低溫等離子體用于高功率微波防護研究

李志剛,邱志楠,汪家春,劉麗萍,王俊儒,陳宗勝

(國防科技大學 脈沖功率激光技術國家重點實驗室, 安徽 合肥 230037)

高功率微波攻擊方式的出現給電子信息系統安全帶來了巨大的威脅。在未來信息化條件下,電子信息系統一旦遭受破壞,再強大的武器裝備也會變成“瞎子”“聾子”,甚至變為一堆廢鐵?？梢?高功率微波攻擊或將改變未來戰爭的作戰樣式,對未來戰爭形態產生重大影響[1]。

正是認識到高功率微波攻擊的強大作戰效能,美、俄、英、日、法等國都非常重視,并已有相關裝備報道。以美國為例,已投入使用的裝備有主動拒止系統、警惕鷹系統、攜帶高功率微波彈頭的AGM-86巡航導彈以及用于空域封鎖的高功率微波炮等[2]。目前,美軍在這一領域仍在繼續加大投入。因此,提升裝備對高功率微波的防護能力具有重要的軍事效益和現實意義。

目前基于固態半導體器件的電路級防護,其能防護的最大脈沖功率一般在數千瓦以內(具體數值與微波脈沖的寬度有關)。對于更高功率的微波脈沖,可能的防護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弱改變自身的狀態,進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點,具有很好的研究價值和應用前景[6-8]。

本文針對等離子體對高功率微波的防護效果開展了仿真與實驗分析,研究了高功率微波與柱狀等離子體陣列相互作用過程中入射電場隨時間的演變過程,分析了等離子體防護高功率微波的物理過程和作用機理;在此基礎上,通過實驗驗證了等離子體對高功率微波的防護效果;最后結合相關研究工作,對基于等離子體的高功率微波防護技術需解決的主要問題進行了總結。

1 基本理論

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

1.1 波動方程

當電磁波入射到密度均勻的等離子體上時,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)

可得波動方程:

(3)

其中:H為磁場強度;E為電場強度;ω為入射波的角頻率;ε0、μ0、k0分別為真空中的介電常數、磁導率和波數;εr為等離子體的相對介電常數,可通過式(4)求解。

(4)

式中,ωp為等離子頻率,υ為電子碰撞頻率,i為復數標號。

1.2 電子傳遞方程

在外加電磁場的作用下,等離子體內部電子密度的變化可通過電子傳遞方程來進行分析,方程可表示為:

(5)

Γe=-(μe·E)ne-De·?ne

(6)

其中:ne為電子數密度;μe、De為電子遷移率和電子擴散率;Re為電子源項,表征了內部碰撞反應導致的電子的產生與消失,可通過式(7)求得。

(7)

式中,xj為j反應中碰撞粒子的摩爾質量分數,kj為j反應的反應速率,Nn為等離子體中總的粒子數密度。

1.3 重物質傳遞方程

外加電磁場還會引發等離子體內部其他帶電粒子的分布產生變化,可通過重物質傳遞方程來進行分析,方程為:

(8)

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

jk=ρωkVk

(9)

(10)

2 仿真計算模型

采用COMSOL軟件進行計算,具體模型如圖1所示。模型模擬的物理過程為:電磁波從上邊界進入模型,向下傳播,經空氣介質和等離子體介質后,傳輸至設置的完美匹配層(避免波反射產生的二次激勵)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,假設每根等離子體單元的參數完全一致。

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

假設入射電磁波場強為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在表1給出[12],氣體壓強為P。

表1 氬等離子體內部碰撞反應方程及類型

3 仿真計算結果分析

假設初始時刻氣體溫度為300 K,壓強為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,電場強度為2×106V/m,極化方向與等離子體管軸向方向一致,計算時間設置為0～0.001 s。

圖2為不同時刻計算模型中的電場分布,圖中采用統一的顏色圖例(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時刻,等離子體區域的電場值與上下空氣區域基本一致,說明在初始時刻入射波幾乎可以無損透過等離子體區域。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域的電場值越來越小,上方空氣電場峰值不斷增大。說明這一時間內,等離子體與高功率微波發生了劇烈的相互作用。從t=9.03×10-10s到t=0.001 s可以看到,等離子體上方區域存在明顯的駐波場,下方區域僅有很少的能量透過,電場值接近于零,等離子體類似于金屬,對入射電磁波表現出較強的屏蔽特性。

