高功率微波脉冲大气击穿及其对能量传输的影响
微波脉冲大气击穿临界场强估计
微波脉冲大气击穿临界场强估计
杨浩;黄诺慈;刘星辰;郑强林;鲍向阳;闫二艳
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2024(36)4
【摘要】针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数,发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。
研究发现,微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数,由
此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法,并定义在脉冲击穿概率大于
一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。
推导了脉冲击穿概率的估计公式,并对估
计量的性能进行了分析,随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。
实验结果表明,在一定范围内,重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生
率和脉宽成反比,能用于估计脉冲击穿概率,进而给出击穿临界场强。
【总页数】5页(P222-226)
【作者】杨浩;黄诺慈;刘星辰;郑强林;鲍向阳;闫二艳
【作者单位】中国工程物理研究院应用电子学研究所;高功率微波技术重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】O531
【相关文献】
1.短脉冲高功率微波大气电离与击穿数值分析
2.高功率微波脉冲大气击穿概率研究
3.重复频率高功率微波脉冲的大气击穿
4.短脉冲高功率微波大气击穿研究
5.重复频率微波脉冲大气击穿延时与电离率
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高功率微波武器
高功率微波武器高功率微波武器是一种利用高功率微波波段的电磁辐射来攻击、干扰或摧毁目标的装置。
它运用微波的能量来破坏目标的电子设备或系统，从而实现其战术或战略目标。
这种武器通常以电磁波形式工作，具有较高的功率和较宽的频率范围。
高功率微波武器可以用于军事领域，用来干扰或禁止敌方的通信、雷达系统，或者直接破坏敌方的电子设备。
它也可以用于执法或安全领域，用来干扰恶意使用无线电设备的犯罪分子。
高功率微波武器的工作原理通常是通过产生和放大微波信号，然后以辐射的形式传输至目标位置。
当微波辐射与目标的电子设备或系统相互作用时，会引发电磁干扰或破坏效应。
这些效应可能包括电磁波干扰、电路中断、设备损坏甚至系统的失效，使目标无法正常运作。
尽管高功率微波武器具有许多潜在的应用领域和战术优势，但其使用也存在一些争议和法律限制。
使用高功率微波武器可能对目标及其周围环境造成意外的伤害或干扰。
因此，在使用高功率微波武器时需要遵守相关的国际法律和人道法规。
总之，高功率微波武器是一种强大而复杂的技术装置，具有广泛的应用前景。
然而，使用这种武器需要审慎考虑其潜在的效果和法律限制，以确保正当使用和避免不必要的伤害。
高功率微波武器是一种利用微波辐射来攻击和破坏目标的武器系统。
其工作原理基于高功率微波（High Power Microwave，HPM）的技术。
HPM武器通过产生和发射大量的高能量微波辐射，将这些微波能量聚焦到目标上，从而引发目标中电子设备的破坏或故障。
它的工作过程可以简述为以下几个步骤：微波辐射发射。
HPM武器通过特定的发射机制产生高功率的微波辐射。
这些微波辐射可以来自特定频率的雷达系统、电波天线或其他高能量辐射源。
微波辐射发射。
HPM武器通过特定的发射机制产生高功率的微波辐射。
这些微波辐射可以来自特定频率的雷达系统、电波天线或其他高能量辐射源。
微波辐射导向。
产生的微波辐射通过导向系统，如聚焦器或波导，被引导到特定的目标上。
高功率微波窗口击穿及馈源技术
高功率微波窗口击穿及馈源技术高功率微波窗口击穿及馈源技术一、引言近年来，随着无线通信和雷达技术的迅猛发展，高功率微波（High Power Microwave，简称HPM）技术越来越受到人们的关注。
HPM技术具有覆盖范围大、穿透力强、打击效果明显等特点，在军事和民用领域都有广泛应用。
