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(jì)算三、實(shí)驗(yàn)研究四、存在問(wèn)題一：背景與意義

自上個(gè)世紀(jì)50年代以來(lái)，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(lái)，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(duì)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(wú)線(xiàn)電波是眾所周知的，航天器重返大氣層時(shí)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(tái)不被敵方預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)；同時(shí)也可使進(jìn)入等離子體的敵方目標(biāo)無(wú)法接收導(dǎo)航信號(hào)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(xiàn)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(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展俄羅斯：

20世紀(jì)60年代開(kāi)始等離子體吸收電磁波的研究。

80年代開(kāi)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(guó)：

1992美國(guó)開(kāi)始等離子體隱身研究

1998年，美國(guó)等離子體隱身天線(xiàn)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。其他國(guó)家：英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞和日本也都在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)始了研究，我國(guó)也在這方面有所發(fā)展中國(guó)：近年來(lái)國(guó)防科技大學(xué)和中國(guó)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(kāi)始秘密進(jìn)行等離子體吸收電磁波的研究，80年代初開(kāi)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(kāi)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(guò)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(lái)產(chǎn)生等離子體云層。經(jīng)過(guò)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(hào)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?chē)撵o電來(lái)減小飛行器的雷達(dá)反射截面積；使探測(cè)雷達(dá)的有效區(qū)域?qū)p少到原來(lái)的1％以下，這與美國(guó)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?xún)r(jià)比更高，“將使美國(guó)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(chēng)MFI）就采用了這項(xiàng)技術(shù)，其隱身性能可與美國(guó)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(lái)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(jì)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(duì)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(guó)Vidmar開(kāi)始研究雷達(dá)波與等離子的相互作用。隨后美國(guó)許多實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)迅速展開(kāi)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(wú)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(guó)：1992年，美國(guó)一份解密?chē)?guó)防報(bào)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(guó)海軍委托田納西大學(xué)等單位開(kāi)發(fā)的等離子體隱身天線(xiàn)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(kāi)面世。

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

在1992年、1995年和1997年發(fā)生過(guò)3次墜毀事件，特別是，在北約對(duì)南聯(lián)盟進(jìn)行的轟炸中，美軍幾乎在每輪空襲中都出動(dòng)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(guó)諾斯羅普；造價(jià)：每架飛機(jī)約6億美元，加上研制費(fèi)用，超過(guò)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(guó)空軍委托洛克希德、波音以及通用動(dòng)力公司合作研制的新一代戰(zhàn)斗機(jī)，也是專(zhuān)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(hào)。

國(guó)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(guó)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(guó)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(duì)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(jià)值的模型，而且相互之間進(jìn)行了借鑒與探討，對(duì)一些現(xiàn)象進(jìn)行了可能的解釋。中國(guó)：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(shí)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(chǎng)影響的情況下，研究了均勻等離子體平板中不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，等離子體對(duì)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(duì)平行于磁場(chǎng)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(chēng)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(shí)告訴我們：就整個(gè)宇宙而言，99％以上的物質(zhì)都成等離子體態(tài)，太陽(yáng)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(yáng)紫外線(xiàn)和宇宙射線(xiàn)使該處空氣發(fā)生電離而形成的，它對(duì)人類(lèi)的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)、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(duì)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(xiàn)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(chēng)之為熱等離子體，反之則稱(chēng)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(zhǎng)度：等離子體行為的一個(gè)基本特征是它具有屏蔽作用于它上面的電勢(shì)的能力。這種屏蔽稱(chēng)為德拜屏蔽。屏蔽距離和鞘層厚度的量度叫德拜長(zhǎng)度(Debyelength)，及電勢(shì)下降到庫(kù)侖勢(shì)的1/e時(shí)的空間長(zhǎng)度(半徑)。λD=

等離子體頻率：（又稱(chēng)等離子體的截止頻率）是等離子體密度決定的另一個(gè)重要參數(shù)，它描述外界某種擾動(dòng)引起等離子體內(nèi)部電子和離子的振蕩情況其中2.3:計(jì)算方法將等離子體等效看成介質(zhì)來(lái)研究等離子體與電磁波的相互作用，在沒(méi)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(duì)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(wú)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(duì)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(gè)世紀(jì)就被仔細(xì)地研究過(guò)，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(gè)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(jiǎn)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(méi)有外加電磁場(chǎng)的作用下一般認(rèn)為這些帶電粒子和中性粒子一樣作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。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(shí)，原有的帶電粒子在電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成弱電流。3：增大兩極間電壓，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電子和離子從電場(chǎng)中獲得的能量也增大。當(dāng)電子和離子從電場(chǎng)中獲得的能量不足以產(chǎn)生新的電離機(jī)制時(shí)，放電電流依然保持恒定，同時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，管內(nèi)兩電極空間出現(xiàn)特有的輝光，因此被稱(chēng)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(lèi)型，用來(lái)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(yáng)極之間的各個(gè)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(yáng)極輝光區(qū)、陽(yáng)極暗區(qū)和陽(yáng)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(yáng)極暗區(qū)陽(yáng)極輝光正柱區(qū)陽(yáng)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(lái)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(shí)由于輻射光較強(qiáng)，也會(huì)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(zhǎng)更快，大量電子最終離開(kāi)陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。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(chēng)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