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

圖3中表征的物理過程可描述為:①初始階段,等離子體內部電子受到高功率微波的加速作用,由低能電子轉化為高能電子,并通過彈性碰撞反應,將吸收的電磁能量傳遞給中性粒子,提高等離子體的內能,在這一階段非彈性碰撞反應并不顯著,電子密度增加緩慢,等離子體本身的電磁參數基本保持不變,入射波幾乎無損透過等離子體區域;②隨著高能電子不斷積累和等離子體內能不斷增加,等離子體中非彈性碰撞反應速率顯著增大,大量的高能電子被消耗,平均電子能急劇下降,電子雪崩效應產生,大量新生電子參與到等離子體振蕩中,等離子體電導率急劇增大,對入射波的衰減急劇增大,等離子體電磁特性發生較大改變,其對入射波的屏蔽作用開始顯現,透過等離子體區域的電磁能量不斷減小;③當高能電子被大量消耗,直接電離反應(見表1中反應4)開始減弱,間接電離反應(見表1中反應5)增強,激發態氬原子被大量消耗用于繼續產生新的帶電粒子,等離子體電磁特性進一步發生改變,電導率繼續增大,入射波在等離子體中趨膚深度不斷減小,等離子體對入射波的屏蔽性能更為顯著,透過等離子體區域的電磁能量進一步減小;④隨著等離子體區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,等離子體內部碰撞反應趨于緩和,電子密度增加速率變緩,空間分布開始變得均勻,等離子體內部逐漸達到新的平衡。

(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

從粒子平衡角度對這一過程進行解釋:等離子體與高功率微波之間的相互作用是通過狀態改變來維持粒子平衡的。等離子體作為特殊的介質,內部存在一定的粒子平衡,并且具有強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,等離子體內部隨之產生強烈的振蕩和碰撞反應,建立新的狀態來平衡外加電磁場產生的影響。

從上面的物理過程分析可知,入射的高功率微波會使等離子體的參數發生劇烈變化,特別是其電子密度將急劇增加,這會引起等離子體電磁參數發生同步改變,從而使等離子體對入射的高功率微波表現出類似金屬的電磁特性,最終實現對入射高功率微波的有效防護。

4 實驗驗證

4.1 實驗方案

圖4為實驗設備連接示意圖。實驗中,高功率微波信號由L波段高功率微波源產生,經定向耦合器后分成兩路信號:一路信號經同軸線纜接入高精度示波器,作為參考信號;另一路信號通過同軸線纜傳輸至發射喇叭以產生高功率微波輻射信號,高功率輻射波傳輸通過等離子體陣列后被接收喇叭接收,而后經衰減器、檢波器、同軸線纜接入高精度示波器,作為接收信號。柱狀等離子體陣列與收發喇叭口面平行,距離發射喇叭3 m(滿足遠場條件),緊貼接收喇叭并使等離子體單元完全覆蓋整個接收喇叭口面,從而能夠保證到達等離子體陣列處的高功率微波功率密度與到達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生,其初始平均電子密度約為1.2×1016m-3。

圖4 實驗測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental test

4.2 實驗結果

實驗采用1.3 GHz高功率微波源,脈沖寬度為1 000 ns。圖5為脈沖源發射功率為170 kW時(此時輻照到等離子體上的電場強度約為8 100 V/m),等離子體未開啟情況下的測試結果,其中黃色線為發射端輸入的參考信號測試結果,綠色線為接收信號測試結果。圖6為脈沖源發射功率約為144 kW時(此時輻照到等離子體上的電場強度約為7 450 V/m),等離子體開啟情況下的測試結果。對比圖5和圖6可以看出,等離子體對1.3 GHz高功率微波產生了明顯的防護作用(透射衰減大于20 dB)。

圖5 發射功率為170 kW、等離子體未開啟情況下的測試結果Fig.5 Test results in condition of emission power 170 kW, plasma turned off

圖6 發射功率為144 kW、等離子體開啟情況下的測試結果Fig.6 Test results in condition of emission power 144 kW, plasma turned on

實驗過程中還對同樣條件下的雙層等離子體進行了防護驗證,高功率微波透射衰減值超過26 dB,顯然,等離子體厚度越大,防護效果越好。另外,由于是初步探索實驗,在設置上缺少了對極化方式、微波頻率、等離子體狀態等多因素的考慮,在后續的研究工作中將進一步完善。

5 結論

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程中入射電場隨時間的演變過程,分析了等離子體防護高功率微波的機理和物理過程。仿真結果表明,高功率微波通過等離子體時,會被后者吸收造成電子雪崩,產生更高電子密度的等離子體,使得等離子體對高功率微波的反射效應不斷增強。這一過程不斷發生,直至僅能有少量的微波能量進入等離子體,用于后產生電子的維持。此后,當進入等離子體中的微波能量繼續增大時,電子雪崩效應再次發生,電子密度也會相應繼續增大,直至達到新的動態平衡;而當高功率微波消失時,由于缺乏外界能量維持,電子和離子迅速復合,等離子體迅速恢復到與高功率微波相互作用前的狀態。同時,利用本文建立的模型,還可以對高功率微波與等離子體相互作用過程中的影響因素(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)進行分析。

此外,利用高頻輝光放電產生柱狀等離子體陣列,通過實驗證實了等離子體對高功率微波具有很好的防護作用。目前正在開展基于等離子體的高功率微波小型化防護器件研究,主要解決的問題有:①對于被保護電子系統工作頻帶內的小功率電磁信號,防護器件不能影響其正常傳輸;②在高功率微波作用下,等離子體發生非線性效應的時間盡可能短,以免造成漏過微波功率過大問題;③等離子體產生非線性效應的響應頻率要盡可能寬;④等離子體產生裝置自身能經得起高功率微波的攻擊,同時其體積、質量和功耗滿足使用要求。