辐射带离子回旋波和磁声波研究

高能激光辐照诱导声波频率特性的实验研究秦海永;张永康;袁蓓;尤建【摘要】为了研究高能激光辐照诱导声波的频率特性以及实验条件对其的影响,采用宽频声传感器接收实验过程中产生的声波,并导入MATLAB中处理,得到其功率谱密度图.激光冲击实验采用铝箔吸收层、水以及不同约束状态下的K9玻璃约束层,对实验中产生声波的功率谱密度图做了详细分析,取得了图中最大峰值频率的分布数据.结果表明,不同约束层以及约束层的不同约束状态都会对声波功率谱密度最大峰值频率的分布有较大影响,而激光能量密度对其影响很小,同时该实验结果对激光冲击强化实现在线检测有重要指导意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)001【总页数】4页(P105-108)【关键词】激光技术;激光冲击强化;声波;功率谱密度【作者】秦海永;张永康;袁蓓;尤建【作者单位】江苏大学,江苏省光子制造科学与技术重点实验室,镇江,212013;江苏大学,江苏省光子制造科学与技术重点实验室,镇江,212013;江苏大学,江苏省光子制造科学与技术重点实验室,镇江,212013;江苏大学,江苏省光子制造科学与技术重点实验室,镇江,212013【正文语种】中文【中图分类】O421~+.6;TG665引言激光冲击强化(laser shock processing，LSP)是利用高功率密度(109W/cm2)、短脉冲(纳秒级)的激光束透过辐照于透明约束层辐照于金属材料表面的吸收层。

吸收层材料吸收激光能量，瞬时汽化形成高温高压等离子体，等离子体向周围空间迅速膨胀，形成高压冲击波(冲击波峰值压强达吉帕量级)。

如此高压高速冲击波作用于金属材料并在其内部传播，使金属材料表层发生塑性变形，形成密集、稳定的位错结构，产生残余压应力，从而提高金属材料多种机械性能(强度性能、耐腐蚀性能、耐磨性能、疲劳性能等)[1-4]。

