高功率微波在低电离层中传输特性分析

 高功率微波在大气中传输有一个衰减较大的高度，在这一高度，微波的强电场容易使大气电离形成等离子体，从而引起较大的非线性衰减，极端情况下会产生大气击穿。在低电离层(50~100 km)，自然电离产生的电子浓度较高。主要研究高功率微波在低电离层的传输衰减特性。计算表明，在50 km高空，非线性吸收衰减最大，该高度也是最容易产生击穿的地方。在同样的电场强度下，脉宽越窄，衰减系数越小，衰减越小。在低电离层区间内，大气压强越小，吸收越小。     

微波脉冲大气击穿临界场强估计

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数,发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现,微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数,由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法,并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。推导了脉冲击穿概率的估计公式,并对估计量的性能进行了分析,随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明,在一定范围内,重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比,能用于估计脉冲击穿概率,进而给出击穿临界场强。     

电子弛豫过程对重复频率高功率微波大气击穿的影响

 研究了重复频率高功率微波脉冲作用下的大气击穿。分析了重复频率脉冲作用下电子的弛豫过程,对脉冲间隔时间内电子温度和自由电子密度的变化规律进行了研究,得出了电子温度弛豫时间远小于电子密度弛豫时间的结论。分析了电子弛豫过程的附着效应和复合效应,给出了高功率微波重复频率脉冲作用下发生大气击穿的条件和重复频率高功率微波大气击穿的电子数密度方程。     

高功率微波作用下O-离子解吸附产生种子电子过程

种子电子是高功率微波大气击穿的根源, 研究高功率微波大气击穿时, 一般假设背景大气中存在种子电子, 此假设在低层大气环境中会给模拟结果带来较大误差. 本文建立了高功率微波强电场作用下O^-离子解吸附碰撞过程物理模型, 基于传统的空碰撞模型, 提出了改进的蒙特卡罗仿真方法, 编写了三维仿真程序, 对高功率微波作用下O^-离子的解吸附过程进行了仿真, 分析了O^-离子平均能量随时间的变化过程以及O^-离子与空气分子的碰撞过程, 得到了不同压强、场强、频率和击穿体积条件下种子电子平均产生时间. 理论与仿真结果表明, 随着频率增大, 种子电子平均产生时间变大, 随着击穿体积、场强以及压强增大, 种子电子平均产生时间变小. 最后, 考虑O^-离子与空气分子解吸附碰撞提供种子电子条件下, 给出了大气击穿时间理论与实验对比结果, 发现高功率微波频率较低时, 该种子电子产生机理可以解释实验结果, 而高功率微波频率较高时, 该机理下种子电子平均产生时间过长而与实验数据不符.     

9.33 GHz高功率脉冲微波对IAR20鼠肝细胞和L-02人肝细胞增殖的影响

研究了9.33 GHz高功率脉冲微波对IAR20鼠肝细胞和L-02人肝细胞增殖的影响,利用噻唑蓝比色法测量细胞增殖并对实验数据进行拟合,得到脉冲个数、场强和脉宽与细胞增殖之间的关系。当脉冲微波场强与脉宽保持不变,脉冲微波细胞效应随脉冲个数呈现非线性的指数递增规律。当脉冲微波的脉冲个数、脉宽一定时,场强越大,细胞增殖被抑制的程度越大;当脉冲个数、场强不变,脉宽越大,细胞增殖受到抑制的作用越明显,即脉冲微波细胞效应与场强和脉宽成正比。相同脉冲微波参量对不同种类细胞增殖的影响是不同的,对IAR20鼠肝细胞的影响比对L-02人肝细胞的影响略大。     

FDTD结合DFT分析宽频高功率微波大气传播

联立麦克斯韦方程与电子流体方程,用时域有限差分法(FDTD)模拟高斯型和阻尼正弦型等宽频高功率微波(HPM)的大气传播.在每个时间网格上,根据窄带脉冲的电子速度,通过离散傅立叶变换(DFT)方法求解出宽频脉冲的等效电场,将等效电场和压强代入电离参数公式,使电离参数随空间网格不断更新,提高计算准确性.结果表明,宽频HPM脉冲幅值、脉宽以及海拔高度等参数对大气击穿有明显的影响;大气击穿导致尾蚀效应;随着传播距离的增加,宽频HPM脉冲的尾部衰减加剧,脉宽缩短,引起宽频脉冲的频谱出现展宽、分裂及中心频率移动等现象.     