然而，在实际使用中，高功率微波所面临的窗口击穿问题成为制约其应用的一个重要因素。
因此，研究高功率微波窗口击穿的机理以及相关的馈源技术对于提高其稳定性和可靠性具有重要意义。
二、高功率微波窗口击穿机理1. 电子碰撞击穿当高功率微波射入窗口材料时，微波与窗口内的气体分子发生碰撞，产生电子。
这些电子会与窗口材料相互作用，使得窗口材料内的电场分布产生变化，最终导致窗口击穿。
2. 电介质击穿当高功率微波射入窗口材料时，由于强电场的作用，窗口材料中的电荷会重新分布，导致局部电场增强。
当局部电场超过窗口材料的击穿强度时，窗口发生击穿。
3. 电弧击穿当高功率微波射入窗口材料时，窗口表面的气体被电离形成等离子体，并且产生电子和正离子。
当等离子体电流密度过高时，导致局部温度升高，从而形成电弧，导致窗口发生击穿。
三、高功率微波窗口击穿的影响因素1. 窗口材料的特性窗口材料的特性包括介电常数、损耗因子、震荡频率等。
这些特性直接影响了窗口材料的耐电压和耐电流能力，从而影响了窗口的耐压能力。
2. 窗口结构的设计窗口的结构设计包括形状、大小、厚度等。
不同的设计参数会对窗口的脆性、热阻、耐热能力等产生影响，进而影响窗口的耐压能力。
3. 窗口周围环境条件窗口周围环境条件包括气体的种类、压力、温度等。
这些条件会直接影响窗口的电离和电子撞击等现象的发生概率，进而影响窗口的耐压能力。
四、高功率微波窗口击穿控制技术1. 窗口材料的优化选择选择合适的窗口材料对于提高微波窗口的耐压能力至关重要。
合适的窗口材料需要具有高耐压强度、低损耗、低电离特性等特点。
2. 窗口结构的优化设计通过优化窗口的形状、大小、厚度等设计参数，可以改善窗口的脆性、热阻、耐热能力等特性，进而提高窗口的耐压能力。
高功率微波脉冲大气传输的一些规律
高功率微波脉冲大气传输的一些规律
周光镒;朱红刚
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】1996(8)4
【摘要】推导了高功率微波脉部大气击穿阈值功率公式，估计了脉冲从地面向上传输的潜行时间，数值模拟了ＨＰＭ大气传输的物理图象和潜行时间的变化。
【总页数】1页(P485)
【作者】周光镒;朱红刚
【作者单位】北京应用物理与计算数学研究所;北京应用物理与计算数学研究所【正文语种】中文
【中图分类】TN015
【相关文献】
1.L波段高功率微波脉冲压缩双路并联功率合成结构设计 [J], 沈旭明;金晓;和天慧
2.一种新型的高功率微波脉冲功率源研究 [J], 廖旭;任学藻;周自刚;李正红
3.小型化高功率微波脉冲功率放大器的实现 [J], 罗虎存; 刘鹏
4.X波段高功率微波脉冲鉴相器设计与实现 [J], 王益;郭晓东;张翠翠;王建忠;何斌
5.高功率微波脉冲功率驱动源研究进展 [J], 张军;钟辉煌;杨汉武
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高功率微波在低电离层中传输特性分析
1240
强激光与粒子束
第 17 卷
2 HPM 在低电离层传输时的非线性衰减计算
自由电子在 H PM 作用下被加速到极高的速度 ,电子和中性粒子的碰撞频率与外加等效电场 、大气压强
1 电离产生的吸收衰减
对非磁化碰撞的等离子体 ,等效介电常数为εe =εr - ε′r 。由 Appleto n2Hart ree (A2H) 公式可推出[5]
εr
=
1
-
ωp2 ω2 +ν2m
,
ε′r
=
νm ωp2 ωω2 +ν2m
(1)
式中 :ωp
=
e( mε0 )
-
1/ 2
N
1/ e
2
是电子密度为
(5)
νm
p
= 5. 2 ×108 ( Ee / p) 1/ 2 , 120
≤ Ee
p
≤3 000
式中 : p = 760exp ( - h/ H) 为大气压强 (133. 3 Pa) ; h 是大气高度 ; H 为均值大气高度 ,平均值为 7 km ; Ee 为微 波的等效电场强度 ,它与电场强度幅值 Em 的关系为
kr
=
1ω 2c
ε2r +ε′r2 +εr 1/ 2 = β
(3)
式中 :α表示波通过吸收介质时场的衰减系数 ;β表示电磁波的相位传播速率 。电波在电离层中的折射指数 n
和衰减系数α可分别表示为
n=
1
-
ωp2 ω2 +ν2m
高功率微波大气击穿区域分布问题研究
[2][3][6]
：
p
2 vm vi
(2)