冲击波同时也将向其它方向膨胀，作用于吸收层外的透明约束层(如水或玻璃)，使其发生振动甚至破碎。

0254-6124/2021/41(2)-250-11Chin. J. Space Sci.空间科学学报SUN Luyuan, WANG Hui, HE Yangfan. Local time differences in the ionospheric electromagnetic ion cyclotron waves during storm time (in Chinese). Chin. J. Space Sci.,2021. 41(2): 250-260. D01:10.11728/cjss2021.02.250磁暴期间电离层电磁离子回旋波的地方时分布差异孙璐媛王慧何杨帆(武汉大学电子信息学院空间物理系武汉430072)摘要利用Swarm卫星的高精度（50 H z)磁场观测数据，对2〇15年3月16—25日磁暴期间中纬度电离层 电磁离子回旋（EMIC)波时空分布特征进行了研究.结果表明：晨侧EMIC波亊件数与昏侧大致相当，午前时段 明显多于子夜前时段.昏侧EMIC波高发生率与等离子体羽状结构有关，晨侧EMIC波高发生率与太阳风动压增 强及稠密冷等离子体有关.晨侧正午前EMIC波频率高于昏侧-子夜前，表明源区位置以及离子成分占比存在地 方时差异.昏侧亊件大多发生在早期恢复相，晨侧亊件大多发生在晚期恢复相，晨-昏两侧的时间差异源于磁暴期 间高能离子西向漂移所需时间及等离子体层顶位置的地方时差异.磁暴期间，EMIC波以H+波和He+为主，其 中H+波主要分布在06:00M L T-10:00M L T(磁地方时）扇区，He+波主要分布在18:00M LT—22:00M L T扇区.在磁暴主相期间没有出现H+带波，但是出现He+-0+双波段EMIC波，表明磁暴主相期间环电流高浓度氧 离子对H+带EMIC波具有抑制作用.关键词电磁离子回旋波，磁暴.太阳风动压，等离子体层羽状结构中图分类号P353Local T im e D ifferences in th e IonosphericE lectrom agn etic Ion C yclotron W avesduring Storm T im eSUN Luyuan WANG Hui HE Yangfan(Department of Space Physics, School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan430072)A b s t r a c tB y u s i n g h i g h-r e s o l u t i o n(50 H z)m a g n e t i c field o b s e r v a t i o n s f r o m S w a r m c o n s t e l l a t i o n,t h e t e m p o r a l a n d s p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c s o f E l e c t r o m a g n e t i c I o n C y c l o t r o n(E M I C)w a v e s i n d i f f e r e n t l o c a l t i m e s e c t o r s a t m i d-l a t i t u d e s a r e i n v e s t i g a t e d d u r i n g t h e m a g n e t i c s t o r m p e r i o d o f 16—25 M a r c h 2015.T h e r e a r e c o m p a r a b l e n u m b e r o f E M I C w a v e e v e n t s i n t h e d a w n a n d d u s k s e c t o r s, w h i l e t h e r ea r e m o r e E M I C w a v e e v e n t s i n t h e p r e-n o o n s e c t o r t h a n i n t h e p r e-m i d n i g h t s e c t o r.T h e d u s k s i d ep r e f e r e n c e is r e l a t e d t o t h e p l a s m a s p h e r i c p l u m e,w h i l e t h e d a w n s i d e p r e f e r e n c e is r e l a t e d t o t h ee n h a n c e d s o l a r w i n d d y n a m i c p r e s s u r e a n d d e n s e c o l d p l a s m a.T h e w a v ef r e q u e n c y i n t h e d a w n a n dp r e-n o o n s e c t o r s is h i g h e r t h a n t h a t i n t h e d u s k a n d p r e-m i d n i g h t s e c t o r s,i m p l y i n g t h e l o c a l t i m e**国家自然科学基金项目资助（41974182, 41431073)2020-01-10收到原稿，2020-09-14收到修定稿E-mail: *****************.cn孙璐媛等：磁暴期间电离层电磁离子回旋波的地方时分布差异251d i f fe r e n c e i n t h e s o u r c e l o c a t i o n a n d t h e i o n c o m p o s i t i o n.M o s t of t h e d u s k s i d e e v e n t s o c c u r i n t h ee a r l y r e c o v e r y p h a s e,w h i l e t h e d a w n s i d e e v e n t s o c c u r i n t h e l a t e r e c o v e r y p h a s e.T h e t i m e d if f e r e n c ec o m e s f r o m t h e t i m e r e q u i r ed f o r t he w e s t w a r d d r if t o f e n e rg e t i c i o n s a n d l o c a l t i m e d i f f e r e n c e i n th ep l a s m a p a u s e p o s i t i o n.H+b a n d w a v e s a r e m a i n l y f o u n d i n t h e 06:00M L T—10:00 M L T s e c t o r,w h i l eH e+b a n d w a v e s a r e m a i n l y c o n f i n e d i n t h e18:00M L T—22:00M L T s e c t o r.T h e r e is n o H+b a n d b u ta t w ob a n d(H e+a n d0+) E M I C w a v e d u r i n g t h e s t o r m m a i n p h a s e,i n d ic a t i n g t h e r o l e o f t h ede n s eo x y g e n i o n i n i n h i b i t i n g t h e H+b a n d i n t h e i n n e r m a g n e t o s p h e r e.K e y w o r d s E M I C w a v e,M a g n e t i c s t o r m,S o l a r w i n d d y n a m i c p r e s s u r e,P l a s m a s p h e r i c p l u m e〇引言电磁离子回旋波（Electromagnetic Ion Cy­clotron Waves,EMIC 波） 在磁层粒子动力学过程中 扮演了重要角色.