摘要
太空中存在着丰富多彩的射电爆发现象，太阳、地球、木星、土星等都是强大的射电源。这些射电源的辐射强度常远超相应的热力学温度和高能电子平均能量所对应的有效温度，一般用等离子体中的相干辐射机制来解释。等离子体辐射和电子回旋脉泽辐射是两种主要的射电相干辐射机制，分别与等离子体的束流不稳定性和电子回旋脉泽不稳定性有关，可用于解释由特征频率比(ωpe/Ωce)所表征的不同等离子体参数范围内的射电爆发现象。迄今为止，一些射电爆发现象的辐射机制仍存在争议。本论文重点研究了电子回旋共振不稳定性所驱动的等离子体辐射过程，使用全电磁(2D3V)粒子模拟方法(PIC)详细分析了激发模式的性质、辐射的产生机制以及粒子速度分布函数的演化竺寸。 在第二章，研究了Dory-Guest-Harris(DGH)分布(一类双边损失锥类分布)的高能电子所驱动的动理论不稳定性激发辐射的过程，详细分析了高特征频率比(ωpe/Ωce=10)等离子体中，DGH分布的高能电子驱动的电子回旋共振不稳定以及相应的等离子体辐射过程。分析了波模在波数空间的分布及其色散关系，确定了各模式的频率、波数、传播角度等性质，计算了各模式的能量。发现，(1)模拟得到的主要模式有高杂波(UH)、Z模、哨声波(W)、谐频(H)和基频O模，其中，高杂波、Z模和哨声波是由DGH分布的电子驱动的电子回旋共振不稳定性(ECMI)所激发的。高杂波是最先激发的主导模式，增长最快;随着高杂波逐渐耗散，哨声波取而代之成为最强的模式。(2)产生的基频和谐频都是窄带结构，基频0模的强度比背景高一个量级，谐频辐射则比背景高近两个量级。分析模式的并合条件可以判断，基频0模辐射主要是由反向平行的哨声波和Z模并合产生，谐频辐射主要是由反向传播的高杂波并合产生。所得等离子体辐射过程是由ECMI引起的模式(UH，Z，Z)线性激发过程与相应的非线性三波并合过程共同作用引起的。其中，Z模和哨声波并合产生基频的过程与传统等离子体基频辐射过程不同，为解释空间中约束电子相关的射电爆发现象提供了一种新型等离子体辐射机制。本研究所采用的弱磁化及高能电子等离子体参数主要适用于日冕，可用于理解由约束于其中的磁场结构所激发的射电暴(如部分运动Ⅳ型暴);相应辐射机制也可用于理解其它太空射电辐射过程。 在第三章，利用粒子模拟泵波的方法对该辐射过程进行了验证，计算得到了相应过程的波模间能量转化率。通过PIC泵波方法模拟研究了Z模和哨声波并合产生O模的过程，验证了上述等离子体基频辐射过程。首先利用磁离子理论下的冷等离子体色散关系求解了Z模和哨声波并合的三波共振条件，找到了很多满足条件的解，且参与共振的Z模和哨声波都具有较宽的频率范围，产生的O模传播方向可覆盖全部角度，这说明三波并合条件可在很大参数范围得到满足。然后，利用泵波方法模拟了其中一组解(参考解)对应的波模并合过程，分别计算了单独泵入Z模、单独泵入哨声波以及同时泵入两种模式的三种情况。发现，只有当同时泵入Z模和几乎反向的哨声波时，目标O模才会产生，验证了基频0模是反向传播的Z模和哨声波并合产生的。计算参考解下的模式能量发现，所得O模的能量与Z模(W模)能量之比(转化效率)为～0.5％。当初始泵入的Z模和哨声波的强度在一定阈值内时，基频O模的强度随着Z模(W模)强度的增长而线性增长，转化效率最高可达～30％。 在第四章，进一步研究了蹄状分布的高能电子驱动的静电波性质及其引起的非线性结构以及随后等离子体辐射产生的情况。对耀斑期间可能出现的蹄状分布高能电子驱动的ECMI及等离子体辐射过程进行了模拟研究。根据各电磁场能量曲线变化趋势，由ECMI激发的高杂波的增长可分为两个阶段(阶段Ⅰ和阶段Ⅱ)，分别对应倾斜传播和垂直传播的高杂波的演化。详细分析阶段Ⅰ的高杂波性质及其引起的非线性结构，发现，高杂波的增强及其非线性演化引起了调制不稳定性，导致电子速度相空间中产生类电子洞非线性结构。对电子速度分布函数以及波和电子能量的分析表明，高杂波与粒子之间的相互作用使得高能电子发生迅速扩散，部分电子被加速，最高能量可达～65KeV。高杂波最强时，能量约为高能电子能量的～1％。ECMI激发的模式还有Z模和W模，二者波数都相对较小，其中Z模主要沿准垂直方向传播，W模则主要沿准平行方向传播。在模拟后期，W模演化成为主要的模式，强度可达-60dB(约为高能电子能量的0.1％)。除W模外，模拟产生的低频模式还有离子声波，主要沿准垂直方向传播，波数比高杂波更大。模拟还产生了等离子体基频O模和谐频辐射，基频O模强度很弱，仅比相同参数背景强度高约5dB，谐频辐射主要沿垂直方向传播，强度比O模高15dB左右。分析三波作用共振条件表明，前两章所讨论的反向传播的Z模和W模并合产生0模的过程仍是蹄状分布激发等离子体辐射的可能途径。这为解释太空中类似等离子体辐射提供了一种新的可能。与传统基于束流电子开展研究不同，本工作首次在蹄状高能电子分布所激发的ECMI过程中发现了类电子洞结构，对理解“电子洞”动理学相关问题具有一定意义。 在第五章，对本文的主要结果进行了总结，并对未来的工作提出了展望。本论文对高特征频率比下两种损失锥类分布(DGH和蹄状分布)高能电子驱动的ECMI及等离子体辐射过程进行了粒子模拟研究。详细分析激发模式的性质以及其中的波粒相互作用，发现，两种高能电子分布驱动的辐射过程具有一定的相似性，都是先由速度分布函数在垂直方向的正梯度驱动ECMI激发非逃逸模波模，然后经过非线性三波相互作用得到基频与谐频等离子体辐射。本文还针对Z-W-O三波相互作用进行了粒子模拟泵波验证，证实了该等离子体基频辐射机制的可行性。在分析蹄状分布的高能电子驱动的准垂直传播的静电高杂波演化过程中，还发现了类“电子洞”等非线性特征结构。该系列工作有利于理解认识太空中的射电爆发现象，对于理解辐射源区的波粒相互作用、相应等离子体辐射过程及基于这些理解开展源区参数诊断具有重要意义。
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