低溫等離子體用于高功率微波防護(hù)研究

李志剛,邱志楠,汪家春,劉麗萍,王俊儒,陳宗勝

(國(guó)防科技大學(xué) 脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230037)

高功率微波攻擊方式的出現(xiàn)給電子信息系統(tǒng)安全帶來(lái)了巨大的威脅。在未來(lái)信息化條件下,電子信息系統(tǒng)一旦遭受破壞,再?gòu)?qiáng)大的武器裝備也會(huì)變成“瞎子”“聾子”,甚至變?yōu)橐欢褟U鐵?？梢?jiàn),高功率微波攻擊或?qū)⒏淖兾磥?lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的作戰(zhàn)樣式,對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)產(chǎn)生重大影響[1]。

正是認(rèn)識(shí)到高功率微波攻擊的強(qiáng)大作戰(zhàn)效能,美、俄、英、日、法等國(guó)都非常重視,并已有相關(guān)裝備報(bào)道。以美國(guó)為例,已投入使用的裝備有主動(dòng)拒止系統(tǒng)、警惕鷹系統(tǒng)、攜帶高功率微波彈頭的AGM-86巡航導(dǎo)彈以及用于空域封鎖的高功率微波炮等[2]。目前,美軍在這一領(lǐng)域仍在繼續(xù)加大投入。因此,提升裝備對(duì)高功率微波的防護(hù)能力具有重要的軍事效益和現(xiàn)實(shí)意義。

目前基于固態(tài)半導(dǎo)體器件的電路級(jí)防護(hù),其能防護(hù)的最大脈沖功率一般在數(shù)千瓦以內(nèi)(具體數(shù)值與微波脈沖的寬度有關(guān))。對(duì)于更高功率的微波脈沖,可能的防護(hù)方法主要有頻率選擇表面、能量選擇表面和等離子體[3-5]。其中等離子體對(duì)高功率微波的能量具有敏感性,能夠隨著入射高功率微波的強(qiáng)弱改變自身的狀態(tài),進(jìn)而影響入射波的傳輸,兼具了頻率選擇表面和能量選擇表面的優(yōu)點(diǎn),具有很好的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景[6-8]。

本文針對(duì)等離子體對(duì)高功率微波的防護(hù)效果開(kāi)展了仿真與實(shí)驗(yàn)分析,研究了高功率微波與柱狀等離子體陣列相互作用過(guò)程中入射電場(chǎng)隨時(shí)間的演變過(guò)程,分析了等離子體防護(hù)高功率微波的物理過(guò)程和作用機(jī)理;在此基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了等離子體對(duì)高功率微波的防護(hù)效果;最后結(jié)合相關(guān)研究工作,對(duì)基于等離子體的高功率微波防護(hù)技術(shù)需解決的主要問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。

1 基本理論

為了研究在高功率微波作用下等離子體產(chǎn)生的電磁屏蔽作用,本文采用流體近似方法[9-10]進(jìn)行仿真分析,分別采用等離子體中的波動(dòng)方程、電子傳遞方程和重物質(zhì)傳遞方程,對(duì)高功率微波在等離子體中的傳播過(guò)程和等離子體內(nèi)部電子及其他帶電粒子受入射電磁能量的影響進(jìn)行表征。

1.1 波動(dòng)方程

當(dāng)電磁波入射到密度均勻的等離子體上時(shí),電磁波在等離子體中的麥克斯韋方程[11]為:

?×H=jωε0εr·E

(1)

?×E=-jωμ0H

(2)

可得波動(dòng)方程:

(3)

其中:H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;ω為入射波的角頻率;ε0、μ0、k0分別為真空中的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和波數(shù);εr為等離子體的相對(duì)介電常數(shù),可通過(guò)式(4)求解。

(4)

式中,ωp為等離子頻率,υ為電子碰撞頻率,i為復(fù)數(shù)標(biāo)號(hào)。

1.2 電子傳遞方程

在外加電磁場(chǎng)的作用下,等離子體內(nèi)部電子密度的變化可通過(guò)電子傳遞方程來(lái)進(jìn)行分析,方程可表示為:

(5)

Γe=-(μe·E)ne-De·?ne

(6)