通过波-粒相互作用E M IC波能 够增强离子垂直动能，从而驱使离子外流[11;EMIC 波与环电流质子发生共振作用，导致质子投掷角扩散 而进入损失锥，致使环电流快速衰减吒EMIC波通 过波-粒相互作用引发辐射带相对论高能电子沉降进 入大气层，导致辐射带相对论电子损失以因此，开 展EMIC波时空分布特征研究具有重要意义.E M I C波为超低频波，频率范围为0.1〜5H z,是 由于离子温度各向异性（垂直温度大于平行温度）而 产生的等离子体横波.大量卫星和地磁台站的观 测研究表明，E M I C波较多发生在磁层的两个区域: 一个是昏侧磁赤道区域附近，此处环电流和等离子 体层重叠较多另一个是白天时段外磁层区域,在该区域太阳风动压增加易导致离子温度各向异 性冷等离子体中的成分、密度以及所处位置 等可能影响E M I C波的频率I5，12'1'H+带E M I C波 的频率低于H+的回旋频率而高于He+的回旋频率，H e+带E M I C波的频率低于H e+的回旋频率且高 于〇+的回旋频率，〇+带E M I C波的频率低于0+的回旋频率.磁层E M I C波能沿磁力线传播到较低 高度，电离层和地表P c l-2地磁脉动（或E M I C波) 通常认为起源于磁层E M I C波Ml.目前对于EM IC波主要发生在磁暴主相还是恢 复相期间这一问题仍存在争议，需要结合更多的观 测数据进行研究.在磁暴主相期间，从等离子片注 入的高能离子数量增加，能够为E M IC波的产生提 供更多自由能问.B lum等1151利用地球同步轨道 卫星的观测数据发现.EM IC波在磁暴主相的发生率更高.Halford 等 I16丨通过研究 CRRES(Combined Release and Radiation Effects Satellite)卫星观测结 果揭示，大多数暴时E M IC波发生在磁暴主相期间 而只有少数发生在磁暴恢复相.然而Engebretson 等1161通过地面和空间技术五号卫星观测发现，2005 年两次磁暴的主相阶段和早期恢复相阶段均没有产 生E M IC波.在磁暴恢复相期间，环电流和等离子 体层可能有更多的重叠区域，热4等离子体相互作 用有利于E M IC波的发生间•例如Saikin等_利用VAP(Van Allen Probe)卫星观测数据，研究 了EM IC波的出现与地磁条件及太阳风动压之间的 关系，结果表明相比磁暴主相，在磁暴恢复相更容易 观测到EM IC波，这与Wang等1191的结论一致.磁层三种波段的EM IC波分布特征已有一些研 究.Keika 等 _利用 AMPTE/CCE(Active Mag­netic Particle Track Explorer/Charge Composition Explorer)卫星在磁暴期间近4.5年的数据发现，H+ 带和He+带E M IC波的峰值出现在外磁层（L>7疋，凡为地球半径）区域，H+波主要发生在白天 时段，而He+波主要发生在下午时段.然而Mere­dith 等 1211通过研究 CRRES 卫星观测数据发现，H+带和He+带EM IC波的峰值出现在内磁层（L< 7札）的午后时区.C hen等_利用V A P卫星64 个月的磁场数据研究了 E M IC波的全球分布，发 现H+带E M IC波倾向于出现在正午前后（〇9:00 MLT—16:00MLT,Magnetic Local Time).随着亚暴 活动4五指数的上升，正午H+波的发生率增加并 且延伸到黄昏时区.在约1.5凡的近地空间，Kasa-hara等[23]发现，H+带和He+带EM IC波峰值出现 在黄昏-子夜前时段（16:00MLT—20:00MLT).Saikin 等1241发现，大多数0+带EM IC波事件发生在等离 子体层，分布在06:00 MLT—13:00 M L T 区域.252Chin. J. Space Sci .空间科学学报 2〇21, 41(2)目前，大部分关于EM I C波的研究结果主要来自磁层卫星观测结果，迄今为止关于电离层E M I C波的 研究相对较少.Wang 等i 25l 利用Swarm 卫星详细研究了 2015年6月21—29日磁暴期间电离层EM I C波的时空分布特征，在此期间卫星轨道位于正午前和 子夜前地方时.本文作为补充，将进一步研究晨-昏地方时扇区E M I C 波的分布特征以及不同波段随磁 暴相的空间分布差异.该研究有助于进一步理解磁 暴期间不同地方时段EM I C波的分布特征.1卫星数据与处理方法Sw arm 卫星为近地极轨卫星，由欧洲空间局 于2013年11月22日发射，轨道周期约为93min . Swarm 卫星由三颗卫星组成，其中Swarm A 和Swar - m C 在460k m 的高度并肩飞行，轨道倾角为87.4°, 两颗卫星之间的地理经度间隔为1.4°. Swarm B 的 轨道高度约为520km ,轨道倾角约为88°. 2015年3 月1(5—25日磁暴期间，Swarm A 和Swarm C 位于 晨昏轨道（07__00MLT , 19:00MLT ), Swarm B 位于正 午前-子夜前轨道（09:00MLT , 21:00MLT ).使用精度为〇.〇1 n T 的50H z 矢量磁场数据,采用30x 50个数据点的移动窗U 和二阶多项式S a v i t z k y -G o l a y滤波器1261,对磁场数据进行拟合，可以得到地球背景主磁场.从50 Hz 磁场数据中减去主 磁场.可以得到波动磁场.进一步将波动磁场转换到 场向坐标系中，在此坐标系下，z 轴与地球磁场平行，y 轴由z x r 定义，其中r 为从地心到卫星位置的径 向矢童，:r轴由y X 2定义.完成坐标系转换后，对波动磁场数据进行傅里叶变换.即可得到波谱分布.在挑选E M I C 波事件时，为避免背景噪声干扰， 要求所挑选的波事件持续时间不小于1 m i n ,频率带 宽不小于0.15 H z .图1给出了 S w a r m A 卫星于2015年3月23日08:30U T附近观测到的一个EM I C波事件.图1(a )为平均场向坐标系中磁场三分量的变 化，图1(b )为波功率谱密度随频率和世界时（U T )的变化，同时给出对应的ML T ,不变纬度（I n v a r i a n tL a t i t u d e. I L a t ,定义符号#)，其中180ip =-----a r c c o s丌从图1可以看到，该E M I C波功率谱密度最大值所对应的频率为1.75 Hz ，位于南半球晨侧（06:24 M L T )中讳地区41。

