等離子體理論應(yīng)用

王躍東10607040物理電子學(xué)等離子體的理論研究及其應(yīng)用主要內(nèi)容一、背景與意義二、理論計算三、實(shí)驗(yàn)研究四、存在問題一：背景與意義

自上個世紀(jì)50年代以來，等離子體技術(shù)，在全世界范圍內(nèi)得到了巨大的發(fā)展。近年來，等離子體在微波等離子體、電離層等離子體物理、大型電子設(shè)備電磁防護(hù)以及等離子體隱身等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其原理主要是利用等離子體對電磁波的反射、吸收、散射等性質(zhì)。其在軍事領(lǐng)域有更為廣泛的應(yīng)用。等離子體能夠吸收或屏蔽無線電波是眾所周知的，航天器重返大氣層時遇到的通信中斷就是等離子體的防護(hù)作用引起的。高功率微波或激光在空間形成等離子體走廊、等離子體屏蔽或等離子云，而利用等離子體的吸收或屏蔽效應(yīng)，可以使進(jìn)入該屏蔽的己方作戰(zhàn)平臺不被敵方預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)；同時也可使進(jìn)入等離子體的敵方目標(biāo)無法接收導(dǎo)航信號和指令，使飛機(jī)和導(dǎo)彈迷失方向失去控制。等離子體電子干擾等離子體隱身等離子體天線等離子體推進(jìn)與減阻等方面。等離子體隱身系統(tǒng)和等離子體武器則是電子戰(zhàn)的新概念、新技術(shù)裝備，能夠給敵方以電子硬殺傷并使敵方作戰(zhàn)人員產(chǎn)生巨大的心理壓力，等離子體技術(shù)是現(xiàn)今應(yīng)用科技研究的熱點(diǎn)之一。國內(nèi)外研究進(jìn)展俄羅斯：

20世紀(jì)60年代開始等離子體吸收電磁波的研究。

80年代開始實(shí)驗(yàn)研究；1992年已有成品；目前已經(jīng)發(fā)展到第三代產(chǎn)品。美國：

1992美國開始等離子體隱身研究

1998年，美國等離子體隱身天線已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。其他國家：英國、法國、澳大利亞和日本也都在相關(guān)領(lǐng)域開始了研究，我國也在這方面有所發(fā)展中國：近年來國防科技大學(xué)和中國科技大學(xué)在等離子體隱身方面取得了一些成果。俄羅斯：在20世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)開始秘密進(jìn)行等離子體吸收電磁波的研究，80年代初開始了等離子體實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)是研究等離子體在高空超聲速飛行器上的潛在應(yīng)用。1999年初，俄羅斯克爾德什研究中心就已經(jīng)開發(fā)出第一代等離子體發(fā)生片。該發(fā)生片可貼在飛行器的強(qiáng)散射部位，電離空氣產(chǎn)生等離子體，從而減弱電磁波的反射。其第二代等離子體隱身產(chǎn)品為等離子體發(fā)生器，重量不到100千克，耗電不超過幾十千瓦。它是在等離子體發(fā)生器里加入了易電離的氣體來產(chǎn)生等離子體云層。經(jīng)過飛行試驗(yàn)，它除具備第一代等離子體隱身系統(tǒng)的功能外，還能改變反射信號的頻率，這兩代等離子體隱身技術(shù)產(chǎn)品都已進(jìn)行了成功試驗(yàn)，并獲準(zhǔn)出口.目前俄羅斯正在研制第三代等離子體隱身系統(tǒng)，該隱身系統(tǒng)可利用飛行器周圍的靜電來減小飛行器的雷達(dá)反射截面積；使探測雷達(dá)的有效區(qū)域?qū)p少到原來的1％以下，這與美國F-117、B-2隱形戰(zhàn)斗機(jī)在雷達(dá)上反映出的隱身效果大致相同，但性價比更高，“將使美國最精湛的跟蹤技術(shù)黯然失色”。俄羅斯第五代戰(zhàn)斗機(jī)米格1.42（又稱MFI）就采用了這項技術(shù)，其隱身性能可與美國的F-22相抗衡。另外，俄羅斯克爾德什研究中心表明，在不改變飛行器的飛行特性的條件下，等離子體還能減小飛行阻力30％以上.米格1．44稍遜于F—22。其機(jī)體大量采用復(fù)合材料和綜合紅外特征控制技術(shù)，將來還要涂覆新型吸波材料，暴露特征最大的機(jī)腹進(jìn)氣道也采用了獨(dú)特設(shè)計和吸波涂層。為追求隱身，F(xiàn)－22不惜犧牲其它性能，其正常條件下雷達(dá)反射截面為0．01平方米，而米格1．44因加裝鴨翼達(dá)0．5平方米。面對同一部雷達(dá)，F(xiàn)－22好比小麻雀，米格1．44則活像大老鷹。