其中:ne為電子數(shù)密度;μe、De為電子遷移率和電子擴(kuò)散率;Re為電子源項(xiàng),表征了內(nèi)部碰撞反應(yīng)導(dǎo)致的電子的產(chǎn)生與消失,可通過(guò)式(7)求得。

(7)

式中,xj為j反應(yīng)中碰撞粒子的摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù),kj為j反應(yīng)的反應(yīng)速率,Nn為等離子體中總的粒子數(shù)密度。

1.3 重物質(zhì)傳遞方程

外加電磁場(chǎng)還會(huì)引發(fā)等離子體內(nèi)部其他帶電粒子的分布產(chǎn)生變化,可通過(guò)重物質(zhì)傳遞方程來(lái)進(jìn)行分析,方程為:

(8)

式中:ωk為第k種粒子的摩爾分?jǐn)?shù);ρ為氣體密度;u為平均流體速率;jk為第k種粒子的擴(kuò)散通量,可通過(guò)式(9)表示。

jk=ρωkVk

(9)

(10)

2 仿真計(jì)算模型

采用COMSOL軟件進(jìn)行計(jì)算,具體模型如圖1所示。模型模擬的物理過(guò)程為:電磁波從上邊界進(jìn)入模型,向下傳播,經(jīng)空氣介質(zhì)和等離子體介質(zhì)后,傳輸至設(shè)置的完美匹配層(避免波反射產(chǎn)生的二次激勵(lì))被完全吸收。等離子體層由多根前后延伸的柱狀等離子體單元緊密排列組成,假設(shè)每根等離子體單元的參數(shù)完全一致。

圖1 高功率微波與柱狀等離子體陣列相互作用的仿真計(jì)算模型示意圖Fig.1 Simulation schematic diagram of the interactions between high-power microwave and columnar plasma arrays

假設(shè)入射電磁波場(chǎng)強(qiáng)為E0,電磁波頻率為f,選擇常用的惰性氣體Ar作為工作氣體,所涉及的粒子種類和碰撞反應(yīng)在表1給出[12],氣體壓強(qiáng)為P。

表1 氬等離子體內(nèi)部碰撞反應(yīng)方程及類型

3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

假設(shè)初始時(shí)刻氣體溫度為300 K,壓強(qiáng)為400 Pa,電子初始為均勻分布,密度為1.0×1016m-3,等離子體直徑為25 mm,玻璃管壁厚度為0.3 mm,初始電子能為3 eV,碰撞頻率為5×109Hz,高功率微波頻率為6 GHz,電場(chǎng)強(qiáng)度為2×106V/m,極化方向與等離子體管軸向方向一致,計(jì)算時(shí)間設(shè)置為0～0.001 s。

圖2為不同時(shí)刻計(jì)算模型中的電場(chǎng)分布,圖中采用統(tǒng)一的顏色圖例(E:0～4×106V/m)。高功率微波脈沖從上邊界入射,經(jīng)空氣層和等離子體層后被完美匹配層吸收。

從圖2可以看出,在t=2.15×10-10s時(shí)刻,等離子體區(qū)域的電場(chǎng)值與上下空氣區(qū)域基本一致,說(shuō)明在初始時(shí)刻入射波幾乎可以無(wú)損透過(guò)等離子體區(qū)域。從t=3.98×10-10s到t=5.99×10-10s,可以明顯看到等離子體下方空氣區(qū)域的電場(chǎng)值越來(lái)越小,上方空氣電場(chǎng)峰值不斷增大。說(shuō)明這一時(shí)間內(nèi),等離子體與高功率微波發(fā)生了劇烈的相互作用。從t=9.03×10-10s到t=0.001 s可以看到,等離子體上方區(qū)域存在明顯的駐波場(chǎng),下方區(qū)域僅有很少的能量透過(guò),電場(chǎng)值接近于零,等離子體類似于金屬,對(duì)入射電磁波表現(xiàn)出較強(qiáng)的屏蔽特性。

為了更好地解釋上述結(jié)果的產(chǎn)生原因,圖3給出了計(jì)算模型中軸線電子密度和電場(chǎng)分布的演變曲線,圖中灰色區(qū)域代表玻璃放電管的物理尺寸。

