基于负离子解吸附过程的高功率微波电子密度分析方法与流程

本发明涉及高功率微波(highpowermicrowave，hpm)大气传输和大气击穿
技术领域：
，具体涉及基于全局模型引入负离子解吸附过程的高功率微波电子密度分析方法。
背景技术：
：近年来，随着电子设备的普及化，军事领域中的电子设备大范围使用，电磁信息安全问题日益突出，电磁信息泄露、电子设备功能安全越来越受到各个国家的重视，而针对电子设备的损坏与保护、电磁信息的获取与防护将是现代军事斗争的重中之重。由脉冲功率技术、电真空技术和等离子体物理技术衍生而来的高功率微波技术以其在电磁信息安全与控制方面独特的优势受到世界各国的广泛关注和深入研究。hpm技术包括hpm产生技术、hpm效应和hpm大气传输技术，其中hpm产生技术是研究如何产生高功率微波并高效辐射到大气空间中的技术，是高功率微波技术试验与理论研究的核心；hpm效应和hpm大气传输是研究hpm在传输过程中与大气的相互作用及受外界环境的影响的技术。hpm大气击穿所导致的“尾蚀效应”是限制hpm系统能量阈值、威胁高功率微波源系统安全和影响对目标效应物作用效能的关键因素。其中，hpm大气击穿电子弛豫微观粒子相互作用与物理过程描述是一个基本理论问题，hpm大气电离涉及的粒子超过300多种，粒子间相互作用复杂，包含重频hpm脉冲持续时间和脉冲间隔下的电离、碰撞、附着、解吸附等物理过程，如何有效描述电子弛豫微观粒子相互作用与物理过程具有巨大的挑战性。技术实现要素：为了解决上述关键技术难题，本发明提出了基于负离子解吸附过程的高功率微波电子密度分析方法；本发明在全局模型的基础上，引入负离子解吸附过程，建立了重频脉冲弛豫过程模型，分析自由电子附着、复合以及解吸附过程对重频hpm大气击穿弛豫过程的影响。本发明的基于负离子解吸附过程的高功率微波电子密度分析方法，包括以下步骤：1)依照全局模型分析脉冲作用阶段电子及负离子密度变化：在hpm脉冲作用阶段，大气中的自由电子被hpm强电场加速，与中性粒子碰撞，发生电离，产生的新的自由电子同样能引发电离作用，进而发生雪崩击穿。其中，重频hpm频率为fs，电场强度为es，脉宽为τ，重频为fp。另一方面，自由电子与中性粒子发生碰撞，附着于中性粒子上，生成k种负离子。考虑自由电子密度为ne，第k(k＝1，2，...，k)种负离子的密度为根据电子密度连续性方程和负离子密度连续性方程求解脉冲作用阶段电子及负离子密度变化。初始自由电子密度为ne0，第k(k＝1，2，...，k)种负离子的初始密度为2)引入负离子解吸附过程分析弛豫阶段电子及负离子密度变化：重频hpm脉冲弛豫阶段空间不存在电场，电离作用不再发生，此时附着作用对粒子密度变化起主导作用；在库仑力的作用下，粒子发生复合作用，即电子与正离子、负离子与正离子复合产生中性粒子；另一方面，由于脉冲作用阶段产生了大量负离子，弛豫阶段负离子与中性粒子发生碰撞，能够重新产生电子。脉冲作用结束时刻，自由电子密度为ne1，第k(k＝1，2，...，k)种负离子的密度为根据电子密度连续性方程和负离子密度连续性方程求解脉冲弛豫阶段电子及负离子密度变化，能够更准确地描述重频hpm大气击穿的粒子间作用机理及微观过程。其中，在步骤1)中，hpm大气击穿产生等离子体时，电子是最主要的成分，同时也会产生其他负离子；表1为hpm大气击穿时的主要粒子成分构成，分为中性粒子、正电荷粒子和负电荷粒子。表1hpm大气电离时粒子成分hpm大气击穿时电子相关的主要反应如表22所示，其中m表示中性粒子，m-表示负电荷粒子，m+表示正电荷粒子。表2hpm大气电离时电子相关反应序号反应表达式1e+m→2e+m+2e+m+m→m-+m3e+m→2e+m+4e+m+→m5m+m-→e+m+m在步骤1)中，根据电子密度连续性方程，脉冲作用过程电子密度变化方程为：式中，ne为t时刻的电子密度；vi为中性粒子的电离频率；va为电子的附着频率。