90年代初，由于軍事上的需要，美國Vidmar開始研究雷達(dá)波與等離子的相互作用。隨后美國許多實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)迅速展開了這方面的研究。Laroussi等從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探討了電磁波在磁化非均勻等離子體中的傳播特性。Larouss等研究了電磁波在無碰撞非均勻等離子體層的傳播特性。Koretzky等則從理論和實(shí)驗(yàn)上研究證明了等離子體炬產(chǎn)生的一定密度的等離子體能有效地衰減電磁波，并且研究了其在等離子體方面的潛在應(yīng)用。

美國：1992年，美國一份解密國防報告顯示，休斯實(shí)驗(yàn)室曾進(jìn)行等離子體隱身的實(shí)驗(yàn)研究。1998年，美國海軍委托田納西大學(xué)等單位開發(fā)的等離子體隱身天線已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

F-117A服役后一直處于保密之中，直到1988年11月10日，空軍才首次公布了該機(jī)的照片，1989年4月在內(nèi)華達(dá)州的內(nèi)利斯空軍基地公開面世。

在海灣戰(zhàn)爭中，F(xiàn)—117A更是名聲大噪。據(jù)統(tǒng)計它在“沙漠風(fēng)暴”期間共有36架F-117參與了部署行動，執(zhí)行危險性大的任務(wù)達(dá)1271次，投下2000多噸炸彈，飛行總時間為6900小時，而無一受損。

在1992年、1995年和1997年發(fā)生過3次墜毀事件，特別是，在北約對南聯(lián)盟進(jìn)行的轟炸中，美軍幾乎在每輪空襲中都出動了F-117A飛機(jī)。就在99年3月27日的第四輪空襲中，一架F-117A折戟沉沙，墜落在貝爾格萊德西北約50千米的地方；在4月1日的第9輪空襲中，又有一架F-117A被擊傷，迫降在馬其頓。研制：美國諾斯羅普；造價：每架飛機(jī)約6億美元，加上研制費(fèi)用，超過20億美元；現(xiàn)狀：現(xiàn)役，目前共裝備21架。

B-2“幽靈”（Spirit）F-22“猛禽”是美國空軍委托洛克希德、波音以及通用動力公司合作研制的新一代戰(zhàn)斗機(jī)，也是專家們所指的目前唯一面世的“第四代戰(zhàn)斗機(jī)”，它將成為下世紀(jì)初葉的主戰(zhàn)機(jī)種。主要用途是壓取戰(zhàn)區(qū)制空權(quán)，因而也是F-15的后繼型號。