其中， 为 HPM 入射波频率； 为空气的极化率； vm 为电子在 HPM 电场作用下的碰 撞频率； i 为电子与中性粒子碰撞并发生雪崩电离时的电离频率。 按照上述 HPM 大气击穿定义，可仿真得到如图 1 所示的不同频率条件下大气击穿阈值 随高度变化曲线。从图中可以看出，HPM 大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后逐渐 增大，在 30～60km 处存在一个最小值。从图中可以看出，在海平面附近高度 HPM 大气击 穿阈值较高，这是因为：一方面低空中自由电子很难独立存在，电子浓度较小；另一方面低 空中大气稠密，大气压强较大，不易发生大气电离，因此低空中 HPM 大气击穿阈值较高。 随着高度的上升，空气逐渐稀薄，压强迅速减小，空气电离相对容易发生，并且空气中的自 由电子浓度也逐渐增加，因此 HPM 大气击穿阈值逐步减小。当上升到一定高度时，虽然大 气中自由电子数逐渐增大，但由于空气越来越稀薄，电子的自由程变大，从而与中性粒子的 碰撞电离概率减小，因此 HPM 的大气击穿阈值反而逐渐增大。
图 2 典型 HPM 天线近场分布
图 3 击穿阈值和天线辐射场强随高度变化关系曲线
2.2 天线口径面和近场不击穿远场也可能击穿 由于大气击穿阈值随着高度的增加存在一个拐点，即使天线近场不满足大气击穿条件， 但是在远场区，随着高度的增加，场强和阈值均在减小，在某一高度，场强有可能大于大气 击穿阈值，亦即满足大气击穿条件。依据击穿阈值和天线辐射场与高度的变化曲线规律，当 HPM 口径面和近场区辐射场均小于击穿阈值时，亦有可能两条曲线在远场区存在交点，即 说明存在 HPM 辐射源未击穿而传输路径中间可能发生大气击穿的情况，以此判定 HPM 天 线近场不击穿而远场却满足击穿的条件。 图 4 表示的是 HPM 频率 9GHz、脉宽 100ns、发射点为海拔高度 0km 时，天线口径面 分别为 15m 和 20m 情况下击穿阈值、场强随高度的变化关系曲线。此时天线口径面的场强 值在 35kv/cm 以下， 该值小于天线常用面材料的击穿阈值， 且小于天线近场的大气击穿阈值， 即在天线口面和天线近场均没有发生大气击穿，但在海拔 35km 左右高空（远场区）却满足 大气击穿条件，且击穿阈值在 2~3kv/cm 量级。 图 5 表示的是 HPM 频率 9GHz、脉宽 50ns、发射点为海拔高度 0km 时，天线口径面分 别为 15m 和 20m 情况下击穿阈值、场强随高度的变化关系曲线。此时天线口径面的场强值 在 35kv/cm 以下，该值小于天线常用面材料的击穿阈值，且小于天线近场的大气击穿阈值， 即在天线口面和天线近场均没有发生大气击穿，但在海拔 35km 左右高空（远场区）却满足 大气击穿条件，且击穿阈值在 2~3.5kv/cm 量级。 图 6 表示的是 HPM 频率 1GHz、脉宽 100ns、发射点为海拔高度 0km 时，天线口径面 分别为 23m 和 25m 情况下击穿阈值、场强随高度的变化关系曲线。此时天线口径面的场强 值在 40kv/cm 以下， 该值仍然小于天线常用面材料的击穿阈值， 且小于天线近场的大气击穿 阈值，即在天线口面和天线近场均没有发生大气击穿，但在海拔 50km 左右高空（远场区）
高功率微波武器技术综述
高功率微波武器技术综述高功率微波武器是利用非核方式在极短时间内产生非常高的微波功率以极窄的定向波束直接射向目标雷达等微波电子设备，摧毁敌方雷达等微波电子设备和杀伤敌方人员的一种定向能武器。
高功率微波源一般采用虚阴极振荡器，能产生吉瓦以上的高功率微波，微波源产生的微波经天线发射出去。
一、驱动源技术（一）脉冲形成线脉冲形成线（PFL）是传输线的一种，主要用来将高电压静电储能转换为一定脉宽、一定幅值的高电压脉冲，与普通的传输线最大的区别在于其可以产生高电压脉冲。
PFL是脉冲功率装置的重要组成部分，它的发展与应用，与脉冲功率技术联系紧密。
早期的脉冲功率装置，由于受电感、电容的限制，输出脉冲的脉宽较长，上升时间也较长，功率较低，如果直接连接负载，不但得不到高功率，而且负载往往也不能正常工作。
因此，人们将传输线引入脉冲功率装置，得到了脉宽为十纳秒到百纳秒量级，上升时间为一纳秒到十纳秒量级的脉冲高电压。
匹配阻抗和输出脉宽是脉冲形成线的两个重要技术参数，设计脉冲形成线的难点是保证其在额定电压内不被击穿。
随着人们对脉冲功率技术研究的不断深入，PFL在民用和军事领域的应用价值也变得越来越重要。
