等离子体理论应用

王跃东10607040物理电子学等离子体的理论研究及其应用主要内容一、背景与意义二、理论计算三、实验研究四、存在问题一：背景与意义

自上个世纪50年代以来，等离子体技术，在全世界范围内得到了巨大的发展。近年来，等离子体在微波等离子体、电离层等离子体物理、大型电子设备电磁防护以及等离子体隐身等领域都有广泛的应用。其原理主要是利用等离子体对电磁波的反射、吸收、散射等性质。其在军事领域有更为广泛的应用。等离子体能够吸收或屏蔽无线电波是众所周知的，航天器重返大气层时遇到的通信中断就是等离子体的防护作用引起的。高功率微波或激光在空间形成等离子体走廊、等离子体屏蔽或等离子云，而利用等离子体的吸收或屏蔽效应，可以使进入该屏蔽的己方作战平台不被敌方预警系统发现；同时也可使进入等离子体的敌方目标无法接收导航信号和指令，使飞机和导弹迷失方向失去控制。等离子体电子干扰等离子体隐身等离子体天线等离子体推进与减阻等方面。等离子体隐身系统和等离子体武器则是电子战的新概念、新技术装备，能够给敌方以电子硬杀伤并使敌方作战人员产生巨大的心理压力，等离子体技术是现今应用科技研究的热点之一。国内外研究进展俄罗斯：

20世纪60年代开始等离子体吸收电磁波的研究。

80年代开始实验研究；1992年已有成品；目前已经发展到第三代产品。美国：

1992美国开始等离子体隐身研究

1998年，美国等离子体隐身天线已进入实际应用阶段。其他国家：英国、法国、澳大利亚和日本也都在相关领域开始了研究，我国也在这方面有所发展中国：近年来国防科技大学和中国科技大学在等离子体隐身方面取得了一些成果。俄罗斯：在20世纪60年代前苏联开始秘密进行等离子体吸收电磁波的研究，80年代初开始了等离子体实验，重点是研究等离子体在高空超声速飞行器上的潜在应用。1999年初，俄罗斯克尔德什研究中心就已经开发出第一代等离子体发生片。该发生片可贴在飞行器的强散射部位，电离空气产生等离子体，从而减弱电磁波的反射。其第二代等离子体隐身产品为等离子体发生器，重量不到100千克，耗电不超过几十千瓦。它是在等离子体发生器里加入了易电离的气体来产生等离子体云层。经过飞行试验，它除具备第一代等离子体隐身系统的功能外，还能改变反射信号的频率，这两代等离子体隐身技术产品都已进行了成功试验，并获准出口.目前俄罗斯正在研制第三代等离子体隐身系统，该隐身系统可利用飞行器周围的静电来减小飞行器的雷达反射截面积；使探测雷达的有效区域将减少到原来的1％以下，这与美国F-117、B-2隐形战斗机在雷达上反映出的隐身效果大致相同，但性价比更高，“将使美国最精湛的跟踪技术黯然失色”。俄罗斯第五代战斗机米格1.42（又称MFI）就采用了这项技术，其隐身性能可与美国的F-22相抗衡。另外，俄罗斯克尔德什研究中心表明，在不改变飞行器的飞行特性的条件下，等离子体还能减小飞行阻力30％以上.米格1．44稍逊于F—22。其机体大量采用复合材料和综合红外特征控制技术，将来还要涂覆新型吸波材料，暴露特征最大的机腹进气道也采用了独特设计和吸波涂层。为追求隐身，F－22不惜牺牲其它性能，其正常条件下雷达反射截面为0．01平方米，而米格1．44因加装鸭翼达0．5平方米。面对同一部雷达，F－22好比小麻雀，米格1．44则活像大老鹰。

90年代初，由于军事上的需要，美国Vidmar开始研究雷达波与等离子的相互作用。随后美国许多实验室和研究机构迅速展开了这方面的研究。Laroussi等从理论和实验两方面探讨了电磁波在磁化非均匀等离子体中的传播特性。Larouss等研究了电磁波在无碰撞非均匀等离子体层的传播特性。Koretzky等则从理论和实验上研究证明了等离子体炬产生的一定密度的等离子体能有效地衰减电磁波，并且研究了其在等离子体方面的潜在应用。