國內(nèi)在等離子電磁防護(hù)或者隱身技術(shù)方面的研究起步較晚，與國外的水平差距很大，并且很少有人進(jìn)行試驗(yàn)性研究，還只是停留在理論證明可行性水平上。但我國的理論工作者在等離子體技術(shù)方面的研究也取得了一定的進(jìn)展。目前他們已經(jīng)針對許多不同情況，在等離子體與電磁波的相互作用方面進(jìn)行了有益的探索和研究，提出了一些具有實(shí)際應(yīng)用價值的模型，而且相互之間進(jìn)行了借鑒與探討，對一些現(xiàn)象進(jìn)行了可能的解釋。中國：莫錦軍等從折射效應(yīng)和吸收衰減兩方面詳細(xì)論述了等離子體隱身的基本原理。并首次提出用時變非磁化等離子體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)隱身的方法。唐德禮等人在考慮磁場影響的情況下，研究了均勻等離子體平板中不同磁場強(qiáng)度下，等離子體對電磁波的吸收、反射和透射特性。周友杰,何俊發(fā)等人探索了一種等離子體抗巡航導(dǎo)彈(GPS制導(dǎo))新途徑，為防御巡航導(dǎo)彈提供了理論依據(jù)及數(shù)據(jù)參考。此外，劉少斌等還分析了不均勻磁化等離子體對平行于磁場方向傳播的左、右旋圓極化電磁波的碰撞吸收。等離子體，等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)。部分或完全電離的氣體，其中自由電子和離子所帶的正負(fù)電荷總和是相互抵消的，稱為等離子體.二：理論方法2.1：等離子體概述

現(xiàn)有的天文學(xué)知識告訴我們：就整個宇宙而言，99％以上的物質(zhì)都成等離子體態(tài)，太陽等恒星就是灼熱的等離子體火球，地球上空80～400km處的電離層就是等離子體，是由太陽紫外線和宇宙射線使該處空氣發(fā)生電離而形成的，它對人類的無線電通訊有重要意義。自然界中也存在大量的等離子體現(xiàn)象，閃電和極光是等離子體現(xiàn)象，此外在軍事上，核爆炸、放射性核素的射線、高超音速飛行器的激波、火箭和噴氣式飛機(jī)的射流，也都可以形成弱電離等離子體。

等離子體在受控核聚變、工業(yè)、表面加工技術(shù)、環(huán)境保護(hù)、日常照明等方面有重要應(yīng)用，所以對等離子體的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。實(shí)驗(yàn)室中等離子體的主要產(chǎn)生方法有氣體放電、射線輻照、光電離、激光等離子體等。等離子體中電子和離子各自處于熱平衡狀態(tài)，等離子體溫度分別用電子溫度和離子溫度表示，如果二者相等則稱之為熱等離子體，反之則稱之為冷等離子體，這里所謂的“冷”不是指溫度非常低.2.2:等離子體參數(shù)

等離子體密度：它表示單位體積內(nèi)所含電子數(shù)或離子數(shù)，電子密度和離子密度一般情況下是相等的。等離子體判據(jù)和德拜長度：等離子體行為的一個基本特征是它具有屏蔽作用于它上面的電勢的能力。這種屏蔽稱為德拜屏蔽。屏蔽距離和鞘層厚度的量度叫德拜長度(Debyelength)，及電勢下降到庫侖勢的1/e時的空間長度(半徑)。λD=

等離子體頻率：（又稱等離子體的截止頻率）是等離子體密度決定的另一個重要參數(shù)，它描述外界某種擾動引起等離子體內(nèi)部電子和離子的振蕩情況其中2.3:計算方法將等離子體等效看成介質(zhì)來研究等離子體與電磁波的相互作用，在沒有靜電荷的均勻介質(zhì)中電磁波的麥克斯韋方程組