目前，最常用的PFL是同轴PFL和螺旋PFL。
同轴PFL 又分为两种：单同轴PFL和双同轴PFL。
一般来说，单同轴PFL的同轴结构由两个互相绝缘的同轴直导体筒构成，其中外筒接地，内筒与充电电源相接；而双同轴PFL的同轴结构由三个相互绝缘的同轴直导体筒构成，其中外筒接地，内筒通过一定电感与外筒相接，中筒与充电电源相接。
双同轴PFL 也被称为Blumlein线。
如果将单同轴PFL的内筒或者Blumlein线的中筒（有时还包括Blumlein线的内筒），换成螺旋线或螺旋带绕制而成的螺旋线筒，其他部分仍旧使用直导体筒，同轴PFL就变成了螺旋PFL。
与普通的同轴PFL相比，螺旋PFL拥有较高的特征阻抗，可以产生较长的脉冲，因此，使用了螺旋PFL 的脉冲功率装置可以产生更长的脉冲高电压。
高强度电磁脉冲对800千伏输电系统的影响评估
高强度电磁脉冲对800千伏输电系统的影响评估高强度电磁脉冲 (HEMP) 是一种由核爆炸等强大能量释放而产生的大范围电磁辐射现象。
当这种脉冲波传播到800千伏输电系统时，可能对其造成严重影响。
因此，本文旨在评估高强度电磁脉冲对800千伏输电系统的影响。
首先，我们需要了解高强度电磁脉冲的特性。
高强度电磁脉冲是由强大的电磁脉冲波组成，其频率范围通常为几十千兆赫兹至几百千兆赫兹。
这种辐射能量非常高，具有极强的穿透力和破坏力，可以瞬间使电气设备发生短路、电子元器件失效甚至损坏。
对于800千伏输电系统来说，其运行中可能会受到各种来自自然和人为因素的干扰，如雷电、电力突变等。
高强度电磁脉冲属于这一类干扰因素之一，但其影响范围和破坏力远远超出了其他干扰因素。
因此，进行高强度电磁脉冲对800千伏输电系统的影响评估非常重要。
在评估过程中，首先需要考虑的是高强度电磁脉冲波的传播路径。
根据电磁学原理，电磁脉冲波在传播过程中会受到地球的电离层、地表等各种因素的影响，从而呈现出不同的传播特性。
因此，需要对800千伏输电系统所处的位置、地形、气象条件等进行详细分析，并综合考虑高强度电磁脉冲波的传播范围、传播衰减等因素。
其次，需要评估高强度电磁脉冲波对800千伏输电系统各个组成部分的影响。
800千伏输电系统通常由变电站、变压器、导线和绝缘支撑系统等多个部分组成。
高强度电磁脉冲波能够通过空气、物体等途径对这些部分产生影响。
因此，需要对每个组成部分的抗电磁脉冲能力进行评估，并根据其特性和位置进行分析和判断。
另外，需要考虑高强度电磁脉冲波对800千伏输电系统运行稳定性的影响。
由于高强度电磁脉冲波的强大穿透力和破坏力，可能导致系统中断、短路等故障，进而影响整个输电系统的运行稳定性。
因此，需要评估高强度电磁脉冲波对系统的影响程度，并提出相应的应对措施，以保障系统的可靠运行。
最后，需要考虑高强度电磁脉冲波的预防和应对方法。
在评估的基础上，应采取措施来预防和减轻高强度电磁脉冲对800千伏输电系统造成的影响。
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16卷3期2000年9月 微 波 学 报JO U RN AL O F M I CRO W AV ESV ol.16N o.3 Sep.2000高功率微波脉冲大气击穿及其对能量传输的影响Air Breakdown of High Power Microwave Pulse andIts Effect on Transmitted Energy段耀勇 陈雨生(西北核技术研究所,西安710024)DUA N Yaoyong,CHEN Yusheng(N orthwest Institute of N uclear Technology,Xi'a n710024)【摘要】 本文应用较宽范围的电子与大气中性分子相互作用参数研究了高功率微波脉冲的大气击穿;定义高功率微波脉冲的逃逸时间;分析传输能流密度与输入功率密度的关系。
研究了大量参数对输出能量的影响。
