重复频率高功率微波脉冲的大气击穿

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1、!第!"卷!第!期强激光与粒子束#$%&!"!’$&!!!())*年!月+,-+./012345124’6.427,831914:5;<=&!())*!文章编号!!!))!>?@(("())*#)!>)!!A>)?重复频率高功率微波脉冲的大气击穿"曹金坤!!周东方!!牛忠霞!!邵!颖!!邹!伟!!邢召伟"解放军信息工程大学信息工程学院!郑州?A)))(#!!摘!要!!理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性!推导了!个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度!数值模拟并给出了在不同微波频率$大气压强$脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下!

2、大气击穿时!透射过去的脉冲个数与微波功率的关系%模拟结果表明&当微波脉冲参数一定时!压强越小!透射过去的脉冲个数越少!大气越容易发生击穿’当压强一定时!脉宽越宽!微波频率越小!透射过去的脉冲个数越少!大气越容易发生击穿%!!关键词!!+.:脉冲’!大气击穿’!电离’!吸附’!碰撞频率!!中图分类号!!7’)!!!!!!文献标识码!!4!!高功率微波"+.:#在大气中传输时!将与空间中的自由电子发生作用!使其加速并与中性粒子发生碰撞%如果+.:电场足够强!能使电子获得较大能量!从而使空气发生电离!产生新的电子!随着自由电子的不断增*!>(

3、+加!将出现(雪崩)现象!导致大气击穿%此时!+.:脉冲后续部分能量将被吸收和反射!出现(尾蚀效应)%此过程中脉冲尾部因被反射!脉冲变窄!致使+.:脉冲的能量下降!限制了+.:到达目标时的能量%对于*@>"+单脉冲的大气击穿!很多学者进行了大量的研究!给出了大气击穿的阈值随压强以及脉冲参数的变化模拟图%在重复频率+.:脉冲的传输中!大气更容易发生击穿!这主要因为&+.:大气击穿阈值受大气自由电子密度影响较大!如果重复频率较高!前一脉冲使所经过的大气部分电离!这将为下一个脉冲到达时提供更高的电子密度!从而降低大气击穿阈值’传输通道内大气被

4、加热!这将加快大气的电离速率!使大气击穿所需电场强度降低’通道加热致使空气密度的降低!这也将使大气击穿所需电场场强降低%本文对重复频率传输的+.:脉冲的大气击穿进行了理论研究和数值模拟!给出了脉冲参数与大气击穿阈值的关系%!!基本理论!&!!研究条件!!在一定区域内!发生大气击穿的必要条件是在脉冲持续的时间内必须有自由电子的存在%由于自由电子出现的时间和地点对于+.:发射的时间和地点而言是一个统计分布值!因此+.:在大气传输中发生大气击穿现象也是一个概率分布值%为了便于研究!本文忽略电子出现的概率!即在+.:发射时!认为自由电子的密度"

5、服从经验公式"#为海拔高度#)!)!##(ABC")$"!#-D!"!#$(ABC"%!)%"#,*)#!"#!$%&电离大气形成等离子体!!在+.:电场作用下!大气中的自由电子被加速并与中性粒子发生相互作用!作用的参数主要包括电子的电离频率$动量转换频率$能量转换频率$电子与正离子的复合系数$电子的附着频率等%当+.:脉冲在大气中传输时!大气发生电离!假定产生的等离子体中只有自由电子和一价正离子存在!电子密度可描述为("(#%"E,%&$’F(!F"E)!G"E)*"E式中&"为大气中电子密度’’为由高功率微波以外的电离源产生的总电离

6、强度’!是中性粒子电离频率’!EFFG是电子的附着频率’*是电子与正离子的复合系数%对于以脉冲方式工作的+.:脉冲在大气中的传输而言!+.:脉冲持续的期间!电子产生率比电子的各种损失率要大得多!因此!此时可忽略’F!!G和*的影响!则电子密度方程为"收稿日期!())A>)H>)*’!!修订日期!())A>!(>!(基金项目!国家"*@计划项目资助课题作者简介!曹金坤"!H").#!男!安徽阜阳人!硕士!主要从事电磁场与微波技术$高功率微波技术研究’GIB＿BJ=!!*@&G$C%((/强激光与粒子束第(*卷!!!!!"#!"!!"##$

7、$%""电子与中性粒子碰撞频率和中性粒子的电离频率分别为*"’!$#!%#%&’&()!’!&#&"""#)#$+’$(()%)’"’!!$#$*"’!$#!%&%$#&()!’!%#&"""+’#$(&)"’#$(()%)’("’!!$#$!%#+%&&()*"’!$#(!&&"""(&)#’!#)))!#’$$&!"#$(%#&()%)+’"’!#%&(),!-.")&)*$#&""#)#’!$+’$$’!$!"#$+%)()%($"’!#%&(),!-.")&,#%*$#&""+’#’!$(&)"+#%$$’!$!"#+’%)*&

8、()/"’!#(!&!-.")#+$$#&""""(&)#’!##)))’$$’!$式中’$为大气压强"(##0#12#(!为电子与中性粒子的碰撞频率(’为微波等效电场强度)%!&&!%’%!%’!#’3%