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高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究

李志刚 程立 袁忠才 汪家春 时家明

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高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究

李志刚, 程立, 袁忠才, 汪家春, 时家明

Avalanche effect in plasma under high-power microwave irradiation

Li Zhi-Gang, Cheng Li, Yuan Zhong-Cai, Wang Jia-Chun, Shi Jia-Ming
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  • 研究高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应,对于研究等离子体防护技术具有重要意义.通过采用等离子体流体近似方法,建立等离子体中的波动方程、电子漂移-扩散方程和重物质传递方程,表征电磁波在等离子体中的传播以及等离子体内部带电粒子的变化情况,分析研究了高功率微波作用下雪崩效应的产生过程和变化规律.研究表明,入射电磁波功率决定了雪崩效应的产生;初始电子密度能够影响雪崩效应产生的时间;入射电磁波的激励作用初始表现为集聚效应,当激励能量积累到一定阈值时,雪崩效应才会产生;在雪崩效应产生过程中,等离子体内部电子密度的变化非常迅速并且比较复杂.雪崩效应产生后,等离子体内截止频率会远超过入射波频率,电磁波不能在等离子体中传播,从而起到防护高功率微波的效果.
    High-power microwave (HPM) weapon, which is destructive to electronic systems, has developed rapidly due to the great progress of HPM devices and technologies. Plasma with distinctive electromagnetic characteristics is under advisement as one of potentially effective protection materials. Therefore, research on avalanche ionization effect in plasma caused by the interaction between HPM and plasma is of significance for its HPM protection performance. Based on the method of fluid approximation, the wave equation, the electron drift diffusion equation and the heavy species transport equation, explaining the propagation of microwave and the change of the charged particles inside plasma, are established to study the avalanche ionization effect under the HPM radiation. A two-dimensional physical model is built with the help of software COMSOL according to the plasma protection array designed to disturb the propagation of the HPM pulses. It can be shown that the emergence of avalanche effect is greatly affected by the incident power of microwave, and the generation time would be influenced by the initial electron density. Moreover, it can be observed that the avalanche effect appears only when the plasma array is irradiated for a period of time, which means that the performance of HPM is presented as gathering effect, and a large amount of energy is needed to change the internal particle balance in plasma. In addition, the electron density inside the plasma changes rapidly and complicatedly while the avalanche effect comes into being. Besides, the cutoff frequency of the plasma exceeds the frequency of the incident wave with the increase of electron density, which leads to that the electromagnetic wave cannot propagate in the plasma, so that the plasma can be used to protect the HPM irradiation.
      通信作者: 李志刚, class1_48@163.com
    • 基金项目: 国家高技术研究发展计划(批准号:2015AA8016029A)资助的课题.
      Corresponding author: Li Zhi-Gang, class1_48@163.com
    • Funds: Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2015AA8016029A).
    [1]

    Yu S L 2014 J. Microeaves S2 147 (in Chinese) [余世里 2014 微波学报 S2 147]

    [2]

    Lin M, Xu H J, Wei X L, Liang H 2015 Acta Phys. Sin. 64 055201 (in Chinese) [林敏, 徐浩军, 魏小龙, 梁华 2015 物理学报 64 055201]

    [3]

    Song W, Shao H, Zhang Z Q, Huang H J 2014 Acta Phys. Sin. 63 064101 (in Chinese) [宋玮, 邵浩, 张治强, 黄惠军 2014 物理学报 63 064101]

    [4]

    Krlin P P, Panek R, et al. 2002 Plasma Phys. Control. Fusion 44 159

    [5]

    Kikel A, Altgilbers L, Merritt I, et al. 1998 AIAA 98 2564

    [6]

    He Y W 2005 Chin. J. Radio Sci. 20 392 (in Chinese)[何友文 2005 电波科学学报 20 392]

    [7]

    Yang G, An B L, Xue J S 2009 J. Microeaves 25 74 (in Chinese) [杨耿, 安宝林, 薛晋生 2009 微波学报 25 74]

    [8]

    Yang G, Tan J C, Sheng D Y, Yang Y C 2008 High Power Laser and Particle Beams 20 439 (in Chinese) [杨耿, 谭吉春, 盛定仪, 杨雨川 2008 强激光与粒子束 20 439]]

    [9]

