重复频率高功率微波脉冲大气击穿的理论研究

摘要

高功率微波(High Power Microwave，简称HPM)在人工电离层、大气臭氧层的修复和大气击穿自组织等离子体等方面具有重要的应用价值，另外，高功率微波还应用于电子战中。随着高功率微波功率的提高，其引起的大气击穿已成为高功率微波大气传输研究的主要问题。大气击穿引起的脉冲衰减及“尾蚀”效应将限制脉冲照射到目标上的功率，降低脉冲源的利用率，而大气击穿引起的脉冲反射则会损坏自身的发射系统。相对于单脉冲，重复频率高功率微波脉冲更容易导致气体击穿。因此，对重复频率高功率微波脉冲大气传输引起的击穿问题展开研究具有重要的意义。
　　文章首先介绍了HPM大气传输的一些基本概念，并对国内外相关领域的研究现状进行了分析，指出开展重复频率高功率微波脉冲的研究是十分必要的。其次将若干等效电离参数表达式引入到电子雪崩密度方程中，对单脉冲形式的高功率微波在不同压强下的大气击穿阈值进行了预测，并将这些结果与实验进行对比。结果表明，基于Ali等效电离参数推导出的击穿闺值与实验数据一致性较好。在此基础上，本文对临界击穿条件下传输能量密度与微波振幅的关系进行了分析，讨论了不同压强下传输能量密度随功率密度的变化。另外，利用电子流体模型，数值模拟了高功率微波大气传输的时域演化过程。
　　对于重复频率高功率微波脉冲击穿的研究，本文提出了描述电子弛豫过程的体平均流体模型，其由电子密度方程和电子能量守恒方程组成。文中首先通过求解波尔兹曼方程得到了一些较为准确的电离率、碰撞率、能量损失率等参数，通过将这些参数引入到体平均流体模型，对高功率微波脉冲在氩气以及氮气击穿中的电子弛豫过程进行了研究。结果表明，在不同压强下，基于体平均流体模型得到的氩气击穿时间均与粒子模拟蒙特卡罗碰撞(PIC/MCC)的结果符合得很好。另外，在氩气击穿研究中，通过将复合率和扩散率引入体平均流体模型中，对电子弛豫过程中电子密度和电子能量随时间的变化进行了分析，并讨论了压强对电子弛豫过程的影响。结果表明，氩气击穿发生后，电子密度先经历短暂的增长后逐渐下降，相应的电子能量则会在很短的时间内下降到背景温度。随着压强的增加，电子密度下降速度减小，电子能量衰减得更快，以及电子密度的最高值变得更低。与氩气中的情况比较，氮气击穿发生后电子弛豫时间更长。
　　最后文章总结了重复频率HPM脉冲大气击穿研究方面取得的理论成果，在此基础上，展望了重复频率HPM脉冲大气击穿研究接下来的科研方向。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 单脉冲、重复脉冲高功率微波击穿的物理模型

2．1 大气参数

2．2 单脉冲大气击穿的基本理论

2．3 重复频率高功率微波发生大气击穿的条件

2．4 重复频率高功率微波传输模型及求解

2．5 本章小结

第3章 高功率微波大气击穿阈值与最大传输能量密度的研究

3．1 若干类电离参数有效性的评估

3．1．1 基于若干类电离参数表达式的击穿阈值计算

3．1．2 数值模拟结果与实验数据的比较

3．2 基于Ali表达式的微波脉冲最大传输能量密度研究

3．3 高功率微波大气传输的数值模拟

3．4 本章小结

第4章 电子弛豫过程的研究

4．1 氩气击穿中电子弛豫过程的研究

4．1．1 电子-离子的复合率及电子的扩散

4．1．2 压强对电子弛豫过程的影响

4．1．3 电子弛豫过程中电子密度及能量的变化

4．2 氮气击穿中电子弛豫过程的研究

4．3 本章小结

全文总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文