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第1章 核辐射在大气中产生的电离效应1

1.1 引言1

1.2 X射线产生的电离源2

1.2.1 计算公式2

1.2.2 计算结果4

1.3 γ射线产生的电离源5

1.3.1 瞬发γ射线产生的电离源5

1.3.2 缓发γ射线产生的电离源6

1.4 缓发β射线产生的电离源7

1.4.1 描述缓发β粒子运动的坐标7

1.4.2 电离源的计算公式9

1.5 中子产生的电离源12

1.5.1 瞬发、缓发中子衰变产生的电离源12

1.5.2 中子通量13

1.5.3 中子产生的γ源16

1.5.4 γ与空气相互作用产生的电离源17

1.5.5 电离源产生的电子数20

1.6 电离源计算结果综述22

参考文献23

第2章 大气电离产生的电子及其对电磁波传播的影响24

2.1 引言24

2.2 三种大气消电离微分方程组和各种相互作用的速率系数25

2.2.1 三种大气消电离微分方程组25

2.2.2 电子同正、负离子作用的速率系数25

2.3 三种大气消电离微分方程组的近似解析解26

2.3.1 稳定条件下三种大气消电离微分方程组的解析解26

2.3.2 源项趋于零时三种大气消电离微分方程组的解析解28

2.3.3 被积函数中的代数式展开时的解析解29

2.3.4 被积函数中指数式展开时的解析解30

2.3.5 源项和等效正离子复合系数与时间无关时方程组的解析解31

2.3.6 强源项时三种大气消电离微分方程组的解析解32

2.3.7 等效复合系数的讨论33

2.4 电子和负离子数密度的近似估计34

2.4.1 X射线和瞬发γ射线34

2.4.2 缓发γ射线35

2.4.3 缓发β射线36

2.5 三种大气消电离微分方程组的数值解36

2.6 电子密度对电磁波传播的影响38

2.6.1 电磁波在电离区传播的衰减公式38

2.6.2 X射线产生的电子密度导致的电磁波衰减39

2.6.3 瞬发γ射线产生的电子密度导致的电磁波衰减42

2.6.4 缓发γ和缓发β射线产生的电子密度导致的电磁波衰减42

2.7 计算结果及其分析43

2.7.1 瞬发源产生的电子密度43

2.7.2 瞬发源和缓发γ产生的电子密度44

2.7.3 缓发源产生的电子密度45

2.7.4 瞬发中子产生的电子密度46

2.7.5 用数值解和解析解计算的不同种类源产生的电子密度47

2.7.6 不同爆高产生的电离源和电子密度49

2.7.7 地面爆炸产生的电子密度51

2.7.8 考虑弹体上升、膨胀过程时电离源和电子密度的近似计算方法53

参考文献54

第3章 高空核电磁脉冲55

3.1 引言55

3.2 麦克斯韦方程组55

3.3 初级电子速度方程组的解析解60

3.3.1 碰撞频率和坐标变换61

3.3.2 用特征方程组与特征向量求解齐次电子运动方程组的解析解63

3.3.3 用参数变易法求解非齐次电子运动方程组的解析解66

3.4 瞬发γ光子在远离爆点区产生的电磁脉冲69

3.4.1 初级电流和次级电流69

3.4.2 电磁脉冲的数值计算74

3.5 X射线产生的电磁脉冲82

3.5.1 电场方程82

3.5.2 初级电流密度的微分方程83

3.5.3 用攒动理论求解次级电流密度87

3.6 X射线产生的电磁脉冲的简化模型89

3.6.1 概述89

3.6.2 电场方程与初级电流和次级电流89

3.6.3 初级X-光电子运动方程和次级电子方程组91

3.6.4 X-光电子的速度谱分布函数91

3.6.5 各类方程组的数值求解方法93

3.6.6 数值计算结果94

3.7 瞬发中子产生的电磁脉冲96

参考文献97

第4章 高空核电磁脉冲模拟实验98

4.1 高空电磁脉冲环境98

4.1.1 γ射线与物质的相互作用98

4.1.2 电磁脉冲源区98

4.1.3 高空核电磁脉冲产生机理99

4.1.4 HEMP环境100

4.2 HEMP模拟实验102

4.2.1 实验的目的和意义102

4.2.2 实验类型103

4.3 HEMP模拟器104

4.3.1 脉冲能源104

4.3.2 有界波模拟器106

4.3.3 辐射波电磁脉冲模拟器107

4.4 环境与响应测量110

4.4.1 测量的物理依据110

4.4.2 传感器的物理含义与等效电路表示法112

4.4.3 圆柱形短天线114

4.4.4 环形天线119

4.4.5 网栅式电场传感器设计思想123

4.4.6 测量系统124

参考文献129

第5章 水平导线和圆柱腔体中的电磁脉冲130

5.1 系统电磁脉冲和内电磁脉冲130

5.2 麦克斯韦方程组和定解条件131

5.2.1 麦克斯韦方程组131

5.2.2 麦克斯韦方程组的定解条件133

