حفاظ نتیجه­ای از رفتار جمعی ذراتدر داخل یک کرۀ دبای(کره­ای که شعاع آن به اندازه طول دیای است) است، لذا لازم است که کرۀ مزبور شامل تعداد کافی از ذرات باردار باشدو فقط وقتی معتبر است که ذرات در ابر بار به تعداد کافی وجود داشته باشند بنابراین، علاوه بر شرط کوچک بودن شعاع کرۀ دبای،رفتار جمعی ایجاب می­کند که تعداد ذرات در کرۀ دبای خیلی زیاد باشد. از طرفی دیگر، بسامد نوسان نوعی در یک پلاسما­ی کاملاً یونیده همان فرکانس پلاسمای الکترونی است، اگر شبه خنثایی پلاسما توسط برخی نیروهای خارجی مختل شود، الکترون­ها که تحرک بیشتری نسبت به یون­های به مراتب سنگین­تر دارند، برای برگرداندن خنثائیت بار شتاب میگیرند آن­ها بنا بر لختی خود حول موضع تعادل به حرکت رفت و برگشتی پرداخته ودر نتیجه حول یون­هائی با جرم بیشتر به سرعت به نوسان­ در می­آیند. ­برخی پلاسما­ها مانند یونسفر زمین کاملاً یونیده نیستند، دراینها تعداد قابل توجهی ذرات خنثی داریم و اگر ذرات باردار برخورد­هایی با ذرات خنثی داشته باشند، الکترون­ها وادار به اخذ تعادل با ذرات خنثی خواهند شد و محیط مذکور دیگر نمی تواند به صورت پلاسما رفتار کند بلکه به صورت خنثی در خواهد آمد. برای اینکه الکترون­ها از برخورد با ذرات خنثی بی­تأثیرباقی بمانند ، می باید زمان متوسط بین دو برخورد الکترون ـ ذره خنثی، بزرگتر از عکس بسامدپلاسمایی باشد،این سومین معیار برای یک محیط یونیزه با رفتاری همانند یک پلاسما است[2].

 

1-3 رهیافت­های نظری

 

دینامیک یک پلاسما را برهمکنشحامل­های بار با میدان­هایمغناطیسی والکتریکی رقم می زند. اگر همه میدان­ها منشأخارجی داشتند، فیزیک آن نسبتأ ساده می­شد. اما چون ذرات به هر سو درحرکتند، لذا امکان دارد که به صورت بار فضایی موضعی تمرکز یابند و بنابراین میدان­های الکتریکی را به وجود می­آورند. افزون بر این، حرکت آنها همچنین می­تواند جریان­های الکتریکی و از آنجا میدان­های مغناطیسی نیز به وجود آورد. این میدان­های داخلی و آثار پس گردی[2] آنها بر روی حرکت ذرات پلاسما، فیزیک پلاسما را مشکل می سازد. به طور کلی دینامیک ذرات یک پلاسما را می توان با حلمعادله حرکت برای هر یک از بارها به صورت انفرادی توصیف کرد. چون میدان­های الکتریکی و مغناطیسی که در هر معادله ظاهر می شوند شامل میدان های داخلی حاصل، توسط هر ذره متحرک نیز است، لذا همه معادلات با همدیگر جفت می­شوند و باید به طور همزمان حل شوند. چنین حل کاملی نه تنها خیلی مشکل است بلکه استفاده عملی نیز ندارد،زیرا که ما علاقمند دانستن کمیت­های میانگین نظیر چگالی و دما هستیم و نه سرعت تک تک ذرات، بنابراین معمولاً دست به تقریب­های مناسب برای مسئله مورد مطالعه می زنیم.