关键词: 高功率微波脉冲,大气击穿,传输能量Abstract: In this pa pe r,air br ea kdo wn by hig h po we r micr ow av e pulse is modeled using the pa rame ters in com par ativ ely wide regio n fo r th e inte ractio n betw een elec tro ns and air neutra lmo lecules.Escaping time for high pow er micro wav e pulse is defined,and the r elation betw eentr ansmitted energ y density and incident pow er density is anly zed.T he effec ts o f a qua ntity o fpa rame ters o n the t ransmit ted energ y a re studied.Key terms: H igh pow er micro w av e pulse,Air br ea kdow n,T ra nsmitted energ y一、引 言随着高功率微波源的发展,高功率微波脉冲大气传输及其击穿一直被是研究的课题之一。
它的某些应用涉及到地-空通信,大气中产生人工等离子体层及高功率微波天线等〔1〕。
高功率微波电场使高速运动电子与中性空气分子碰撞,由于所谓的雪崩电离,使高功率微波传输的路径中产生大量电子,导致空气击穿。
大气击穿等离子体强烈衰减或反射脉冲的尾部,这就是“尾蚀”。
脉冲的尾蚀大小取决于微波脉冲的电场强度、载频、脉冲宽度和大气压强等。
可预期的是,在一定的脉冲参数条件下,Paschen曲线〔2〕的最低值处(或压强条件下),尾蚀最强烈。
无论是对高功率微波脉冲进行具体流体力学模拟〔3〕,还是仅限于研究高功率微波的击穿,都需要对电子与空气分子碰撞的有关参数有足够的了解。
为此,Ali较全面地总结了大量的实收稿日期:1999-01-25;定稿日期:2000-01-25。
验和理论结果〔4〕,应用数值方法分段拟合了电子与空气分子相互作用过程中电子漂移速度、动量转换频率、电离碰撞频率及电子温度等,为高功率微波大气击穿和传输提供了可靠的条件。
本文利用文献〔4〕中提供的有关公式对高功率微波击穿、高功率微波脉冲无反射传输的时间及给定脉冲条件下最大传输的能量等进行了详细计算。
它比文献〔5〕提供的结果更可靠、丰富,所考虑的参数变化范围更广泛。
二、电子与空气分子相互作用参数和大气击穿曲线2.1作用参数电子与中性大气分子相互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、电子与空气分子的复合率、吸附率及电子散射等。
对于主要以脉冲方式工作的高功率微波的大气传输而言,电子产生率(即电离率)比电子的各种损失率要大得多(否则击穿不可能发生),所以在电子密度方程中可忽略电子的各项损失率,即n t =v i n(1)其中n 是电子数密度,单位:cm -3,v i 为电离频率,根据文献〔4〕,它与有效电场和大气压强的关系为,v i =〔1.32+0.054(E e /p )〕×107p ×ex p(-208p /E e ) 30≤E e /p ≤54(2)v i =〔5.0+0.19(E e /p )〕×107p ×ex p(-273.8p /E e ) 54<E e /p ≤120(3)v i =54.08×106(E e /p )1/2×p ×ex p(-359p /E e ) 120<E e /p ≤3000(4)其中p 代表压强,单位是Tor r ,E e 代表微波的有效电场强度,单位是V /cm 。
定义为E e =E rms =(v 2m v 2m +k2)1/2(5)式中E rms 为微波均方根电场,k 为微波角频率,v m 电子动量转换频率,它与有效电场和压强的关系为,v m = 3.24×108(E e /p )1+0.04(E e /p )×p 30≤E e /p ≤54(6)v m = 2.93×108(E e /p )1+0.04(E e /p )×p 54<E e /p ≤120(7)v m = 5.2×108(E e /p )1/2×p 120<E e /p ≤3000(8)2.2击穿曲线应用矩形脉冲,即忽略脉冲上升前沿和下降后沿,在此基础上可认为式(1)中的电离频率v i 在脉冲通过期间内与时间无关。
则n (t )=n 0ex p(v i t )(9)其中n 0代表到达该处之前的初始电子密度。
由式(9)知,电子密度按指数迅速增大。
脉冲经过时电子密度为,n (f )=n 0ex p(g i f )(10)其中f 为脉冲宽度。