    Yang G, Tan J C, Sheng D Y, Yang Y C 2008 Nuclear Fusion Plasma Phys. 28 90 (in Chinese) [杨耿, 谭吉春, 盛定仪, 杨雨川 2008 核聚变与等离子体物理 28 90]

    [10]

    Shu N, Zhang H, Li G Y 2010 Radio Engineer. 40 55 (in Chinese) [舒楠, 张厚, 李圭源 2010 无线电工程 40 55]

    [11]

    Yuan Z C, Shi J M 2014 Acta Phys. Sin. 63 095202 (in Chinese) [袁忠才, 时家明 2014 物理学报 63 095202]

    [12]

    Liu Y, Cheng L, Wang J C, Wang Q C 2016 Chin. J. Luminescence 37 1293 (in Chinese) [刘洋, 程立, 汪家春, 王启超 2016 发光学报 37 1293]

    [13]

    Hagelaar G J M, Pitchford L C 2005 Plasma Sources Sci. Technol. 14 722

    [14]

    He W, Liu X H, Xian R C, Chen S H 2013 Plasma Sci. Technol. 15 336

  • [1]

    Yu S L 2014 J. Microeaves S2 147 (in Chinese) [余世里 2014 微波学报 S2 147]

    [2]

    Lin M, Xu H J, Wei X L, Liang H 2015 Acta Phys. Sin. 64 055201 (in Chinese) [林敏, 徐浩军, 魏小龙, 梁华 2015 物理学报 64 055201]

    [3]

    Song W, Shao H, Zhang Z Q, Huang H J 2014 Acta Phys. Sin. 63 064101 (in Chinese) [宋玮, 邵浩, 张治强, 黄惠军 2014 物理学报 63 064101]

    [4]

    Krlin P P, Panek R, et al. 2002 Plasma Phys. Control. Fusion 44 159

    [5]

    Kikel A, Altgilbers L, Merritt I, et al. 1998 AIAA 98 2564

    [6]

    He Y W 2005 Chin. J. Radio Sci. 20 392 (in Chinese)[何友文 2005 电波科学学报 20 392]

    [7]

    Yang G, An B L, Xue J S 2009 J. Microeaves 25 74 (in Chinese) [杨耿, 安宝林, 薛晋生 2009 微波学报 25 74]

    [8]

    Yang G, Tan J C, Sheng D Y, Yang Y C 2008 High Power Laser and Particle Beams 20 439 (in Chinese) [杨耿, 谭吉春, 盛定仪, 杨雨川 2008 强激光与粒子束 20 439]]

    [9]

    Yang G, Tan J C, Sheng D Y, Yang Y C 2008 Nuclear Fusion Plasma Phys. 28 90 (in Chinese) [杨耿, 谭吉春, 盛定仪, 杨雨川 2008 核聚变与等离子体物理 28 90]

    [10]

    Shu N, Zhang H, Li G Y 2010 Radio Engineer. 40 55 (in Chinese) [舒楠, 张厚, 李圭源 2010 无线电工程 40 55]

    [11]

    Yuan Z C, Shi J M 2014 Acta Phys. Sin. 63 095202 (in Chinese) [袁忠才, 时家明 2014 物理学报 63 095202]

    [12]

    Liu Y, Cheng L, Wang J C, Wang Q C 2016 Chin. J. Luminescence 37 1293 (in Chinese) [刘洋, 程立, 汪家春, 王启超 2016 发光学报 37 1293]

    [13]

    Hagelaar G J M, Pitchford L C 2005 Plasma Sources Sci. Technol. 14 722

    [14]