高功率微波脉冲大气击穿概率研究

高功率微波大气击穿实验中,入射功率在大气击穿阈值附近,即使外界条件相同,大气击穿可能发生也可能不发生。针对这一问题,基于大气击穿机理,将大气击穿分为首个电子出现在击穿区域和高功率微波电场导致雪崩击穿两个过程。针对第一个过程,建立了改进的电子连续性方程,引入平均电子产生率分析大气击穿发生前电子出现的概率问题;针对第二个过程,建立了高功率微波大气雪崩击穿概率模型。综合两个过程,建立了高功率微波大气击穿概率模型,仿真了不同压强条件下大气击穿的概率,并与相关实验数据进行了比对,仿真结论与实验数据吻合较好。     

基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究

综合考虑高功率微波强电场作用下的热致快速电子效应、碰撞频率、电离频率等充分体现高功率微波特性的参量模型,基于高功率微波混合大气传输模型,提出了单脉冲高功率微波混合大气统一非线性击穿模型,定义了单脉冲高功率微波击穿阈值.理论研究结果表明:考虑中性气体分子极化作用以及电子的碰撞热效应后,大气击穿时对应的等离子体频率明显变大;大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后增大,在30-60 km区域存在一个极小值.开展了X波段窄带高功率微波单脉冲大气击穿实验研究,得到了典型条件下的高功率微波击穿现象、波形和阈值,且与理论结果一致性较好.     

高功率微波有效电场强度对大气折射率的影响

 高功率微波的强电场与大气作用使空气电离，中性分子的电离频率与等效电场强度、大气压强密切相关。在一个较宽的范围内研究电子与大气中性分子的相互作用，分析讨论了高功率微波传输一个脉冲后电子浓度和折射率随微波有效电场强度的变化。     

微波击穿大气电子温度与电子密度依存关系

给出了描述高功率微波脉冲大气非线性传输及微波大气等离子体特征演化的方程组,并在以微波群速度运动的局域坐标系下完成程序编制。据此模拟分析了高功率微波大气长程非线性传输及自产生大气等离子体的基本物理过程,给出了在击穿建立过程中,电子数密度增长与电子温度升高之间的关系。模拟结果表明:由于大气层中本底自由电子数密度较低,高功率微波脉冲到达时会迅速地将大气中现有的自由电子加热至平衡温度,与之相比导致电子数密度雪崩式增长的击穿过程要缓慢得多,而且随着击穿过程的开始电子温度会从平衡温度快速下降。     

高功率微波脉冲大气传输的一些规律

 推导了高功率微波（HPM）脉冲大气击穿阈值功率公式，估计了脉冲从地面向上传输的潜行时间。数值模拟了HPM大气传输的物理图象和潜行时间的变化。     

L波段微波脉冲对微型计算机的辐照效应实验

 在L波段使用1.3 GHz载波频率的微波脉冲辐照微型计算机主板，通过改变脉冲宽度、重复频率和脉冲串长度等参数，实验研究了微波脉冲辐照导致微型计算机失去响应的功率阈值的变化规律，讨论了L波段微波脉冲辐射的积累效应。实验结果表明：当微波脉冲宽度增加时，微波功率阈值下降；当微波脉冲重复频率升高时，微波功率阈值呈下降趋势；在固定重复频率的条件下，微波脉冲数目的增加也会导致微波功率阈值的下降；微波脉冲功率阈值始终小于连续波微波的功率阈值。当微波脉冲间隔时间较长或者脉冲宽度较宽时，微波功率阈值由单个微波脉冲的参数确定，与脉冲重复频率没有明显关系。利用假设的微波脉冲辐射积累效应，可以定性解释和分析微波脉冲辐照微型计算机实验中功率阈值变化的趋势。     

