利用气体击穿获取窄脉冲微波

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1、第11卷　第4期强激光与粒子束Vol.11,No.41999年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,1999文章编号:1001—4322(1999)04—0477—05X利用气体击穿获取窄脉冲微波方进勇,　刘静月,　刘国治,　王宏军(西北核技术研究所,西安市69信箱13分箱,710024)　　摘　要:介绍了利用气体击穿获取窄脉冲微波的理论基础、实验方法及实验结果。利用气体击穿获取窄脉冲微波是提高微波效应源性能的一种较为有效的辅助手段,其费效比较低,能够较好地为当前的高功率微波效应实验服务。　　关键词:微波

2、;　气体击穿;　窄脉冲　　中图分类号:TN24文献标识码:A　　由于当前发射功率达到GW量级的高功率微波源脉冲宽度一般在几十纳秒左右,因此研究如何利用现有的效应源获得窄脉冲实验效果成为一个重要课题。由高功率微波大气击穿研[1]究可知,一定密度的气体在高功率微波脉冲作用下将进一步电离、击穿,在注入微波脉冲宽度一定的情况下调整气体压强,可以获得不同宽度的透射脉冲,实际应用中只需在现有的宽脉冲微波源发射系统上联接一段气压可调的实验波导段,即可达到获取不同脉宽的微波脉冲的目的。[1,2]1　利用气体击穿获取窄脉冲微波的理论基础　　利用气体击穿获取窄

3、脉冲微波的理论基础是高功率微波大气击穿理论。假设在给定的气[1]压下,作用于气体的微波脉冲总能满足击穿条件,微波脉冲的上升沿为tr,则微波电场的均[1]方根值Erms与透射脉宽S及气压p的关系由以下几个式子确定21ö2MmEe=Erms22(1)X+Mm9Mm2.35×10(Eeöp)Ee=,1≤≤30(2)p1+0.58(Eeöp)p8Mm3.24×10(Eeöp)Ee=,30≤≤54(3)p1+0.04(Eeöp)p8Mm2.93×10(Eeöp)Ee=,54≤≤120(4)p1+0.04(Eeöp)pMm81ö2Ee=5.2×10(E

4、eöp),120≤≤3000(5)ppcrcrMine1ne1=ln=ln(6)pne01ne0pSp(S’-t’r)21ö23ö2MiEeEe7208pEe=1.45+0.01×2.5×10exp-,1≤≤30(7)pppEepX国家863激光技术领域资助课题1998年10月12日收到原稿,1999年5月6日收到修改稿。方进勇,男,1971年11月出生,硕士,研究实习员©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.478强激光与粒子束第11卷MiEe7208p

5、Ee=1.32+0.054×10exp-,30≤≤54(8)ppEepMiEe7273.8pEe=5.0+0.19×10exp-,54≤≤120(9)ppEep1ö2Mi6Ee359pEe=54.08×10exp-,120≤≤3000(10)ppEep式中Ee为等效电场值(Vöm),即在直流外加电场和交流(微波)外加电场两种不同作用下自由电子获得的速率相等时交流(微波)电场等效的直流电场值;X为微波角频率;Mm为气体中电子动量转移碰撞频率;Mi为电子电离速率;p为气体压强(单位:133.3Pa);S’为脉冲前沿到等离cr子体密度达到ne的时

6、间;t’r为透射脉冲的上升沿;S为透射脉宽,如果入射微波脉冲为方波,即tr≈0,则Ee与t无关,S即为透射方波的脉冲宽度,如果入射微波脉冲的上升沿不是无穷小,即tr具有一定值时,在上升沿区,Mi与t的关系用线性近似,则S由透射脉冲前沿半高时刻到后沿的90%时刻差确定(此时微波功率相对于最大值衰减10%),在一般击穿不是特别强烈的情况下(S’>trö2),透射脉冲的上升沿与入射脉冲的上升沿基本是一致的,即t’r≈tr,S≈S’cr-trö2;ne0为初始等离子体密度,ne为气体击穿时等离子体密度,如果微波作用的气体是空气,-43cr1423c

7、rne0可近似取10个öcm,ne≈10ö9K个öcm,微波频率一定,则ne固定。　　由(1)～(5)式,给定微波频率及气压值,可以得到Erms与等效电场Ee的关系曲线,显然Mm越大,Erms与Ee越接近。固定Ee=1000Vöcm,改变气压p。由图1可以看到,随着气压的增大,Erms与Ee越接近,当p>1333Pa时Erm≈sEe。另外由分析可知,频率越低,Erms偏离Ee的程度越小。在本文的讨论中,微波频率低于10GHz,气压一般大于1333Pa因此认为Erms≈Ee是合理的。Fig.1Plotofthequantityatmosphe

8、ricFig.2AtmosphericpressurepasafunctionpressurepasafunctionofErms≈EeofpulsewidthS,showing