سه تقریب متفاوت که بسیار سودمندند در خارج از این رده قرار می گیرند. ساد ه­ترین رهیافت، عبارت از توصیف حرکت ذره است، در اینجا حرکت ذره تحت تاثیر میدان­هایالکتریکی و مغناطیسی توصیف می­شود. دراینتقریباز رفتار جمعی یکپلاسما چشمپوشی می­شود ولی این تقریب دربررسی پلاسمایی با چگالی بسیار پایین، پلاسمای حلقه جریان سودمنداست.رهیافت مغناطو هیدرودینامیک، قرینه مقابل آن است که در آن از همه جنبه­های ذره تنها چشم پوشی می­شود و پلاسما به عنوان یک سیال رسانا با متغیر­های ماکروسکپی مانند چگالی متوسط، سرعت و دما تلقی می شود. در این رهیافت، فرض بر این است که پلاسما می­تواند تعادل­های موضعی را حفظ کند و برای مطالعه پدیده­های موجی با بسامد پایین در شاره ­هایی با رسا­­­­­­­­­­­­نا­یی بالایی غوطه­ور درمیدان مغناطیسیمناسب است. چند سیالی نظیر رهیافت مغناطو هیدرو دینامیکی است ولی در آن به گونه­های مختلف ذرات می­پردازد و فرض می شود که هرکدام از انواع ذرات مانند یک شارۀ جداگانه رفتار می­کند. امتیاز این رهیافت این است که تفاوت­های موجود در رفتار شاره­ای سبک ورفتار یون­ها می­توانند در نظر گرفتهشوند که این نیز می تواند ما را به میدان­های جدایی بار و انتشار موج بسامدبالا رهنمون سازد. نظریه جنبشی پیشرفته­ترین نظریه پلاسما است. این نظریه یک رهیافت آماری است.که بجای حل معادله نظریه حرکتبرای هر تک ذره، به بسط تابع توزیع برای سیستم ذرات در فضای فازمی پردازد. در ایننظریه بسته به نوعساده سازی­ها، ما را به انواع مختلفی از برداشت­ها درمورد پلاسما رهنمون می­سازد[2].

1-4 تابش پلاسمائي

 

فرایند گسیل امواج الکترومغناطیسی از ماده تابش نام دارد. این گسیل می­تواند در همۀ
طول موج­های طیف الکترومغناطیسی رخ دهد. با توجه به اینکه در پلاسما مجموعه ای از ذرات
باردار واتم های خنثی وجود دارد، مجموعه ای از فرایندهای تابش الکترومغناطیسی در این
محیط اتفاق می افتد، که از آن جمله می توان به تابش ترمزی[3]، تابش چرنکوف[4] وتابش سیکلوترونی[5] اشاره کرد. بررسی این تابش ها به ما کمک می­کند که پارامترهای پلاسمایی را اندازه بگیریم. در تابش ترمزی، الکترون می­تواند انرژی خود را از دست بدهد و در جریان این فرایند یک یا چند فوتون پدید آید. اشعه چرنکوف تشعشعی است که بر اثر حرکت یک ذرۀ باردار در مادۀ دی­الکتریک که با سرعت فاز بیش از سرعت فاز نوردر آن ماده دی­الکتریک حرکت می­کند، تابشمی شود و نهایتأ تابش سیکلوترونی به تابشی که از الکترون های غیر نسبیتی در میدان مغناطیسی ایجاد می­گردد، گفته می­شود.­در محیط پلاسما علاوه بر مکانیسم­های کلاسیک فوق برای تابش امواج الکترومغناطیسی، فرایند­های دیگری نیز وجود دارند که مرتبط با رفتار غیر خطی این محیط است. با توجه به اینکه طیف زیادی از امواج در پلاسما وجود دارند برهم نهی این مدها می­تواند بذری برای گسیل امواج الکترومغناطیسی باشد که در بخش­های بعد به تفصیل به بررسی آنها خواهیم پرداخت.

[1]Plasma

[2]Aftera roundofFields

[3]Bremsstrahlung radiation

[4]Cherenkov radiation

[5]Cyclotron radiation