圖3中表征的物理過(guò)程可描述為:①初始階段,等離子體內(nèi)部電子受到高功率微波的加速作用,由低能電子轉(zhuǎn)化為高能電子,并通過(guò)彈性碰撞反應(yīng),將吸收的電磁能量傳遞給中性粒子,提高等離子體的內(nèi)能,在這一階段非彈性碰撞反應(yīng)并不顯著,電子密度增加緩慢,等離子體本身的電磁參數(shù)基本保持不變,入射波幾乎無(wú)損透過(guò)等離子體區(qū)域;②隨著高能電子不斷積累和等離子體內(nèi)能不斷增加,等離子體中非彈性碰撞反應(yīng)速率顯著增大,大量的高能電子被消耗,平均電子能急劇下降,電子雪崩效應(yīng)產(chǎn)生,大量新生電子參與到等離子體振蕩中,等離子體電導(dǎo)率急劇增大,對(duì)入射波的衰減急劇增大,等離子體電磁特性發(fā)生較大改變,其對(duì)入射波的屏蔽作用開(kāi)始顯現(xiàn),透過(guò)等離子體區(qū)域的電磁能量不斷減小;③當(dāng)高能電子被大量消耗,直接電離反應(yīng)(見(jiàn)表1中反應(yīng)4)開(kāi)始減弱,間接電離反應(yīng)(見(jiàn)表1中反應(yīng)5)增強(qiáng),激發(fā)態(tài)氬原子被大量消耗用于繼續(xù)產(chǎn)生新的帶電粒子,等離子體電磁特性進(jìn)一步發(fā)生改變,電導(dǎo)率繼續(xù)增大,入射波在等離子體中趨膚深度不斷減小,等離子體對(duì)入射波的屏蔽性能更為顯著,透過(guò)等離子體區(qū)域的電磁能量進(jìn)一步減小;④隨著等離子體區(qū)域電子密度不斷增加,入射的電磁能量除小部分被吸收外,大部分被反射,等離子體內(nèi)部碰撞反應(yīng)趨于緩和,電子密度增加速率變緩,空間分布開(kāi)始變得均勻,等離子體內(nèi)部逐漸達(dá)到新的平衡。

(a) t=2.15×10-10 s

(d) t=5.99×10-10 s

(g) t=1×10-7 s

(a) t=0 s

(c) t=3.98×10-10 s

從粒子平衡角度對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行解釋:等離子體與高功率微波之間的相互作用是通過(guò)狀態(tài)改變來(lái)維持粒子平衡的。等離子體作為特殊的介質(zhì),內(nèi)部存在一定的粒子平衡,并且具有強(qiáng)烈維持這一平衡的意愿。高功率微波的入射破壞了等離子體中的粒子平衡,等離子體內(nèi)部隨之產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩和碰撞反應(yīng),建立新的狀態(tài)來(lái)平衡外加電磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響。

從上面的物理過(guò)程分析可知,入射的高功率微波會(huì)使等離子體的參數(shù)發(fā)生劇烈變化,特別是其電子密度將急劇增加,這會(huì)引起等離子體電磁參數(shù)發(fā)生同步改變,從而使等離子體對(duì)入射的高功率微波表現(xiàn)出類似金屬的電磁特性,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)入射高功率微波的有效防護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

圖4為實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意圖。實(shí)驗(yàn)中,高功率微波信號(hào)由L波段高功率微波源產(chǎn)生,經(jīng)定向耦合器后分成兩路信號(hào):一路信號(hào)經(jīng)同軸線纜接入高精度示波器,作為參考信號(hào);另一路信號(hào)通過(guò)同軸線纜傳輸至發(fā)射喇叭以產(chǎn)生高功率微波輻射信號(hào),高功率輻射波傳輸通過(guò)等離子體陣列后被接收喇叭接收,而后經(jīng)衰減器、檢波器、同軸線纜接入高精度示波器,作為接收信號(hào)。柱狀等離子體陣列與收發(fā)喇叭口面平行,距離發(fā)射喇叭3 m(滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件),緊貼接收喇叭并使等離子體單元完全覆蓋整個(gè)接收喇叭口面,從而能夠保證到達(dá)等離子體陣列處的高功率微波功率密度與到達(dá)接收口面的功率密度相一致。等離子體采用高頻輝光放電方式產(chǎn)生,其初始平均電子密度約為1.2×1016m-3。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental test