电离层加热激发受激布里渊散射研究马广林;闫玉波;杨巨涛;吕立斌【摘要】研究了电离层加热激发受激布里渊散射效应.利用受激布里渊散射匹配条件,结合国际地磁场参考模型,模拟计算了离子声波(Ion Acoustic,IA)与静电离子回旋波(Electrostatic Ion Cyclotron,EIC)频率随地理纬度、加热频率、波束指向、电子温度等参数变化特性,并以我国海南与美国高频主动极光研究项目(High Frequency Active Auroral Research Program,HAARP)为例,研究IA与EIC频率随纬度的变化.模拟结果表明:随着纬度的增加,IA与EIC频率增大;与IA频率相比,EIC频率随加热频率、波束指向及电子温度的变化相对较小;随加热频率的增加高纬地区IA频率增大,而低纬地区基本不变;随加热波束指向从南到北变化,海南IA 频率单调下降,HAARP则为先上升后下降的形态,EIC具有相反的变化;电子温度越高,IA与EIC频率越大.本文模拟结果可为我国将来开展同类实验提供参考.%The stimulated Brillouin scattering (SBS) in ionospheric modification by high power HF radio waves is studied.Based on momentum and energy conservation equations and dispersion relations,the SBS matching conditions are given briefly.The variations of frequencies of ion acoustic (IA) and electrostatic ion cyclotron (EIC) stimulated by SBS are calculated with different parameters including altitudes,heating frequency,the direction of pumping wave and electron temperature at perturbed region.The different of IA and EIC frequency between low and high latitude are compared taking Hainan and HAARP as examples.The simulation results showthat:the stimulated electrostatic low frequency increases as the latitude increases;the frequency of EIC changes less than IA with the variation ofheating frequency,the direction of pumping wave and electron temperature at perturbed region;along with increased pump frequency,the IA frequency at high latitude increases,but at low latitude the IA frequency almost keep constant;as the direction of pump wave changes from south to north,the IA frequency in Hainan decreases,but in HAARP it increases until the geomagnetic direction,and the EIC frequency is reverse;the increased electron temperature will increase IA and EIC frequency.These results provide support for our future experiments.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2016(031)006【总页数】7页(P1029-1035)【关键词】电离层加热;受激布里渊散射;离子声波;静电离子回旋波【作者】马广林;闫玉波;杨巨涛;吕立斌【作者单位】中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛266107;中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛266107;中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛266107;中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛266107【正文语种】中文【中图分类】P352;TN011+.2受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)是指入射到介质中的电磁波(称为泵波)衰变为散射的电磁波与声波．SBS最早由法国科学家布里渊提出,相关学者在多个领域实现此散射过程的观测与研究．在激光核聚变中,SBS的激发会增强后向散射光,造成入射光能量吸收效率的下降[1];利用SBS相位共轭、慢光及滤波等特性,SBS在光纤通信方面具有较大的应用前景[2];Fejer[3-4]理论预测并证实了大功率的非相干散射雷达可在电离层中激发SBS,并造成离子功率谱的非对称性,引入额外的漂移运动速度反演误差．大功率高频电波加热电离层作为人工调控局部电离层的主要手段,自20世纪70年代以来,在实验观测与理论研究方面取得了重要进展[5],并实现了SBS效应的实验观测与研究．SBS散射过程与电离层加热激发的最常见的朗缪尔参量不稳定性相比具有明显的差异性．首先,二者泵波转化过程不同,虽然它们均为三波相互作用,但朗缪尔参量不稳定性使高频泵波衰变为高频朗缪尔波与低频离子声波等两种静电波,离子声波频率一般在kHz量级,而SBS使高频泵波转化为散射的高频电磁波与低频静电波,静电波频率在几十Hz量级．其次,二者激发功率阈值存在差别,朗缪尔参量不稳定性在小功率情况下即可激发,而 SBS在辐射功率达百兆瓦量级时产生．再次,两种过程发生高度存在差异,朗缪尔参量不稳定性主要发生在高频泵波的等离子体共振高度,而SBS发生在等离子体共振高度与上混杂共振高度．SBS激发的低频静电波,除了常规的离子声波(Ion Acoustic,IA)外,在电离层磁化等离子体中还会激发另一种称为静电离子回旋波(Electrostatic Ion Cyclotron, EIC)的静电波模．Cragin[6]认为SBS中泵波与散射波电场共同作用于电子形成的有质动力与热压力是人工扩展F形成的主要原因,但未有直接的实验观测证据．最近,利用高纬地区欧洲非相干散射联合会[7](Europe Incoherent SCAtter, EISCAT)与美国高频主动极光研究项目[8](High Frequency Active Auroral Research Program,HAARP)的电离层加热实验装置,实现了SBS效应的直接观测．Norin[9] 在HAARP实验中观测到强度接近泵波反射信号的窄带受激电磁辐射现象,首次实验证实了电离层加热可激发SBS．Bernhardt[10]利用电磁波的准纵近似条件,结合测量的IA频率计算了加热区域电子温度,并理论预测EIC的激发．Mahmoudian[11]通过HAARP 泵波功率步进实验,获得了激发SBS的最低有效辐射功率,其中IA的激发功率阈值约为140 MW,EIC的激发功率阈值约为800 MW．Fu[12]首次给出EISCAT加热实验中SBS观测结果并与HAARP电子回旋谐波加热时观测结果进行了比较,证实两地SBS特性基本一致．Mishin[13]仿真研究了加热激发强等离子体湍流效应,寻常电磁波在SBS作用下形成了强朗缪尔湍流．研究电离层加热SBS效应对了解泵波在电离层中的波模转化过程及加热区域电离层状态具有重要作用,如基于IA频率估算加热区域电子温度,利用EIC频率确定电离层特别是E层的离子成分[14]．