    He W, Liu X H, Xian R C, Chen S H 2013 Plasma Sci. Technol. 15 336

  • [1] 杨温渊, 董烨, 孙会芳, 杨郁林, 董志伟. 超宽带等离子体相对论微波噪声放大器的物理分析和数值模拟. 物理学报, 2023, 72(5): 058401. doi: 10.7498/aps.72.20222061
    [2] 李向富, 朱晓禄, 蒋刚. 等离子体对电子间相互作用的屏蔽效应研究. 物理学报, 2023, 72(7): 073102. doi: 10.7498/aps.72.20222339
    [3] 陈泽煜, 彭玉彬, 王瑞, 贺永宁, 崔万照. 微波谐振腔低气压放电等离子体反应动力学过程. 物理学报, 2022, 71(24): 240702. doi: 10.7498/aps.71.20221385
    [4] 赵鑫, 杨晓虎, 张国博, 马燕云, 刘彦鹏, 郁明阳. 高功率激光辐照平面靶后辐射冷却效应对等离子体成丝的影响. 物理学报, 2022, 71(23): 235202. doi: 10.7498/aps.71.20220870
    [5] 邹秀, 刘惠平, 张小楠, 邱明辉. 具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘的结构. 物理学报, 2021, 70(1): 015201. doi: 10.7498/aps.70.20200794
    [6] 徐新荣, 仲丛林, 张铱, 刘峰, 王少义, 谭放, 张玉雪, 周维民, 乔宾. 强激光等离子体相互作用驱动高次谐波与阿秒辐射研究进展. 物理学报, 2021, 70(8): 084206. doi: 10.7498/aps.70.20210339
    [7] 赵晓云, 张丙开, 王春晓, 唐义甲. 电子的非广延分布对等离子体鞘层中二次电子发射的影响. 物理学报, 2019, 68(18): 185204. doi: 10.7498/aps.68.20190225
    [8] 魏进进, 周东方, 余道杰, 胡涛, 侯德亭, 张德伟, 雷雪, 胡俊杰. 高功率微波作用下O-离子解吸附产生种子电子过程. 物理学报, 2016, 65(5): 055202. doi: 10.7498/aps.65.055202
    [9] 袁忠才, 时家明. 高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究. 物理学报, 2014, 63(9): 095202. doi: 10.7498/aps.63.095202
    [10] 苏东, 邓立科, 王斌. 离子通道中的虚阴极辐射. 物理学报, 2014, 63(23): 235204. doi: 10.7498/aps.63.235204
    [11] 宋玮, 邵浩, 张治强, 黄惠军, 李佳伟, 王康懿, 景洪, 刘英君, 崔新红. 射频击穿等离子体对高功率微波传输特性的影响. 物理学报, 2014, 63(6): 064101. doi: 10.7498/aps.63.064101
    [12] 赵国伟, 王之江, 徐跃民, 粱志伟, 徐 杰. 射频激励等离子体非线性效应的FDTD数值模拟. 物理学报, 2007, 56(9): 5304-5308. doi: 10.7498/aps.56.5304
    [13] 张晓丹, 张发荣, Amanatides Elefterious, Mataras Dimitris, 赵 颖. 硅薄膜沉积中等离子体辉光功率和阻抗的测试分析. 物理学报, 2007, 56(9): 5309-5313. doi: 10.7498/aps.56.5309
    [14] 傅文杰, 鄢 扬. 高功率微波在等离子体填充波导中的谐波产生. 物理学报, 2007, 56(12): 7100-7105. doi: 10.7498/aps.56.7100
    [15] 张 丽, 李向东, 蒋新革. 等离子体效应对类氦氖Kα线系电偶极辐射的影响. 物理学报, 2006, 55(9): 4501-4505. doi: 10.7498/aps.55.4501
    [16] 苏纬仪, 杨 涓, 魏 昆, 毛根旺, 何洪庆. 金属平板前等离子体的电磁波功率反射系数计算分析. 物理学报, 2003, 52(12): 3102-3107. doi: 10.7498/aps.52.3102
    [17] 张永辉, 江金生, 常安碧. 空心阴极等离子体电子枪研究. 物理学报, 2003, 52(7): 1676-1681. doi: 10.7498/aps.52.1676
    [18] 张军, 张杰, 陈清, 彭练矛, 苍宇, 王怀斌, 仲佳勇. 利用飞秒激光等离子体产生的超热电子进行衍射实验的可行性研究. 物理学报, 2002, 51(8): 1764-1767. doi: 10.7498/aps.51.1764
    [19] 傅喜泉, 刘承宜, 郭弘. 等离子体中X射线激光传输与电子密度诊断的理论及数值比较. 物理学报, 2002, 51(6): 1326-1331. doi: 10.7498/aps.51.1326
    [20] 何斌, 常铁强, 张家泰, 许林宝. 超强激光场等离子体中电子纵向运动的研究. 物理学报, 2001, 50(10): 1939-1945. doi: 10.7498/aps.50.1939
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-07
  • 修回日期:  2017-07-15
  • 刊出日期:  2017-10-05

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