是由Appleton給出的平面電磁波以任意角度入射等離子體的復(fù)相對介電常量。2.4:物理模型雷達(dá)波垂直入射等離子體示意圖

由麥克斯韋方程組可得電磁波在等離子體中的色散關(guān)系為：令，則有，而由此可得：Po、Pr、Pa、Pt分別表示入射功率、反射功率、吸收功率、透射功率，其中：三：實(shí)驗(yàn)研究等離子體無論在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用前景，但是在應(yīng)用方面存在一定難度,如何產(chǎn)生穩(wěn)定的高密度等離子體成為一大難題。所以尋找產(chǎn)生穩(wěn)定的高密度等離子體的方法,并且對等離子體電磁特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究有著重要的意義。氣體放電是實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生等離子體的一種重要方式，氣體放電早在上個世紀(jì)就被仔細(xì)地研究過，上世紀(jì)初湯生建立的氣體擊穿理論是關(guān)于氣體導(dǎo)電的第一個定量理論，然而至今一直被人們公認(rèn)為氣體導(dǎo)電的基礎(chǔ)理論之一。以下簡單介紹這一理論1：任何氣體中都有一定量的電子和離子，它們的濃度非常低，在沒有外加電磁場的作用下一般認(rèn)為這些帶電粒子和中性粒子一樣作無規(guī)則的運(yùn)動。3.1氣體放電2：在氣體放電管中當(dāng)兩極間加上較弱的電壓時，原有的帶電粒子在電場的作用下作定向運(yùn)動，形成弱電流。3：增大兩極間電壓，電場強(qiáng)度增大，電子和離子從電場中獲得的能量也增大。當(dāng)電子和離子從電場中獲得的能量不足以產(chǎn)生新的電離機(jī)制時，放電電流依然保持恒定，同時放電也不伴隨著發(fā)光，這通常叫湯生暗放電。4：當(dāng)兩極間電壓繼續(xù)增大，電子獲得的能量大到一定值時，可以電離或激發(fā)中性氣體分子。這使帶電粒子濃度明顯增大，氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榱紝?dǎo)體。這時放電電流突然增大，這種狀態(tài)叫做氣體擊穿而輝光放電則是氣體放電中的一種重要放電形式，由于放電時，管內(nèi)兩電極空間出現(xiàn)特有的輝光，因此被稱為輝光放電。其特點(diǎn)是電流密度較小，放電維持電壓較高，但是放電功率比較小。因此是一種非常常用的氣體放電類型，用來產(chǎn)生非等溫等離子體，從而在激光、光源、超大規(guī)模繼承電路微細(xì)加工技術(shù)、等離子體表面處理等方面有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。在正常輝光放電的情況下，從陰極到陽極之間的各個空間大約可以分為陰極、阿斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、陰極區(qū)、負(fù)輝光區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽極輝光區(qū)、陽極暗區(qū)和陽極區(qū)。3.2輝光放電陰極Aston暗區(qū)陰極暗區(qū)陰極輝光負(fù)輝光法拉弟暗區(qū)陽極暗區(qū)陽極輝光正柱區(qū)陽極正常輝光放電的陰極區(qū)和負(fù)輝區(qū)都被包圍在陰極空腔內(nèi)部，負(fù)輝區(qū)相互重疊。高能電子可以在陰極空腔內(nèi)來回振蕩，使陰極內(nèi)帶電粒子濃度更高，其他高能粒子也相應(yīng)增多，有更多的粒子轟擊陰極內(nèi)表面。同時由于輻射光較強(qiáng)，也會產(chǎn)生光電子發(fā)射，這些都大大提高了陰極內(nèi)表面的二次電子發(fā)射率，也提高了高能電子碰撞的電離系數(shù)，電子雪崩增長更快，大量電子最終離開陰極向陽極運(yùn)動。在相同的條件下，空心陰極輝光放電的電流密度比正常輝光放電明顯增大，被稱為空心陰極效應(yīng)3.3空心陰極放電與普通輝光放電相比所具有的特點(diǎn)：a:電極間壓降較低，電流密度較大；

b:等離子體區(qū)域內(nèi)的電子離子密度高；c:高能粒子多，強(qiáng)烈的陰極濺射；三種常用的空心陰極以及實(shí)驗(yàn)裝置介紹幾種空心陰極結(jié)構(gòu)（a）圓孔形空心陰極