目前,国外学者侧重于高纬地区电离层加热激发SBS的实验观测,而对SBS特性尚未进行系统的理论研究,且未开展中低纬电离层加热激发SBS特性分析．本文基于SBS理论,利用数值模拟计算方法,对比研究高纬与低纬地区SBS激发的IA与EIC频率随加热频率、波束指向、电子温度等参数的变化特性．模拟结果可为我国未来开展同类实验观测研究提供参考．大功率高频电波与等离子体的非线性相互作用会激发参量不稳定性,在SBS不稳定性作用下高频泵波直接转化为散射的电磁波与低频静电波．SBS主要发生在泵波的上混杂共振高度与等离子体共振高度,在电离层中寻常波可到达上述共振高度, 而异常波在共振高度之前发生反射[15],且目前尚未有异常波加热激发SBS实验报道,因此,本文主要研究在上混杂共振高度上寻常波加热激发SBS情况,并假定泵波功率达到SBS激发阈值．受激布里渊散射过程中的高频泵波、散射电磁波与低频静电波三波频率与波传播方向可以由所示的动量与能量守恒方程确定．式中:ω为波的角频率; k是波矢量;下标0代表泵波;下标s代表散射的电磁波;下标L代表低频的静电波．低频静电波色散方程如所示[10],它可看作为的一元二次方程,方程的两个根如式(3)所示:式中: +代表EIC;-代表IA波; θ是波传播方向与地磁场夹角; Ωi为离子回旋角频率; kL为低频静电波的波数; cIA为离子声速,其表达式如式(4)所示[16]:式中: kB为玻恩斯坦常数; mi为离子质量; α是电子与离子温度之比; Te为电子温度．在电离层中传播的寻常波高频泵波与散射电磁波色散关系如式(5)所示[10]:式中:ωP是电离层等离子体频率; Ωe为电子回旋角频率．SBS中低频静电波频率一般为几十Hz,而高频泵波与散射电磁波的频率均为MHz 量级,散射电磁波频率几乎与高频泵波频率相等,故有k0=-ks,将其代入式(1),得到kL=2k0,利用此关系式,式(3)可改写为由式(5)与式(6)可进行数值计算,获得一组离子声速情况下低频离子声波频率随电离层等离子体频率变化曲线,此曲线即为SBS的匹配条件．利用SBS匹配条件,结合实验测量的IA频率可用于估算加热区域内电子温度．在高纬地区,高频泵波在上混杂共振高度处满足准纵近似,式(5)可简化为另外,在此高度上,泵波频率与等离子体频率具有如下关系式:将式(8)代入式(7)得到结合式(4)与式(9),可得到满足准纵近似条件下IA频率与电子温度之间的解析表达式:在低纬地区,高频泵波在上混杂共振高度处不满足准纵近似条件,无法获得电子温度与IA频率的解析表达式．在利用IA频率估算加热区域电子温度时,必须首先应用SBS匹配条件的数值计算方法确定离子声速,使测量的IA频率与模拟计算的上混杂高度上的IA频率一致,然后再利用式(4)得到加热区域电子温度．在不具备非相干散射雷达情况下,利用该方法获得加热区域的电子温度对中低纬度电离层加热模型的验证和发展有重要意义．由匹配条件计算公式(5)、(6)可以看出,SBS激发的低频静电波频率主要受地磁场、加热频率、加热波束与地磁场夹角、离子声速等影响．下面分别从地理纬度、加热频率、波束指向、电子温度等方面研究高纬与低纬SBS特性．2.1 地理纬度文献[10]给出了加热频率为4.5 MHz、寻常波垂直入射加热,cIA=1 600 m/s时位于高纬的HAARP(62.39°N,145.15°W,地磁倾角75.5°)激发SBS的匹配条件．为便于比较,本文采用同样的实验参数模拟计算了位于低纬的我国海南(19°N,108°E,地磁倾角约25.6°)地区的匹配条件,并与文献[10]进行对比,模拟结果如图1所示．其中,频率负值代表下移SBS线,又称为斯托克斯线,正值代表上移SBS线,又称为逆斯托克斯线,在不考虑电离层运动情况下,上下移SBS线对称．从图1可以看出：随着频率的增加IA与EIC频率均降低; 在泵波频率等于等离子共振频率的位置,IA频率接近于0,EIC频率接近当地离子回旋频率; 与高纬HAARP 相比,海南IA频率曲线更加陡峭,EIC频率变化范围更大,上混杂共振高度上的IA与EIC频率均小于HAARP对应数值．利用国际地磁场参考模型(International Geomagnetic Reference Field,IGRF)输出的地磁场强度与地磁倾角,模拟了寻常波加热时上混杂共振高度处低频静电波频率随纬度的变化,其中,所选取的位置位于HAARP所在位置的经线上,纬度范围从10°～80°间隔2°,加热波束垂直向上,频率为4.5 MHz、cIA=1 600 m/s,模拟计算结果如图2所示．其中HAARP所在纬度处的IA频率约为25.7 Hz,EIC频率约为50.1 Hz,文献[11]给出HAARP实验测量上混杂高度处IA频率在26 Hz,EIC频率在50 Hz附近,本文计算结果与HAARP实验结果基本一致．从图2可以看出, 随纬度的增加IA与EIC频率均随之增大,IA频率从3.6 Hz变化到27.5 Hz,增加近6倍,EIC频率由30 Hz 增加到51 Hz,增加约0.7倍．在图2中低频静电波频率随纬度呈单调增加形态,因此,在后续的模拟中,以海南与HAARP为例模拟计算SBS特性及低纬与高纬差异．2.2 加热频率图3为加热频率在4～10 MHz垂直加热时海南与HAARP在上混杂共振高度上激发的低频静电波频率,同样,cIA设为1 600 m/s．从图3可以看出,随着加热频率的增加低频静电波频率增大,但低纬与高纬受影响程度不同．处于低纬地区的海南IA与EIC频率受加热频率的影响较小,其数值变化小于1%,而HAARP受加热频率的影响较大,特别是IA频率,其数值由24.05 Hz变化到34.88 Hz,增加近50%,EIC频率从50.08 Hz变化到51.23 Hz,其变化约为2.2 %．根据图3模拟结果,其加热频率变化对海南IA与EIC频率影响不大,因此,如在我国开展SBS激发实验,在实验设计中可综合考虑加热天线阵增益与加热高度,选择在加热高度处能流密度较大的加热频率,以利于SBS的激发．2.3 波束指向在上述的计算中,均假定加热波束垂直向上辐射,本小节模拟加热波束倾斜对SBS的影响．图4给出波束在磁子午面内从偏南20°(以北为正)到偏北20°变化时HAARP与海南激发低频静电波频率的变化．从图4可以看出,加热波束指向对IA与EIC的影响不同,IA频率随波束指向变化范围较大,而EIC变化范围较小．高纬与低纬的变化趋势存在差别,海南IA波频率随波束指向由10.97 Hz单调下降到1.09 Hz,下降约90%, EIC频率基本不变; HAARP 低频静电波呈抛物型变化,随着波束指向增加, IA波频率先增大,当波束指向偏南14°即接近地磁场方向后逐渐减小,其数值由26.97 Hz增加到27.31 Hz,之后降低至18.07 Hz,而EIC变化趋势与IA相反,其数值由原先的49.69 Hz先下降至49.59 Hz,之后上升至51.45 Hz．HAARP与海南变化趋势出现差异的原因是两地的地磁倾角不同,海南地磁倾角约为25.5°,加热波束从偏南20°至偏北20°变化时,加热波束与地磁场夹角单调增加,而HAARP的地磁倾角约为76°,从偏南20°至偏北20°时,加热波与地磁场夹角为先减小后增大的变化趋势．加热波束沿地磁场方向时IA波频率最大,EIC频率最小．在我国海南地区地磁倾角较小,很难实现沿地磁场方向加热,根据IA与EIC增长率比值之间的关系[14],海南加热波束与地磁场的夹角较大,更易激发EIC波模,因此,实验可重点关注位于当地离子回旋频率(～38 Hz)附近谱线测量结果．2.4 电子温度根据式(4)离子声速主要由电离层电子与离子温度决定,为研究离子声速对SBS影响,假定电子温度从1 000 K变化到3 000 K,电子与离子温度比α为3．在上述参数条件下,加热波束垂直向上、频率为4.5 MHz时,HAARP与海南模拟结果如图5所示．根据图5,随着电子温度的增加,HAARP与海南SBS激发的IA与EIC频率均增大,但IA比EIC更明显,HAARP的IA频率随电子温度变化曲线的斜率要小于海南,因此,在应用SBS估算电子温度中,要获得相同的电子温度估算精度,则海南对频率分辨率的要求高于HAARP．如在图5中,假定要获得100 K的电子温度估算精度,HAARP对测量频率分辨率要求为0.58 Hz,海南对频率分辨率的要求则为0.12 Hz．本文分析了电离层加热激发SBS效应,给出了SBS匹配条件数值模拟方法,并结合IGRF模型研究了高纬与低纬电离层加热中激发IA与EIC频率受参数变化的影响．模拟结果表明:1) 随着纬度的增加,IA与EIC频率越大,IA频率增加更明显,纬度从10°到80°,IA频率增加近7倍,我国海南地区IA频率小于10 Hz,EIC频率约为40 Hz．2) 随着加热频率的增加低频静电波频率增大,但低纬与高纬受影响程度不同．加热频率在4～10 MHz时,海南IA与EIC频率增加不超过1%; HAARP的IA频率增加接近50%,EIC频率增加约2.2 %．我国中低纬度地区的IA和EIC频率随加热频率的变化较小．3) 随着加热波束由南向北变化,IA频率具有比EIC频率更大的变化范围,且高纬与低纬具有不同的变化形态．在加热波束从南向20°到北向20°,海南IA频率随之单调下降近90%, HAARP的IA频率呈现先上升后下降的变化,变化约30%; 海南与HAARP的EIC变化小于3%．我国中低纬地区EIC波模更易激发．4) 电子温度越高,IA与EIC频率越大．在利用SBS估算电子温度中,要得到相同的电子温度估算精度,则要求海南SBS的频率分辨率比HAARP高．上述模拟结果可为未来我国开展电离层加热激发SBS的实验设计提供参考,如选择能流密度较大的加热频率开展实验、优先选择EIC波模作为观测对象、提出估算加热区域电子温度对实验测量设备的频率分辨率要求等．下一步将研究电离层加热激发SBS的门限条件、增长率及利用EIC频率确定电离层特别是Es层离子种类等问题．马广林 (1984-),男,河南人,中国电波传播研究所工程师,硕士,研究方向为电离层加热理论仿真．闫玉波 (1973-),男,山东人,中国电波传播研究所研究员,博士,研究方向为计算电磁学、目标散射特性等．杨巨涛 (1982-),男,湖南人,中国电波传播研究所高级工程师,在职博士,研究方向为电波传播和电离层加热理论仿真等．吕立斌 (1982-),男,河南人,中国电波传播研究所高级工程师,在职博士,研究方向为电离层加热及其效应等．【相关文献】[1] BODNER S E, COLOMBANT D G, GARDNER J H, et al. Direct-drive laser fusion: Status and prospects[J]. Physics of plasma, 1998, 5:1901-1918.[2] 赵军发, 杨秀峰, 李元等. 光子晶体光纤中受激布里渊散射慢光研究 [J]. 光学学报, 2010, 30(8): 2437-2440.ZHAO J F, YANG X F, LI Y, et al. Stimulated Brillouin scattering slow light in photonic crystal fiber [J]. Acta optica sinica, 2010, 30(8): 2437-2440. (in Chinese)[3] FEJER J A. Stimulated Brillouin scattering and incoherent backscatter [J]. Geophysical research letters, 1977, 4(7): 289-290.[4] FEJER J A, RINNERT K, WOODMAN R. Detection of Stimulated Brillouin scattering by the Jicamarca radar [J]. Journal of geophysical research, 1978, 83(A5): 2133-2136.[5] 黄文耿,古士芬,龚建村.大功率高频无线电波加热电离层[J]. 电波科学学报, 2004, 19(3):296-301.HUANG W G, GU S F, GONG J C. Ionospheric heating by powerful high-frequency radio waves[J]. Chinese journal of radio science, 2004,19(3): 296-301. (in Chinese)[6] CRAGIN B L, FEJER J A. Generation of artificial spread-F by a collisionally coupled purely growing parametric instability [J]. Radio science, 1977, 12(2):273-284.[7] RIETVELD M T, KOHL H, KOPKA H, et al. Introduction to ionospheric heating at TromsØ-I. experimental overview [J]. Journal of atmospheric and terrestrial physics, 1993, 55(4/5):577-599.[8] KENNEDY E, KOSSEY J P. Description of the HAARP Gakona facility with some results from recent research[C]//Proceedings of the 27th URSI General Assembly, 2002.[9] NORIN L, LEYSER T B, NORDBLAD E, et al. Unprecedentedly strong and narrow electromagnetic emissions stimulated by high-frequency radio waves in the ionosphere[J]. Physical review letters, 2009, 102: 065003.[10] BERNHARDT P A, SELCHER C A, LEHMBERG R H, et al. Determination of the electron temperature in the modified ionosphere over HAARP using the HF pumped stimulated Brillouin scatter(SBS) emission lines[J]. Annales geophysicae, 2009, 27: 4409-4427.[11] MAHMOUDIAN A, SCALES W A, BERNHARDT P A, et al. Investigation of ionospheric stimulated Brillouin scatter generated at pump frequencies near electron gyroharmonics[J]. Radio science, 2013, 48: 685-697.[12] FU H Y, SCALES W A, BERNHARDT P A, et al. Stimulated Brillouin scattering during electron gyro harmonic heating at EISCAT [J]. Annales geophysicae, 2015, 33: 983-990. [13] MISHIN E, WATKINS B, LEHTINEN N, et al. Artificial ionospheric layers driven by high frequency radiowaves: an assessment [J]. Journal of geophysical research: space physics, 2016, 121:3497-3524.[14] BERNHARDT P A, SELCHER C A, LEHMBERG R. H, et al. Stimulated Brillouin scatter in a magnetized ionospheric plasma[J]. Physical review letters, 2010, 104: 165004.[15] GUREVICH A V. Nonlinear effects in the ionosphere [J]. Physics Uspekhi, 2007, 50(11):1091-1121.[16] 袁敬闳, 莫怀德. 等离子体中的波[M]. 成都:电子科技大学出版社,1990:68.。

磁镜场中离子回旋波加热作者：马睿来源：《科技创新与应用》2016年第33期摘要：离子回旋波（ICRF）加热作为一种射频波加热手段在许多核聚变实验中扮演重要角色，文章基于冷等离子体中的色散关系，给出了磁镜场中ICRF的共振与截止的理论表达式，探讨共振区与截止区随磁场强度、射频频率、离子成分等参数变化时的分布特性。

实验表明，射频频率，磁场强度会引起共振区的扩张和收缩，离子成分对截止区宽度影响显著。

关键词：离子回旋波；色散关系；共振加热；截止区引言ICRF加热作为重要的射频波加热手段，在托卡马克装置中得到广泛应用[1]。

许多装置将它作为主要的加热手段之一，技术也日臻成熟[2]-[4]。

在国际热核聚变实验堆（ITER）上，ICRF的加热功率为20MW[5]，而在国内的先进实验超导托卡马克装置（EAST）上加热功率也达到6MW[6]。

ICRF共振加热利用波在等离子体中传播和吸收的性质，通过离子回旋共振加热等离子体。

因此，研究共振截取区的位置变化对于提高加热效率至关重要。

文章从等离子体色散关系入手，计算出ICRF波满足共振条件和截止条件的理论表达式，结合具体磁镜场位型，分析磁场强度、射频频率、粒子成分等参数对共振截止区的影响。

1 公式推导如图1所示，在其他参数不变的情况下，共振区对于射频频率的变化较为敏感，当射频频率在时，共振区处于离子中心区，加热效果较好，随着射频频率增加，该区域向离子边缘区移动，并与部分截止区发生重叠；截止区变化不明显。

如图2所示，磁场强度B0=0.45T时，共振区域均处于离子中心区，加热效果良好；当磁场强度过大或过小时都无法达到良好的共振效果。

此外磁场强度对截止区影响不明显。

如图3所示，若只存在一种离子成分，共振区和截止区都处于离子低密度区域，无法实现离子加热。

当N2+离子的成分比例高于90%时，共振加热效果较好，随着N2+离子的占比增加，共振区向离子高密度区域移动，同时截止区也明显变宽。

电磁离子回旋波对磁层粒子的散射效应近些年来,电磁离子回旋(EMIC)波一直是地球磁层物理的研究热点,原因主要在于其对磁层粒子的损失效应。

EMIC波可以通过回旋共振快速地将辐射带高能电子沉降到大气层,从而影响着地球辐射带的动态变化。

由于辐射带电子会对在轨航天系统造成重大危害,EMIC波的存在也从一定程度上减轻了高能电子造成的空间天气灾难效应。

不仅如此,作为一种重要的环电流耗散机制,EMIC波还可以通过回旋共振造成环电流质子的沉降损失,而沉降到大气的质子可以导致亚极光区质子弧的产生。

本论文旨在研究EMIC波与各种磁层粒子的共振相互作用,及其对磁层粒子动态演化过程的影响。

本文首先介绍了磁层的基本结构和带电粒子在地球磁场中的运动,概述了空间波粒相互作用的三种基本共振机制(回旋共振、弹跳共振和漂移共振),介绍了 EMIC波的频谱特性、激发机制和全球分布规律。

第二章简要介绍了等离子体波动的广义色散关系,继而分别给出了在冷等离子体近似和热等离子体环境下的EMIC波色散关系的具体形式。

在第三章中,基于EMIC波的冷等离子体色散关系,本文将准线性扩散过程中频率共振根的求解推广到了多离子(氢、氦和氧)的等离子体环境,并应用于量化EMIC波通过回旋共振对包括辐射带电子、环电流质子和中心等离子体片质子在内的多种磁层粒子的散射损失过程。