美国：1992年，美国一份解密国防报告显示，休斯实验室曾进行等离子体隐身的实验研究。1998年，美国海军委托田纳西大学等单位开发的等离子体隐身天线已进入实际应用阶段。

F-117A服役后一直处于保密之中，直到1988年11月10日，空军才首次公布了该机的照片，1989年4月在内华达州的内利斯空军基地公开面世。

在海湾战争中，F—117A更是名声大噪。据统计它在“沙漠风暴”期间共有36架F-117参与了部署行动，执行危险性大的任务达1271次，投下2000多吨炸弹，飞行总时间为6900小时，而无一受损。

在1992年、1995年和1997年发生过3次坠毁事件，特别是，在北约对南联盟进行的轰炸中，美军几乎在每轮空袭中都出动了F-117A飞机。就在99年3月27日的第四轮空袭中，一架F-117A折戟沉沙，坠落在贝尔格莱德西北约50千米的地方；在4月1日的第9轮空袭中，又有一架F-117A被击伤，迫降在马其顿。研制：美国诺斯罗普；造价：每架飞机约6亿美元，加上研制费用，超过20亿美元；现状：现役，目前共装备21架。

B-2“幽灵”（Spirit）F-22“猛禽”是美国空军委托洛克希德、波音以及通用动力公司合作研制的新一代战斗机，也是专家们所指的目前唯一面世的“第四代战斗机”，它将成为下世纪初叶的主战机种。主要用途是压取战区制空权，因而也是F-15的后继型号。

国内在等离子电磁防护或者隐身技术方面的研究起步较晚，与国外的水平差距很大，并且很少有人进行试验性研究，还只是停留在理论证明可行性水平上。但我国的理论工作者在等离子体技术方面的研究也取得了一定的进展。目前他们已经针对许多不同情况，在等离子体与电磁波的相互作用方面进行了有益的探索和研究，提出了一些具有实际应用价值的模型，而且相互之间进行了借鉴与探讨，对一些现象进行了可能的解释。中国：莫锦军等从折射效应和吸收衰减两方面详细论述了等离子体隐身的基本原理。并首次提出用时变非磁化等离子体实现目标隐身的方法。唐德礼等人在考虑磁场影响的情况下，研究了均匀等离子体平板中不同磁场强度下，等离子体对电磁波的吸收、反射和透射特性。周友杰,何俊发等人探索了一种等离子体抗巡航导弹(GPS制导)新途径，为防御巡航导弹提供了理论依据及数据参考。此外，刘少斌等还分析了不均匀磁化等离子体对平行于磁场方向传播的左、右旋圆极化电磁波的碰撞吸收。等离子体，等离子体是物质的第四态。部分或完全电离的气体，其中自由电子和离子所带的正负电荷总和是相互抵消的，称为等离子体.二：理论方法2.1：等离子体概述

现有的天文学知识告诉我们：就整个宇宙而言，99％以上的物质都成等离子体态，太阳等恒星就是灼热的等离子体火球，地球上空80～400km处的电离层就是等离子体，是由太阳紫外线和宇宙射线使该处空气发生电离而形成的，它对人类的无线电通讯有重要意义。自然界中也存在大量的等离子体现象，闪电和极光是等离子体现象，此外在军事上，核爆炸、放射性核素的射线、高超音速飞行器的激波、火箭和喷气式飞机的射流，也都可以形成弱电离等离子体。

等离子体在受控核聚变、工业、表面加工技术、环境保护、日常照明等方面有重要应用，所以对等离子体的研究具有重要的理论和实际意义。实验室中等离子体的主要产生方法有气体放电、射线辐照、光电离、激光等离子体等。等离子体中电子和离子各自处于热平衡状态，等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示，如果二者相等则称之为热等离子体，反之则称之为冷等离子体，这里所谓的“冷”不是指温度非常低.2.2:等离子体参数

