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含气泡粒子辐射特性分析

 论文栏目:辐射防护论文     更新时间:2018/4/12 9:18:37   

摘要:采用离散偶极近似法和Bruggeman有效介质理论分别计算了气泡个数为49、99、149、199、249和299的含气泡粒子的辐射特性参数.比较分析后发现:对于衰减因子、吸收因子和散射因子,在气泡数目小于一定值时,有效介质理论具有较好的适用性,反之适用性较差;对于单次散射反照率和非对称因子,有效介质理论均具有较好的适用性.同时证明了Michael教授关于有效介质理论对含气泡粒子适用性推测的片面性.

关键词:含气泡粒子;有效介质理论;辐射特性参数;适用性

1引言

粒子辐射作为辐射研究领域的一个重要分支,在气象、通信、环保、生物、医学、材料、天文以及军事等众多领域中均有广泛的应用[1-3].现实存在的粒子往往不是均匀的,而由多种材料组成,如含气泡粒子就大量存在于自然界中,其中火山灰粒子、彗星尘埃粒子以及冰晶粒子中大多都含有气泡[4].气泡的存在会对粒子的辐射特性造成较大的影响,然而目前国内外对此种粒子辐射特性的研究还较少.在多相粒子辐射特性的研究中,很多学者进行了有效介质理论的适用性分析.其中,张小林等[5]学者采用离散偶极近似法(DDA)和有效介质理论对材料为黑炭和硫酸盐的致密内混合粒子的辐射特性参数进行了计算.在分析比较后发现:对于单分散系致密内混合粒子,有效介质理论在瑞利散射区具有较好的适用性,而在米散射区则有较大偏差.殷金英和刘林华[6]基于电磁场平均的概念,利用Maxwell-Garnett和Bruggeman有效介质理论对三种煤灰粒子的光学常数进行了计算,并将计算结果与实验值进行了比较.对于含气泡的粒子,Michael教授[7]推测:当粒子内部气泡的尺寸明显小于入射电磁波波长时,或许能够采用有效介质理论来等效其辐射特性,但是目前还没有研究结果能够对此证明.本文首先建立含气泡粒子模型与有效介质模型(下文称为等效粒子),然后采用DDA法计算两种模型在特定入射电磁波波长下的辐射特性.通过对比分析计算结果的差别,验证在特定条件下有效介质理论对含气泡粒子辐射特性研究的适用性.

2含气泡粒子模型

本文的重点不在于研究粒子表面形态特性对辐射特性的影响,所以如图1所示,我们采用了最简单的球形粒子作为含气泡粒子模型的基体.然后在基体内部随机填充上Ng个小的球形气泡,基体半径R与气泡半径r满足R/r=10.由此含气泡粒子就被分成了两个部分:实体部分和气泡部分.同时为了不破坏基体表面的形态特性,本文规定气泡不与基体表面重叠而全部分布于粒子内部.这样就可以明确地区分开基体表面形态和内部气泡对粒子辐射特性的影响。研究发现当气泡在粒子内部的分布足够随机时含气泡粒子在各个方位角的辐射特性参数平均值相差不大.由此本文采用随机数产生器来计算每个气泡在基体内部的位置,以保证气泡在基体内部的位置满足随机分布.为满足气泡尺寸远小于入射波长[8],本文规定气泡之间不能够相互叠加,同时设定含气泡粒子模型中实体部分的等效半径Reff为定值0.8μm,入射电磁波波长λ满足λ=0.628μm.按上述方法建立起的含气泡粒子的模型如图2所示.

3计算方法

DDA法将散射体近似为N个偶极子的点阵,通过计算入射电磁波与这些偶极子点的相互作用,可以得到任意形状和组成的非球形粒子的辐射特性[9].此方法可以计算得到粒子的衰减因子Qext、吸收因子Qabs、散射因子Qsca、单次散射反照率ω以及非对称因子g等辐射特性参量.DDA算法DDSCAT7.3[10]在粒子尺度参数x满足x≤25时,能得到较为精确的计算结果,其中x=2πR/λ,R为粒子的等效半径.文中所有模型均由超过100000个偶极子点构成.由于气泡的分布是随机的,含气泡粒子内部具有千变万化的结构,其辐射特性应是所有方位下的平均值.为此我们对含气泡粒子所处不同位置的所有方位角求平均,从而得到特性辐射特性参量辐射特性参量的统计平均值。

4结果与讨论

图3给出了入射波长为0.628μm情况下,含气泡粒子与等效粒子的辐射特性参量,即衰减因子Qext、吸收因子Qabs、散射因子Qsca、单次散射反照率ω以及非对称因子g随气泡数目Ng的变化规律.由图3(a)可以看出,含气泡粒子的衰减因子要大于等效粒子.且当气泡数目较小时,含气泡模型粒子的衰减因子与等效粒子之间差别不大.随着气泡数目的增多,含气泡粒子的衰减因子不断增大,但等效粒子基本保持不变.即含气泡粒子的衰减因子与等效粒子的差别随着气泡数目的增大而增大.同时吸收因子和散射因子也表现出相同的规律,如图3(b)和(c)所示.然而两种粒子的单次散射反照率与非对称因子随气泡数目Ng的变化却不同于以上三种参量,如图3(d)和3(e)所示:含气泡粒子的单次散射反照率与非对称因子均要小于等效粒子,并且当气泡数目较小时,含气泡粒子与等效粒子间具有较小差别.随着气泡数目的增多,这种差别也随之增大,但总体保持在较小范围内。

5结论

本文建立了气泡尺寸远小于入射电磁波波长的含气泡粒子,并利用离散偶极近似法和Brugge-man有效介质理论计算了含气泡粒子在不同气泡数目(气泡体积比)下的辐射特性.特性研究分析了在特定条件下有效介质理论对含气泡粒子辐射特性等效的适用性.结果表明:含气泡粒子的衰减因子、吸收因子和散射因子,当气泡体积比小于一定值时,有效介质理论具有较好的适用性.而当体积比大于此值时,三种辐射特性参量与有效介质理论的偏差均较大,适用性较差;而对于含气泡粒子的单次散射反照率和非对称因子,有效介质理论在文中所研究的气泡体积比范围内均具有很好的适用性.本文同时也证明了Michael教授推测的片面性.本文在研究有效介质理论对含气泡粒子辐射特性等效的适用性时,仅选择了特定的基体复折射率和固定的实体体积,并且假定了所有气泡的大小相等.针对更全面的含气泡粒子辐射特性的有效介质理论适用性有待进一步地分析研究.

作者:翟波 黄晓玉 单位:中航工业洛阳电光设备研究所 南阳师范学院

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