根据负离子密度连续性方程，脉冲作用过程负离子密度变化方程为：式中，为t时刻第k种负离子的密度。电子的附着频率va如下：式中，p为大气压强，te为电子温度。电离频率vi由经验公式得到：式中，ee为hpm等效电场，单位时间内该电场对电子所做功等效于hpm对电子所做功。设hpm电场为则：式中，em为电场振幅幅值，ω为入射波角频率，vm为碰撞频率。在步骤2)中，弛豫阶段负离子对于电子的产生与衰减有着重要的影响。基于全局模型，建立负离子解吸附电子弛豫过程耦合模型，该耦合模型主要由电子密度连续性方程和负离子密度连续性方程组成：式(6)为电子密度连续性方程，式(7)第k种负离子的密度连续性方程，式中，a为电子与正离子的复合频率，va，k为电子与大气中第k种中性粒子的附着频率，vo，k为第k种负离子的负离子附着频率，为第k种负离子的密度，vd，k为第k种负离子的解吸附频率。本发明提出的基于负离子解吸附过程的高功率微波电子密度分析方法具有如下优点：1、本模型描述了负离子与高功率微波脉冲作用过程，为建立高功率微波大气击穿电子弛豫过程提供了基础；2、在全局模型的基础上引入了大气负离子解吸附过程，能够求解电子密度等物理量随hpm脉冲作用时间规律，对于弛豫过程大气电子密度变化的描述更为精确，客观地揭示了hpm大气击穿物理机理；3、建立的基于负离子解吸附过程的高功率微波电子密度分析方法，能够计算分析重频hpm脉冲粒子间作用机理及微观过程，给出了重频hpm脉冲持续时间和脉冲间隔电子密度的变化规律，解决了电子弛豫成分多样性和作用过程复杂性分析难题。本发明所提出的基于负离子解吸附过程的高功率微波电子密度分析方法，能够模拟真实大气环境下hpm大气击穿过程中电子密度变化情况，为准确描述hpm大气击穿过程奠定了基础。附图说明图1为本发明的重频hpm脉冲波形示意图；图2为本发明的基于负离子解吸附过程的高功率微波电子密度分析方法，引入氧负离子前后电子密度随时间变化对比图。具体实施方式下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。在本施例中，重频hpm脉冲波形示意图如图1所示；本施例的基于负离子解吸附模型的hpm大气击穿弛豫过程分析方法包括以下步骤：在hpm大气击穿过程中，氧负离子是一个非常重要的负离子，对于电子的产生和衰减有着重要的影响，其中氧负离子解吸附过程产生电子对于电子密度变化有着重要的影响。本施例中，为简单起见，仅考虑氧负离子解吸附过程对电子密度的影响。考虑电子与氧气及其衍生物发生的反应，具体反应表达式如表3所示。表3电子与氧气及其衍生物反应表达式1)依照全局模型分析脉冲作用阶段电子及负离子密度变化：在hpm脉冲作用阶段，大气中的自由电子被hpm强电场加速，与中性粒子碰撞，发生电离，产生新的自由电子同样能引发电离作用，进而发生雪崩击穿。其中，重频hpm频率为fs＝3.74ghz，电场强度为es＝0.5mv/m，脉宽为τ＝20ns，重频为fp＝100hz，波形示意图如图1所示。另一方面，自由电子与中性粒子发生碰撞，附着于中性粒子上，形成负离子，这里仅考虑氧负离子。初始自由电子密度为ne0＝10cm-3，氧负离子的初始密度为2)引入负离子解吸附过程分析弛豫阶段电子及负离子密度变化：脉冲作用结束时刻，自由电子密度为ne1＝1012cm-3，氧负离子密度为对比引入氧负离子解吸附过程前后的电子弛豫模型，仿真结果如图2所示。可以发现弛豫过程的电子密度衰减可以分为快衰减阶段(约为2×10-6s之前)和慢衰减阶段(约为2×10-6s之后)两个阶段，且氧负离子的引入明显延缓了弛豫过程后期电子的衰减。因此，考虑弛豫阶段负离子解吸附过程有利于真实反映重频hpm作用下大气电子密度的变化，更能准确描述物理过程的进行。最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。当前第1页12