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用1.3 GHz高功率微波源,脈沖寬度為1 000 ns。圖5為脈沖源發(fā)射功率為170 kW時(shí)(此時(shí)輻照到等離子體上的電場(chǎng)強(qiáng)度約為8 100 V/m),等離子體未開(kāi)啟情況下的測(cè)試結(jié)果,其中黃色線為發(fā)射端輸入的參考信號(hào)測(cè)試結(jié)果,綠色線為接收信號(hào)測(cè)試結(jié)果。圖6為脈沖源發(fā)射功率約為144 kW時(shí)(此時(shí)輻照到等離子體上的電場(chǎng)強(qiáng)度約為7 450 V/m),等離子體開(kāi)啟情況下的測(cè)試結(jié)果。對(duì)比圖5和圖6可以看出,等離子體對(duì)1.3 GHz高功率微波產(chǎn)生了明顯的防護(hù)作用(透射衰減大于20 dB)。

圖5 發(fā)射功率為170 kW、等離子體未開(kāi)啟情況下的測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results in condition of emission power 170 kW, plasma turned off

圖6 發(fā)射功率為144 kW、等離子體開(kāi)啟情況下的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results in condition of emission power 144 kW, plasma turned on

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還對(duì)同樣條件下的雙層等離子體進(jìn)行了防護(hù)驗(yàn)證,高功率微波透射衰減值超過(guò)26 dB,顯然,等離子體厚度越大,防護(hù)效果越好。另外,由于是初步探索實(shí)驗(yàn),在設(shè)置上缺少了對(duì)極化方式、微波頻率、等離子體狀態(tài)等多因素的考慮,在后續(xù)的研究工作中將進(jìn)一步完善。

5 結(jié)論

本文基于等離子體流體近似方法,建立了高功率微波與等離子體相互作用仿真計(jì)算模型,研究了高功率微波與柱狀等離子體陣列相互作用過(guò)程中入射電場(chǎng)隨時(shí)間的演變過(guò)程,分析了等離子體防護(hù)高功率微波的機(jī)理和物理過(guò)程。仿真結(jié)果表明,高功率微波通過(guò)等離子體時(shí),會(huì)被后者吸收造成電子雪崩,產(chǎn)生更高電子密度的等離子體,使得等離子體對(duì)高功率微波的反射效應(yīng)不斷增強(qiáng)。這一過(guò)程不斷發(fā)生,直至僅能有少量的微波能量進(jìn)入等離子體,用于后產(chǎn)生電子的維持。此后,當(dāng)進(jìn)入等離子體中的微波能量繼續(xù)增大時(shí),電子雪崩效應(yīng)再次發(fā)生,電子密度也會(huì)相應(yīng)繼續(xù)增大,直至達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡;而當(dāng)高功率微波消失時(shí),由于缺乏外界能量維持,電子和離子迅速?gòu)?fù)合,等離子體迅速恢復(fù)到與高功率微波相互作用前的狀態(tài)。同時(shí),利用本文建立的模型,還可以對(duì)高功率微波與等離子體相互作用過(guò)程中的影響因素(如高功率微波頻率、脈寬、等離子體初始電子密度、初始電子能量、放電氣體種類和氣壓等)進(jìn)行分析。

此外,利用高頻輝光放電產(chǎn)生柱狀等離子體陣列,通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了等離子體對(duì)高功率微波具有很好的防護(hù)作用。目前正在開(kāi)展基于等離子體的高功率微波小型化防護(hù)器件研究,主要解決的問(wèn)題有:①對(duì)于被保護(hù)電子系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)的小功率電磁信號(hào),防護(hù)器件不能影響其正常傳輸;②在高功率微波作用下,等離子體發(fā)生非線性效應(yīng)的時(shí)間盡可能短,以免造成漏過(guò)微波功率過(guò)大問(wèn)題;③等離子體產(chǎn)生非線性效應(yīng)的響應(yīng)頻率要盡可能寬;④等離子體產(chǎn)生裝置自身能經(jīng)得起高功率微波的攻擊,同時(shí)其體積、質(zhì)量和功耗滿足使用要求。