5.3 γ辐射在空气中产生的电流和电场135

5.3.1 自由空气中的电流135

5.3.2 自由空气中的电场强度135

5.4 在水平导线中的麦克斯韦方程组和定解条件136

5.5 电磁脉冲在水平导线中的传播——波动过程137

5.6 电磁脉冲在水平导线中的传播——衰减过程142

5.7 电磁脉冲在水平导线中的传播——扩散过程145

5.8 γ辐射在圆柱腔体前端面处产生的初级电流147

5.9 二维真空圆柱腔体中的内电磁脉冲152

5.9.1 标量势和矢量势方程的解析解152

5.9.2 用格林函数方法求解二维真空圆柱腔体中的内电磁脉冲154

参考文献157

第6章 两种不同腔体中内电磁脉冲的数值解158

6.1 初级电流和次级电流158

6.2 二维圆柱腔体中麦克斯韦方程组的差分方程组160

6.3 次级电子方程组的差分方程组165

6.4 二维圆柱腔体中内电磁脉冲的计算结果168

6.4.1 电场强度和磁感强度随腔体中相对空气密度的变化168

6.4.2 电场强度和磁感强度随γ辐射强度的变化170

6.4.3 不同腔体半径电场强度的数值结果170

6.4.4 不同腔体长度电场强度的数值结果171

6.4.5 电场强度随半高宽度变化的数值结果171

6.4.6 真空状态下电场强度和磁感强度随时间τ的变化172

6.4.7 电导率σ随入射强度c的变化173

6.4.8 初级电流和次级电流随τ的变化174

6.5 三维直角坐标中的麦克斯韦方程组的差分方程组174

6.5.1 概述174

6.5.2 差分方程组175

6.6 三维长方腔体中内电磁脉冲的计算结果179

6.6.1 不同位置处电场强度随时间的变化179

6.6.2 c取不同值时电场强度随时间的变化180

6.6.3 c取不同值时磁感强度By随时间的变化181

6.6.4 电场强度和磁感强度极大值随c的变化181

6.6.5 电场强度空间分布和电场与磁感强度极大值的数值结果182

参考文献183

第7章 相对论初级电离气体方程组184

7.1 相对论流体力学方程组184

7.2 相对论初级电离气体方程组185

7.3 直角坐标系和柱坐标系中的初级电离气体的欧拉方程组186

7.3.1 直角坐标系中的初级电离气体方程组186

7.3.2 柱坐标系中初级电离气体方程组188

7.4 柱坐标系和直角坐标系中初级电离气体的拉格朗日方程组191

7.4.1 二维柱坐标系中初级电离气体的拉格朗日方程组191

7.4.2 三维直角坐标系中初级电离气体的拉格朗日方程组195

参考文献199

第8章 强电离条件下的内电磁脉冲200

8.1 用欧拉方法求解初级电子方程组200

8.1.1 引言200

8.1.2 一维直角坐标系中初级电子方程组的差分方程组201

8.1.3 二维柱坐标系中初级电子方程组的差分方程组205

8.1.4 守恒量的计算公式209

8.1.5 三维直角坐标系中初级电子方程组的差分方程组210

8.1.6 三维直角坐标系中内电磁脉冲的数值结果212

8.2 用拉格朗日方法求解初级电子方程组213

8.2.1 引言213

8.2.2 初始条件和符号说明214

8.2.3 初级电子方程组的差分方程组215

8.2.4 初级电子方程组中的拉格朗日量和电磁场量之间关系的处理217

8.2.5 两种网格（拉格朗日和欧拉网格）量之间其他几种情况的处理217

8.3 用质点网格（PIC）方法求解二维柱坐标中的初级电子方程组222

8.3.1 引言222

8.3.2 初始条件和符号说明223

8.3.3 初级电子方程组和求解步骤224

8.3.4 初级电子方程组的数值解法225

8.3.5 一些问题的处理228

8.3.6 守恒量计算公式229

8.3.7 边界和腔体内部同时产生质点时初级电流的求解方法230

8.4 柱二维内电磁脉冲的计算结果232

8.5 用质点源方法求解三维直角坐标中的初级电子方程组238

8.5.1 初级电子动量方程组的差分方程组238

8.5.2 计算结果241

8.6 柱三维内电磁脉冲的几个主要问题245

参考文献247

第9章 内电磁脉冲实验249

9.1 引言249

9.2 IEMP产生的物理过程250

9.2.1 麦克斯韦方程组250

9.2.2 电流源251

9.3 IEMP实验253

9.3.1 实验原理254

9.3.2 γ光子源254

9.3.3 IEMP实验装置255

9.4 测试传感器256

9.4.1 磁场传感器256

9.4.2 电流传感器257

9.4.3 电场传感器260

9.5 测试系统与抗干扰设计262

9.5.1 传感器设计262

9.5.2 双屏蔽电缆测试系统263

9.5.3 光纤测试系统263

9.6 IEMP实验规律性结果与分析264

9.6.1 IEMP波形264

