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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