等离子体对高功率微波的防护(2)

第1期 杨耿等：等离子体对高功率微波的防护

2ωp

2ωp2

2

91

波会由于等离子体的吸收而衰减。微波继续传播，在介质层2前、后表面被反射后进入等离子体层2内，电磁波经过图1多层结构的反射和吸收以后，剩余能量Pt将大大减小，从而达到防护的目的。

2.2 等离子体对电磁波的反射和吸收

当电磁波的频率小于或等于等离子体频率时，电磁波将被全反射[5]频率大于朗谬尔频率的电磁波，设平面电磁波沿z方向传播，则有：

E=E0expj(ωt kz) (1) 式中，ω为电磁波的频率；k为波的传播常数，k=β jα，其中，实部β为相位常数，虚部α为衰减常数。

-介质、介质-等离子体交界面的电磁波的传播功率分别为P1、P2，电磁波在交界面被反射的功率分别为Pr1、Pr2，则电磁波在交界面的反射功率满足下式[4, 6]:

εr=1

ω+v

22

j

v

ωω+v

(5)

式中，ω为电磁波频率；ωp为等离子体频率；ν为电子与中性粒子的碰撞频率。

由式(1)和式(5)，求解麦克斯韦方程组得到[7]：

ωω1

α=k0[ (1 2p2+((1 2p2)2

2ω+vω+v

+(

v

2

ωp22

(6)

ωω+v

)2)1/2]}1/2

式中，k0=ω/c。

3 计算结果及分析

在第一层等离子体的碰撞频率v1为70GHz，第气体放电产二层等离子体的碰撞频率v2为70GHz，

相应的等离子体生的等离子体密度[8]达到1019m 3，频率ωp约为30GHz[7]的条件下，计算了电磁波的反射和透射功率。

3.1 防护模型前表面电磁波的反射

当入射电磁波的频率小于或等于等离子体频率时，电磁波将被全反射。文中防护结构所采用的

如果高功率微均匀非磁化等离子体频率为30GHz，

30GHz以下，则微波会被全部反射而不能在防护结构中传播，不能对防护目标造成危害。

3.2 电磁波经过防护结构后的透射功率

根据式(2)和(3)，计算了频率31～80GHz的电磁波经图1装置反射和吸收以后，最终进入到保护对象的剩余功率Pt，计算结果如图2所示。图2中纵坐标是透过防护结构后的电磁波剩余功率与初始入射功率比值，横坐标对应不同频率的入射电磁波。

由图2可知，入射电磁波经过等离子体的反射和吸收以后，其能量被有效地衰减。不同频率的电磁波透射过图1装置后有不同的剩余功率，剩余功率与初始入射功率的比值在0.3%～2.7%之间。 3.3 防护结构层数对防护效果的影响

由式(3)可知，等离子体厚度越厚对电磁波吸收作用越强，电磁波的透射功率就越小。下面讨论在等离子体厚度不变的情况下，防护结构层数对防护效果的影响。计算选取的参数与3.2节相同，不同的是10cm的等离子体只作为一层等离子体，即

PPr11 n

=, r2=

P21+nP1

2

(2)

式中，εr为非磁化等离子体的相对介电常数。

由于等离子体对电磁波存在吸收损耗，设透射进入等离子体内的电磁波功率为P’，则电磁波传播到等离子体内任意位置z的功率为[6]：

(z)=P'exp( 2αz) (3) 在图1装置中，由于采用的是均匀等离子体模型，在等离子体内部电磁波没有反射。电磁波在传播过程中被介质层表面和等离子体层表面多次反射，被反射的功率记为Pra。忽略介质对电磁波的吸收作用，每经过一次等离子体层电磁波被吸收衰减，被吸收的功率分别记为Paj(j=1,2)。经过图1装置后最终进入保护对象的电磁波剩余功率为：

Pt=P0

j=1,2

∑(Paj+Pra) (4)

2.3 等离子衰减系数α的计算

在部分电离等离子体中，由于中性气体的密度远大于等离子体密度，因此可以忽略电子与离子的碰撞，另外由于离子的质量远大于电子的质量，所以电子振荡频率也远大于离子振荡频率。若忽略离子的影响，非磁化等离子体的相对介电常数[7]εr可写为: