首先简单介绍一下研究背景，我们组是研究高功率微波的，现在国内高功率微波峰值功率已经达到吉瓦量级，达到这个量级之后就会出现很多问题，比如说高功率微波在传输中会发生大气尾蚀、微波从微波源器件发射出来的时候也会发生击穿，这些都不利于高功率微波的产生和传输，但是微波击穿形成等离子体也为高功率微波的应用提供了一些应用前景，比如说有的学者就提出可以使用高功率微波产生人造电离层，用人造电离层产生人造臭氧层。上午很多老师介绍了等离子体流动控制、等离子体助燃，微波产生等离子体也可以用于流动控制和助燃。微波大气等离子体属于低温弱电离等离子体，主要是通过电子碰撞电离，早期做的比较简单，20世纪40年代就开始做一些击穿阑值测量，很多等离子体研究都是这样，基本上把等离子体发光作为一个判据。由于微波源功率的提高可以研究更大压强范围、更大频率范围的微波放电，近期很多研究组开始研究超音速和跨音速的微波放电，使用快速照相可以得到等离子体区域的一些精细结构。莫斯科无线电研究所进行了这方面的研究，他们的研究背景主要是助燃和流动控制或减阻，比较了超音速的放电和在静止大气中的微波放电，他们还做了微波等离子体箍缩，说可以使用微波等离子体箍缩产生中子，但他们装置刚做实验就因为经费问题拆掉了，所以具体详细的实验他们没有。俄罗斯学者提出了人造电离层和臭氧层，由于在大气中的实验很难做，他们在实验室内使用两束微波相交，然后看形成等离子体的区域形状。
在2008—2009年，MIT(麻省理工学院)用快速照相测到了等离子体区域向微波源方向移动的速度[实验的气压是710torr（1torr=133.322Pa），微波频率是110GHz]，发现在电场和波矢所在的平面等离子体呈丝状，在磁场和波矢所在的平面是一系列的点状结构，整个等离子体区域都是向微波源方向移动。MIT另外一个小组研究了更大压强范围和功率范围内的微波等离子体区域形状，他们得出的结论是这样的:高气压下是丝状，中等气压下是片状或者说鱼骨形的结构，低气压是连续等离子体区域，他们也发现不同气压条件下等离子体区域都是向微波源方向移动的。我们对MIT的实验结果进行了模拟。我们使用的理论模型比较简单，就是描述电磁波的Maxwell方程组和描述等离子体的电子运动方程，电子运动方程稍微变形一下就会变成一个电流密度的控制方程，还有电子数密度方程，参数都是实验上的一些拟合公式，电离频率表示电子的增长，它对场强有一个5.33次方的依赖关系，因为粘附造成的电子损失，氧气有电负性。对控制方程进行离散，由于电磁波与等离子体的时空尺度差别很大，我们在模拟中对它们使用了不同的时空步长。二维模拟中我们使用的计算区域是，波矢沿着z方向传播，如果是一维的在)方向平移对称就行了。
首先看一维的结果，初始电子数密度给的是半径为50μm的高斯分布。为了和实验比，我们取的微波频率也是110GHz。在t=6ns时，由于等离子体密度还比较小，所以它对电磁波基本上没有吸收和反射，所以在整个计算区域，微波振幅是不变的；随着等离子体密度的增长，在t=15ns时，等离子体密度已经增长到1015cm-3，这时等离子体对微波有吸收，也会反射，反射的结果就在等离子体上游形成一个驻波结构，驻波的第一个场强最大值距离等离子体是1/4波长，当种子电子扩散到强场区的时候就会有一个新的等离子体丝出现，新的等离子体丝出现之后也会对微波形成反射，如此反复就会有等离子体丝在上游不断出现。二维的结果和一维基本上是一样的，等离子体反射微波形成的强场区形成一个弧形区域，等离子体丝不仅向微波源方向移动，还会向两边扩散。