9.6.2 IEMP理论计算结果及其与实验结果的比较266

9.6.3 电场强度与照射剂量的关系267

9.6.4 腔内不同部位的电场分布267

9.6.5 IEMP与腔内气压的关系268

9.7 结论269

参考文献269

第10章 一维系统电磁脉冲的边界层特征271

10.1 辐射电子的返回时间和离开辐射表面的极大距离271

10.2 定态条件下的电子速度和轨迹275

10.3 电子辐射分布函数与相空间分布函数间的关系280

10.4 电子发射角分布和垂直能量分布之间的关系285

10.5 一维直角坐标中玻耳兹曼方程的解析解289

10.6 泊松方程的解291

10.7 一维平板、圆柱和球面坐标中电子运动特征的解析解293

10.7.1 一维平板293

10.7.2 一维圆柱296

10.7.3 一维球面299

参考文献300

第11章 一维系统电磁脉冲301

11.1 引言301

11.2 光电效应302

11.3 光子产生电子的物理模型303

11.3.1 X光子通量303

11.3.2 初级光电子产额304

11.3.3 俄歇电子产额306

11.3.4 次级电子产额307

11.4 光电子辐射流307

11.5 一维直角坐标系中系统电磁脉冲方程组309

11.6 数值计算结果310

11.6.1 X-光电子产额310

11.6.2 电场强度的数值结果313

11.7 总电流密度的两种不同计算方法315

11.8 非相对论玻耳兹曼方程316

11.9 相对论玻耳兹曼方程318

11.10 玻耳兹曼方程中的源项324

11.10.1 初级电子源324

11.10.2 次级电子源328

11.11 玻耳兹曼方程和电场方程的差分方程330

11.11.1 玻耳兹曼方程的差分方程330

11.11.2 电场方程的差分方程331

11.12 数值计算结果331

参考文献333

第12章 二维系统电磁脉冲的数值解334

12.1 系统电磁脉冲同内电磁脉冲特征的比较334

12.2 平面电磁波的边界条件336

12.3 二维直角坐标系中系统电磁脉冲方程组341

12.3.1 麦克斯韦方程组341

12.3.2 初级电子方程组342

12.3.3 次级电子方程组343

12.4 二维直角坐标系中系统电磁脉冲方程组的差分方程组344

12.4.1 麦克斯韦方程组的差分方程组344

12.4.2 初级电子方程组的差分方程组347

12.4.3 次级电子方程组的差分方程组348

12.5 数值计算结果349

12.6 用质点源方法计算二维系统电磁脉冲问题中的初级电流353

12.6.1 初级电子方程组353

12.6.2 动量方程的差分方程355

12.6.3 计算结果356

参考文献358

第13章 电磁脉冲研究的延伸与拓展——高功率微波技术进展359

13.1 引言359

13.2 超宽带高功率微波技术进展360

13.2.1 气体开关、液体开关和UWB源361

13.2.2 固态UWB源366

13.2.3 超宽带天线372

13.2.4 小结373

13.3 窄带高功率微波源的技术进展374

13.3.1 HPM系统374

13.3.2 HPM产生的物理过程375

13.3.3 窄带HPM源的构成376

13.3.4 几种有代表性的HPM源377

13.3.5 20世纪90年代初HPM技术水平及当时对以后10年发展水平的预估384

13.3.6 20世纪90年代中期以来HPM源技术发展遇到的问题和进展387

13.3.7 美国HPM研究特点389

参考文献391

第14章 高功率电磁环境下系统易损性与加固技术392

14.1 引言392

14.2 高功率微波源参数与高功率微波环境393

14.2.1 高功率微波源参数393

14.2.2 HPM环境396

14.2.3 大气衰减398

14.3 HPM对系统的耦合399

14.3.1 前门耦合400

14.3.2 后门耦合403

14.3.3 起弧对耦合的影响409

14.4 组件的HPM敏感度410

14.4.1 概述410

14.4.2 组件敏感度阈值及测量411

14.5 系统HPM敏感度与易损性评估417

14.5.1 进入口有效面积417

14.5.2 传输损耗417

14.5.3 敏感组件损伤阈值417

14.5.4 系统50%损伤概率时的损伤阈值418

14.5.5 损伤概率曲线418

14.5.6 系统HPM敏感度评估的不确定性418

14.6 高功率微波加固技术420

14.6.1 概述420

14.6.2 确定需要的加固程度421

14.6.3 前门加固技术422

14.6.4 后门加固技术427

14.6.5 加固技术结束语431

参考文献432

附表 国际单位制和高斯单位制物理量单位换算434