孔缝对金属腔体强电磁脉冲耦合特性影响研究

核电磁脉冲和高功率微波等强电磁脉冲易造成电子设备功能失效甚至损毁,在实际工程实施中用金属腔体对电子设备进行屏蔽是常用的强电磁脉冲抑制手段。基于电磁仿真计算,对含矩形孔缝金属腔体的强电磁脉冲耦合特性进行了系统研究,阐述了孔缝宽长比、腔体尺寸等因素对多种不同类型强电磁脉冲（核电磁脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波）作用下腔体内耦合场的影响;并以此为基础,重点分析了强电磁脉冲与含孔缝金属腔体之间的作用机制。研究结果表明:不同类型强电磁脉冲耦合信号差异明显,金属腔体对强电磁脉冲的响应是腔体谐振模式、孔缝谐振频率与强电磁脉冲共同作用的结果;当腔体谐振模式、孔缝谐振频率在强电磁脉冲的带内时,腔体内部的耦合场会出现增强效应;特别地,腔体与孔缝间的相互作用还可造成腔体与缝隙的谐振频率发生偏移。因此,在为电子设备设计金属屏蔽外壳时,应基于不同强电磁脉冲的频带范围,对腔体与孔缝的尺寸进行综合设计,抑制腔体、孔缝谐振及谐振频率偏移,提升其强电磁脉冲防护性能。     

Evolution of pulse shortening research in narrow band, high powermicrowave sources

The achievements resulting from the application of advanced pulsed power to the generation of high power microwaves (HPM) have included the generation of multi-gigawatt pulses of RF energy. The power achievable is orders of magnitude greater than conventional microwave sources can generate. However, the introduction of the HPM technology into logical applications has been limited to date due to the phenomenon of pulse shortening in which the RF pulse terminates before the pulse power source used to produce it. Conventional microwave tubes can generate a few to 10 MW of power with pulsewidths of many microseconds when required. High power microwave sources can produce gigawatts of power, but only for relatively short pulsewidths, typically tens to hundreds of nanoseconds. An international effort during the past few years has generated important new discoveries toward the elimination of pulse shortening. Some of the new techniques have the potential for helping the conventional tube industry as well as being practical for high power microwave sources. This paper reviews the pulse shortening problem, its causes, and the worldwide scope and direction of research conducted to date to resolve it. The paper also discusses the potential remedies for the problem and recommends a course of research to further progress on the issue     

毫米波回旋超辐射的粒子模拟与实验研究

 为开发回旋超辐射在毫米波和亚毫米波超辐射高功率微波源中的优势,采用3维PIC粒子模拟对回旋超辐射的工作特性进行了分析,并在此基础上优化设计了器件结构及工作参数范围。模拟表明,微波峰值功率与电子束脉宽在一定范围内成平方关系,符合超辐射的典型特征。初步实验在210 kV, 250 A的电子束参数下获得了6 MW的微波峰值功率输出,工作频率37.2 GHz,模式为TE01,与粒子模拟的结果基本一致。     

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.     

基于效应数据的微波器件HPM效应分析及建模方法

 HPM对微波器件的输出脉冲影响主要有幅度变化、脉宽变化、相位变化以及暂时性压制,以此为基础建立了4种效应参量的模型,分别是衰减因子、脉宽、相移和压制时间。在建立效应参量模型时,参照分离变量法,提出使用加权函数的方法把多维函数分解成多个１维函数相乘,基本解决了利用有限实验数据建立数学模型的问题。给出了利用效应数据建立数学模型所常用的几种数据处理方法,如曲线拟合、查表／插值和概率统计,并给出了该方法在TR放电管效应评估中的使用实例。     

高功率微波在电离层中传播的折射率研究

 高功率微波在电离层中的传播特性主要由其折射率的变化决定，而高功率微波的大气折射率与相应传输层面的电子浓度有关。结合电离层电子浓度分布模型对电子浓度和大气折射率进行了数值模拟，对电离层折射率以及折射率垂直梯度相对于高度的变化特性进行了分析。结合射线描迹法对高功率微波波束传播高度、仰角和距离进行了修正，并在低功率微波下进行实验验证，证实修正值更接近实际值。     

Silicon surface morphology study after exposure to tailored femtosecond pulses

Temporal pulse shaping of ultrashort laser pulses has been used for laser ablation of semiconductors. Even the simplest double pulse sequence with a delay of several picoseconds shows remarkable differences in the interaction process, compared to a single pulse of the same total energy. We discuss the interaction of double pulses with single crystal silicon sample in the context of crater morphology for multiple pulses on the same spot. The growth of the typical columnar structures in helium at atmospheric pressure is suppressed and the crater bottom is flat despite the Gaussian beam profile. The influence of the temporal pulse shape has to be treated in conjunction with the influence of the other ablation parameters.