下面看一下压强对等离子体区域形状的影响。760torr时我们前面已经介绍过了，当压强降低的时候，刚开始时可以看到一些丝状结构，随着时间的推移它会过渡一个连续区，在200 torr的时候基本上看不到一个丝状的，出现的都是连续区域。这主要是因为等离子体的产生有两种作用，一个是电离，另一个是扩散。电离作用会导致在强场区形成高密度等离子体，而扩散作用会抹平这种密度差异，所以在高气压下，扩散系数比较小，会形成丝状等离子体区;低气压扩散比较大，所以会形成一个连续的等离子体区。我们的模拟结果和实验基本上是一致的，当压强降低到400torr时，磁场和波矢所在面是一个片状结构，到200torr时它是一个连续的等离子体区域。
下面看电场和波矢所在面的结果，在400torr和200torr的时候，它会出现一个比较漂亮的鱼骨形，等离子体对电磁波的反射不仅在它的上游会形成一个驻波结构，在等离子体两侧也会出现两个强场区，当种子电子扩散到两个强场区时，就会在这两边形成新的等离子体区域，新的等离子体区域也会向微波源方向移动，最终也会成为一个鱼骨形，我们模拟的等离子体区域形状和实验定性上符合得很好。
从前面可以看出，在垂直于电场方向和平行于电场方向等离子体的运动是不一样的。当等离子体密度达到一定程度的时候，由于和电磁波相互作用，在等离子体沿着电场方向的两端形成强场区，在强场区的作用下，等离子体就会被拉长，拉长之后两端的场就会进一步加强，这样就不断地拉长，直到它上游出现一个新的等离子体丝。新的等离子丝重复这个过程，如此反复，它会有一个等离子体丝向微波源方向移动。
下面看一下相交微波束大气击穿的模拟结果，我们首先算了同频率微波相交的情况，此时相干叠加之后，由于干涉作用，会形成电场强度强弱分布。我们首先模拟一下种子电子在弱场区的情况。因为在大气中种子电子是偶然出现的，有可能出现弱场区，如果出现在弱场区，它需要扩散，扩散到强场区之后电子碰撞分子发生雪崩电离，形成的等离子体沿着强场区做趋源运动，运动方向沿着)=:的这条线。形成的等离子体的区域是一个等离子体丝带，当然如果把气压降低，会发现丝带就会过渡为一个等离子体带。图1给了几个典型时刻的等离子体密度分布和场强的分布，在20ns的时候，由于靠近等离子体区域最强的场是沿着)=:这条线的，当等离子体丝带长度增加到一定程度的时候，在其左上和右下区域，相当于把两个微波场隔开，这两个区域相当于只有一个单微波的作用，在两边有新的等离子体丝带。如果初始电子出现在强场区，电子碰撞分子就会雪崩电离，形成等离子体。等离子体区域也是沿着J=:这条线做趋源运动。下面简单比较了同频和非同频微波相交的大气击穿，同频相当于相干叠加，非同频相当于非相干叠加，模拟时间都是80ns，初始的种子电子数都一样，可以发现在相干的情况下，即使把种子电子源放到场强最小的地方，产生等离子体的区域也大于非相干的情况，而且产生的最大电子数也是大于非相干的情况。总结主要有三点，一个是区域随压强的变化，还有等离子体做趋源运动，还有相干比非相干的等离子体区域比较大。
在2008—2009年，MIT(麻省理工学院)用快速照相测到了等离子体区域向微波源方向移动的速度[实验的气压是710torr（1torr=133.322Pa），微波频率是110GHz]，发现在电场和波矢所在的平面等离子体呈丝状，在磁场和波矢所在的平面是一系列的点状结构，整个等离子体区域都是向微波源方向移动。MIT另外一个小组研究了更大压强范围和功率范围内的微波等离子体区域形状，他们得出的结论是这样的:高气压下是丝状，中等气压下是片状或者说鱼骨形的结构，低气压是连续等离子体区域，他们也发现不同气压条件下等离子体区域都是向微波源方向移动的。我们对MIT的实验结果进行了模拟。我们使用的理论模型比较简单，就是描述电磁波的Maxwell方程组和描述等离子体的电子运动方程，电子运动方程稍微变形一下就会变成一个电流密度的控制方程，还有电子数密度方程，参数都是实验上的一些拟合公式，电离频率表示电子的增长，它对场强有一个5.33次方的依赖关系，因为粘附造成的电子损失，氧气有电负性。对控制方程进行离散，由于电磁波与等离子体的时空尺度差别很大，我们在模拟中对它们使用了不同的时空步长。二维模拟中我们使用的计算区域是，波矢沿着z方向传播，如果是一维的在)方向平移对称就行了。
首先看一维的结果，初始电子数密度给的是半径为50μm的高斯分布。为了和实验比，我们取的微波频率也是110GHz。在t=6ns时，由于等离子体密度还比较小，所以它对电磁波基本上没有吸收和反射，所以在整个计算区域，微波振幅是不变的；随着等离子体密度的增长，在t=15ns时，等离子体密度已经增长到1015cm-3，这时等离子体对微波有吸收，也会反射，反射的结果就在等离子体上游形成一个驻波结构，驻波的第一个场强最大值距离等离子体是1/4波长，当种子电子扩散到强场区的时候就会有一个新的等离子体丝出现，新的等离子体丝出现之后也会对微波形成反射，如此反复就会有等离子体丝在上游不断出现。二维的结果和一维基本上是一样的，等离子体反射微波形成的强场区形成一个弧形区域，等离子体丝不仅向微波源方向移动，还会向两边扩散。
下面看一下压强对等离子体区域形状的影响。760torr时我们前面已经介绍过了，当压强降低的时候，刚开始时可以看到一些丝状结构，随着时间的推移它会过渡一个连续区，在200 torr的时候基本上看不到一个丝状的，出现的都是连续区域。这主要是因为等离子体的产生有两种作用，一个是电离，另一个是扩散。电离作用会导致在强场区形成高密度等离子体，而扩散作用会抹平这种密度差异，所以在高气压下，扩散系数比较小，会形成丝状等离子体区;低气压扩散比较大，所以会形成一个连续的等离子体区。我们的模拟结果和实验基本上是一致的，当压强降低到400torr时，磁场和波矢所在面是一个片状结构，到200torr时它是一个连续的等离子体区域。
下面看电场和波矢所在面的结果，在400torr和200torr的时候，它会出现一个比较漂亮的鱼骨形，等离子体对电磁波的反射不仅在它的上游会形成一个驻波结构，在等离子体两侧也会出现两个强场区，当种子电子扩散到两个强场区时，就会在这两边形成新的等离子体区域，新的等离子体区域也会向微波源方向移动，最终也会成为一个鱼骨形，我们模拟的等离子体区域形状和实验定性上符合得很好。
从前面可以看出，在垂直于电场方向和平行于电场方向等离子体的运动是不一样的。当等离子体密度达到一定程度的时候，由于和电磁波相互作用，在等离子体沿着电场方向的两端形成强场区，在强场区的作用下，等离子体就会被拉长，拉长之后两端的场就会进一步加强，这样就不断地拉长，直到它上游出现一个新的等离子体丝。新的等离子丝重复这个过程，如此反复，它会有一个等离子体丝向微波源方向移动。
下面看一下相交微波束大气击穿的模拟结果，我们首先算了同频率微波相交的情况，此时相干叠加之后，由于干涉作用，会形成电场强度强弱分布。我们首先模拟一下种子电子在弱场区的情况。因为在大气中种子电子是偶然出现的，有可能出现弱场区，如果出现在弱场区，它需要扩散，扩散到强场区之后电子碰撞分子发生雪崩电离，形成的等离子体沿着强场区做趋源运动，运动方向沿着)=:的这条线。形成的等离子体的区域是一个等离子体丝带，当然如果把气压降低，会发现丝带就会过渡为一个等离子体带。图1给了几个典型时刻的等离子体密度分布和场强的分布，在20ns的时候，由于靠近等离子体区域最强的场是沿着)=:这条线的，当等离子体丝带长度增加到一定程度的时候，在其左上和右下区域，相当于把两个微波场隔开，这两个区域相当于只有一个单微波的作用，在两边有新的等离子体丝带。如果初始电子出现在强场区，电子碰撞分子就会雪崩电离，形成等离子体。等离子体区域也是沿着J=:这条线做趋源运动。下面简单比较了同频和非同频微波相交的大气击穿，同频相当于相干叠加，非同频相当于非相干叠加，模拟时间都是80ns，初始的种子电子数都一样，可以发现在相干的情况下，即使把种子电子源放到场强最小的地方，产生等离子体的区域也大于非相干的情况，而且产生的最大电子数也是大于非相干的情况。总结主要有三点，一个是区域随压强的变化，还有等离子体做趋源运动，还有相干比非相干的等离子体区域比较大。