由式(10)得,g i =〔ln(n (f )n 0)〕/f(11)26116卷3期 段耀勇等:高功率微波脉冲大气击穿及其对能量传输的影响 文献〔4〕选取n (f )/n 0为108作为大气击穿的电子密度要求,文献〔5〕选其值为1012。
但多数选取108。
无论选取哪一种,对击穿曲线影响不大,因为n (f )/n 0包含于对数中,v i 对于n (f )/n 0的取值并不敏感。
本文取前者,即v i =18.4/f(12)将击穿条件式(12)与式(2)、(3)、(4)联合求解,就得到第一类击穿曲线(E e /P ～P τ),见图1,图1中还包含文献〔4〕高功率微波击穿实验结果。
图1 理论击穿曲线与实验结果的比较另一种(较早的一种)描述击穿的方式是:将脉冲宽度τ和脉冲频率f 作为参数,绘出脉冲均方根电场E rms 与压强P 的关系曲线。
这种描述方式比前一种方式更细致,它可以明显地反映击穿电场与各种参数的关系,与实验结果比较更直接。
更重要的是,这种击穿描述方式已考虑了动量转换频率对电场和压强的双重依赖。
文献〔5〕在一较小的E e /P 取值范围内考虑了g m 对压强P 的影响,即当30≤E e /P ≤120时,g m ≈5.0×109P ,忽略电场的影响。
这种简化不能推广到更高的能域范围。
随着E e /P 的增大(见式(8)),v m 变化范围较大。
本文的求解方法是,首先由式(12)、(2)、(3)、(4)分段求出对应E e /P 的P t 值,然后取定f 或f ,通过式(5)～(8)求出相应的E rms 和P 。
结果见图2、3。
图2 脉宽给定,不同频率的击穿曲线图3 频率给定,不同脉宽的击穿曲线从图2可见,当脉宽给定时,随着频率f 的增大,击穿电场增大,极小击穿电场对应压强p min 也增大。
当压强大于100Torr 时,频率影响较弱。
从图3看出,频率给定,随着脉宽f 的增大,相应的击穿电场变小。
脉宽对P min 的影响较弱。
图中的曲线不很光滑,主要因文献〔4〕中各相互作用参数是分段拟合的。
以后各图中均或多或少有此现象,不再说明。
三、逃逸时间在脉冲通过的路径上建立可反射微波能量的等离子体屏需要一定的时间,由此可定义逃262微 波 学 报2000年9月逸时间的概念。
这概念对后一节将讨论的能量传输问题是重要的。
设t e 为逃逸时间,即n (t e )=n 0ex p (v i t e )对应的电子等离子体频率k p 与微波脉冲的角频率k 相等。
由定义,t e =〔lnn (t e )n 0〕/v i (13)一旦知道脉冲的相关参数和电子的初始密度,相应t e 即可求出。
与前类似,由于t e 对n (t e )/n 0依赖不敏感,依然可定义n (t e )/n 0为108。
该定义不但考虑到式(13)的数学性质,还将被下面的实验结果(见图6)证明是合理的。
图4 频率给定,功率密度对应的逃逸时间图5 压强给定,功率密度对应的逃逸时间根据式(13)及式(2)～(8)定义,可绘图4和图5。
图中功率密度是通过下式转换来的S =E 2rms /377(14)四、无反射条件下的最大能量传输为了定量研究发射功率密度S (W /cm 2)与无反射传输能流密度X (J /cm 2)的关系,可进一步定义下式,X (S )≈S f f <t e (15)X (S )≈St e (S ) f >t e(16)其中式(15)的物理意义是,当脉宽比逃逸时间短时,脉冲能量将全部传输出去,不发生微波击穿问题;式(16)指出,当脉宽比相应的逃逸时间长时,将发生微波击穿,并且认为一旦发生击穿,脉冲的后面部分被全部反射掉。
两者都没有考虑微波电离空气的能量损耗。
图6是利用式(16)计算的理论结果与文献〔5,6〕的实验结果的比较。
与研究击穿曲线类似,为了研究脉冲参数f 与f 和大气参数p 的影响,我们计算了一系列参数曲线,见图7～图9。
从图6～图9上可以看出,X ～S 曲线与击穿曲线有类似之处,当压强和微波频率给定时,对应最小的能流密度存在一极小的功率密度S min 。
压强较小时(见图8),S min 随频率增加而增大;压强较大时(见图9),S min 对频率的依赖较弱。
26316卷3期 段耀勇等:高功率微波脉冲大气击穿及其对能量传输的影响 图6 理论与实验结果的比较 图7 频率给定,不同压强功率密度与能流密度的关系图8 压强较小时功率密度与能流密度的关系图9 压强较大时功率密度与能流密度的关系五、结 论应用范围较宽的若干组电子与中性大气分子相互作用参数计算了两种类型的击穿曲线,充分考虑电子动量转移频率对高功率微波电场和大气压强的依赖关系。