等离子体密度：它表示单位体积内所含电子数或离子数，电子密度和离子密度一般情况下是相等的。等离子体判据和德拜长度：等离子体行为的一个基本特征是它具有屏蔽作用于它上面的电势的能力。这种屏蔽称为德拜屏蔽。屏蔽距离和鞘层厚度的量度叫德拜长度(Debyelength)，及电势下降到库仑势的1/e时的空间长度(半径)。λD=

等离子体频率：（又称等离子体的截止频率）是等离子体密度决定的另一个重要参数，它描述外界某种扰动引起等离子体内部电子和离子的振荡情况其中2.3:计算方法将等离子体等效看成介质来研究等离子体与电磁波的相互作用，在没有静电荷的均匀介质中电磁波的麦克斯韦方程组

是由Appleton给出的平面电磁波以任意角度入射等离子体的复相对介电常量。2.4:物理模型雷达波垂直入射等离子体示意图

由麦克斯韦方程组可得电磁波在等离子体中的色散关系为：令，则有，而由此可得：Po、Pr、Pa、Pt分别表示入射功率、反射功率、吸收功率、透射功率，其中：三：实验研究等离子体无论在军事领域还是在民用领域都有着广泛应用前景，但是在应用方面存在一定难度,如何产生稳定的高密度等离子体成为一大难题。所以寻找产生稳定的高密度等离子体的方法,并且对等离子体电磁特性进行实验研究有着重要的意义。气体放电是实验室中产生等离子体的一种重要方式，气体放电早在上个世纪就被仔细地研究过，上世纪初汤生建立的气体击穿理论是关于气体导电的第一个定量理论，然而至今一直被人们公认为气体导电的基础理论之一。以下简单介绍这一理论1：任何气体中都有一定量的电子和离子，它们的浓度非常低，在没有外加电磁场的作用下一般认为这些带电粒子和中性粒子一样作无规则的运动。3.1气体放电2：在气体放电管中当两极间加上较弱的电压时，原有的带电粒子在电场的作用下作定向运动，形成弱电流。3：增大两极间电压，电场强度增大，电子和离子从电场中获得的能量也增大。当电子和离子从电场中获得的能量不足以产生新的电离机制时，放电电流依然保持恒定，同时放电也不伴随着发光，这通常叫汤生暗放电。4：当两极间电压继续增大，电子获得的能量大到一定值时，可以电离或激发中性气体分子。这使带电粒子浓度明显增大，气体转变为良导体。这时放电电流突然增大，这种状态叫做气体击穿而辉光放电则是气体放电中的一种重要放电形式，由于放电时，管内两电极空间出现特有的辉光，因此被称为辉光放电。其特点是电流密度较小，放电维持电压较高，但是放电功率比较小。因此是一种非常常用的气体放电类型，用来产生非等温等离子体，从而在激光、光源、超大规模继承电路微细加工技术、等离子体表面处理等方面有广阔的应用领域。在正常辉光放电的情况下，从阴极到阳极之间的各个空间大约可以分为阴极、阿斯顿暗区、阴极辉光区、阴极暗区、阴极区、负辉光区、法拉第暗区、正柱区、阳极辉光区、阳极暗区和阳极区。3.2辉光放电阴极Aston暗区阴极暗区阴极辉光负辉光法拉弟暗区阳极暗区阳极辉光正柱区阳极正常辉光放电的阴极区和负辉区都被包围在阴极空腔内部，负辉区相互重叠。高能电子可以在阴极空腔内来回振荡，使阴极内带电粒子浓度更高，其他高能粒子也相应增多，有更多的粒子轰击阴极内表面。同时由于辐射光较强，也会产生光电子发射，这些都大大提高了阴极内表面的二次电子发射率，也提高了高能电子碰撞的电离系数，电子雪崩增长更快，大量电子最终离开阴极向阳极运动。在相同的条件下，空心阴极辉光放电的电流密度比正常辉光放电明显增大，被称为空心阴极效应3.3空心阴极放电与普通辉光放电相比所具有的特点：a:电极间压降较低，电流密度较大；

b:等离子体区域内的电子离子密度高；c:高能粒子多，强烈的阴极溅射；三种常用的空心阴极以及实验装置介绍几种空心阴极结构（a）圆孔形空心阴极