首先,报道了一个氢、氦和氧频段EMIC波同时发生的事件,定量分析了三个频段EMIC波对辐射带电子的独立和联合散射效应,发现氦频段EMIC波主导了这一散射过程。

随后,研究了 EMIC波传播角分布对其散射辐射带电子和环电流质子的影响,证实了传播角分布在其中扮演了重要角色,即传播角倾斜度的增大会明显减弱EMIC波对粒子的损失效应。

最后,通过采用更真实的非偶极化地球磁场模型,分析了EMIC波对中心等离子片质子的损失特征,定量证明了 EMIC波导致中心等离子片中质子“反常”的能量-纬度沉降模式。

第四章研究了氢频段EMIC波与辐射带电子的弹跳共振相互作用,分析了这一弹跳共振机制的共振区域及其对弹跳共振阶数的依赖性。

傅里叶变换-离子回旋共振质谱与核磁共振一、引言傅里叶变换是一种数学工具，可以将函数在时域和频域之间进行转换。

离子回旋共振质谱（IRMS）和核磁共振（NMR）是利用傅里叶变换原理的仪器，在化学、生物学、药物研发等领域有重要应用。

本文将探讨傅里叶变换在离子回旋共振质谱和核磁共振中的应用，介绍其原理和技术特点。

二、离子回旋共振质谱离子回旋共振质谱是一种测定元素同位素比例的分析方法，主要用于地球科学、天文学和核物理等领域。

该技术利用离子在磁场中受到的洛伦兹力和外加交变电场引起的振荡来分析样品中同位素的含量。

离子回旋共振质谱仪的关键部分是储存环和检测系统，其中傅里叶变换在信号处理中起到重要作用。

离子回旋共振质谱仪通过加速器将样品中的原子或分子离子化，并将离子注入到一个磁场中。

离子在磁场中绕轴线做匀速回旋运动，并在外加的交变电场作用下产生振荡。

这种振荡会导致离子围绕轴线做径向运动，最终被探测器捕获。

离子的运动轨迹可以用复数表示，而复数的频谱可以通过傅里叶变换得到。

离子回旋共振质谱仪利用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而可以得到样品中同位素的含量信息。

三、核磁共振核磁共振是一种通过核自旋共振现象来研究物质结构和性质的方法，广泛应用于化学、生物学、医学等领域。

核磁共振仪利用傅里叶变换原理进行信号处理，从而得到样品中核自旋共振频率的信息。

核磁共振仪的工作原理是利用样品中核自旋在外加磁场中的共振现象来获取样品信息。

当样品置于外加静磁场中时，核自旋会沿外加磁场的方向取向。

施加射频脉冲后，核自旋将发生共振现象并产生幅度衰减的自旋回波信号。

这个信号随时间变化，可以通过傅里叶变换将其转换为频谱信号，从而得到样品中核自旋共振频率的信息。

四、傅里叶变换在IRMS和NMR中的应用1. 信号处理傅里叶变换在离子回旋共振质谱和核磁共振仪中起着至关重要的作用。

离子回旋共振质谱仪通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而得到样品中同位素的含量信息。

快速太阳风中阿尔法粒子/质子的磁声波不稳定性在快速太阳风中观察到离子速度分布的非热致典型特征就是：两种质子组分之间存在相对流动、阿尔法/质子相对漂移和质子核温度各项异性p p T T ⊥>（下标指示出了相对于背景磁场0B 的方向）。

所有这些非热致特征导致了一些电磁不稳定性的产生。

这里，线性符拉索夫理论和一维混合模拟被应用在均匀磁化、无碰撞等离子体模型下的不稳定性研究。

在这样的前提下，磁声波和阿尔芬/回旋加速这两种模型都将产生不稳定性。

我们将要展示的是在某些特定前提（诸如快速太阳风、平行磁场方向传播）下，质子核温度各项异性在对每一种离子成份进行波粒散射修正对比于各项同性所扮演的重要角色。

这种效应减少了对质子流和阿尔法粒子的加热和各项异性的加强，并使质子/质子、阿尔法粒子/质子的相对漂移速度低于相应的各项同性不稳定性的临界值。

这种结果也给那些对应于不同种类等离子体在不同不稳定性临界值下观察限制的物理设想以佐证，并且也更加符合现在的太阳风观测结果。

简 要 介 绍在快速太阳风中（600/SW U km s ≥），对当地等离子体特性的度量显示了关于粒子速度分布的多种非热致特征。

事实上，不同要求的数据表明了质子分布能用双峰束流和平行于背景磁场的相对漂移速率pp U 来建立模型。

相关的太阳观测表明：0/3pp A U V <≤（A V 表示当地的阿尔芬速度）。

最近，Goldstein 在利用尤里西斯探测器进行测量时发现0/2pp A U V <≤。

此外，通常认为每一种质子成份在观测时是符合双麦克斯韦分布的（T T ⊥>）。

这是与热力学平衡相背离的，其结果将使得一些不稳定性的增加。

在高速太阳风中，像阿尔法粒子这样在等离子体中比例较少的离子，它们的漂移速率通常要比那些占主要数量的质子团更大。

观测得到，质子/阿尔法离子的平均漂移速度约等于阿尔芬速度或者稍微小一点。

此外，当地的测量表明并不是所有比例较少的离子都比质子漂移的快，但是他们都共同被优先加热。