空間粒子束技術應用概論（簡體書）

本書圍繞粒子束技術空間應用，分為四個部分進行論述。第一部分由第 1、2章組成，主要介紹粒子束技術發展現狀及空間應用的局限性，重點介紹了空間電子型粒子束定向能裝置的基本概念；第二部分由第 3～5章組成，重點介紹了粒子束空間應用機理、空間環境及粒子束空間傳輸等；第三部分由第 6～12章組成，分別介紹了空間電子型粒子束定向能裝置系統的組成、加速器技術、微波源技術、捕獲跟蹤瞄準技術、天基系統散熱、粒子束裝置空間應用場景及應用模式等內容；第四部分由第 13、14章組成，重點對粒子束空間防護問題進行了探討，同時對粒子束空間拓展應用進行分析，主要包括空間 X射線雷達、空間 X射線通信、基於空間自由激光的大功率 THz源技術等。
本書作者系統總結和歸納了當前粒子束空間應用的主要障礙和技術難點，並在自身理解和認識的基礎上提出了粒子束空間應用的新概念和新思路，並進行了系統討論。本書可作為空間粒子束技術領域，尤其是空間安全相關技術研究人員和工程技術人員的參考書。

方進勇，博士（後），中國空間技術研究院西安分院研究員，中國航天科技集團公司科技委空間安全與維護專業技術組成員。主要研究方向包括：高功率微波技術、空間安全技術、空間環境等。完成“863”項目8項、航天科技集團公司重點預研項目1項。先後獲國家科技進步二等獎1項，部級科技進步一等獎1項、二等獎6項、三等獎4項。發表SCI及EI論文50餘篇。

1.展現了我國在粒子束技術空間應用領域的眾多原創性科研成果
2.反映“互聯網+”與航天技術的融合發展
3.體現我國空間探索和空間應用的科技創新能力
4.力圖為研究和設計的人員提供新的設計思路和方法

第 1章緒論 001
1．1粒子束技術 002
1．1．1加速器的基本構成 003
1．1．2加速器的發展現狀 003
1．1．3加速器的應用 005
1．2粒子束技術的軍事應用 008
1．2．1粒子束武器發展現狀 008
1．2．2粒子束武器系統組成 011
1．2．3粒子束武器核心技術 012
1．3粒子束技術空間應用的局限性 015
1．3．1毀傷機理 015
1．3．2粒子束系統 016
1．3．3傳輸問題 016
1．4粒子束技術空間應用可能性分析 018
1．4．1航天器技術構成發生顯著變化 018
1．4．2重離子型粒子束技術空間應用可行性分析 019
1．4．3電子型粒子束技術空間應用可行性分析 019
1．5小結 020
參考文獻 021
2．1硬毀傷的概念與內涵 025
3．7．2微放電效應建立的條件 089
3．7．3微放電效應對航天器載荷的影響 091
3．7．4能量電子引起的增強微放電效應 092
3．8小結 096
參考文獻 098
第 2章空間電子型粒子束技術 023
2．1．1 硬毀傷所需能量 026
2．1．2 能量的時空分佈對閾值的影響 028
2．1．3 “通用 ”硬毀傷標準 030
2．2 硬毀傷型空間電子束定向能裝置參數設置 033
2．3 硬毀傷型空間電子束技術應用局限性 036
2．4 功能損傷的概念與內涵 039
2．5 小結 043
參考文獻 044
第 3章 高能電子束與目標的相互作用 046
3．1 電子與材料原子的微觀作用 049
3．1．1 電子的電離能損 050
3．1．2 電子的輻射能損 050
3．2 電子束與物質的相互作用 052
3．2．1 入射電子產生的信息 053
3．2．2 電子與固體作用產生的發射電子譜 054
3．2．3 電子吸收和射程 055
3．3 能量電子對介質材料的充放電現象 057
3．3．1 充放電機理 057
3．3．2 充放電建立條件 058
3．3．3 自然空間環境的充放電特點 060
3．3．4 充放電效應對航天器的影響 063
3．4 能量電子對半導體材料和器件的影響 066
3．4．1 電子對半導體材料和器件的作用機理 066
3．4．2 電子對半導體材料的影響實例 067
3．4．3 電子對 NPN晶體管的輻照損傷實例 069
3．5 能量電子引起單粒子效應 073
3．6 能量電子對太陽能帆板的影響 077
3．6．1 太陽能電池簡介 077
3．6．2 太陽能電池工作的基本原理 078
3．6．3 能量電子作用空間太陽能電池的失效原理 079
3．6．4 高能電子輻照對太陽能電池的影響實例 080
3．7 能量電子對微波部件的影響 088
3．7．1 能量電子對微波器件的影響機制 088
第 4章空間環境 102
4．1空間環境基礎 103
4．1．1引力場與微重力 103
4．1．2真空 104
4．1．3電離層 104
4．1．4地球磁場與磁層 106
4．1．5地球電場 108
4．2空間輻射環境 109
4．2．1帶電粒子輻射 109
4．2．2太陽電磁輻射 114
4．2．3人工輻射 114
4．3空間等離子體環境 116
4．3．1等離子體的基本特性 116
4．3．2等離子體環境 118
4．4空間環境對航天器的影響 119
4．4．1高能帶電粒子環境的影響 120
4．4．2空間等離子體環境的影響 122
4．5空間磁場分類及特點 124
4．6空間磁場建模 128
4．6．1地球磁場建模 128
4．6．2磁層磁場模型 132
4．6．3磁場建模討論 134
4．7小結 136
參考文獻 137
第 5章粒子束空間傳輸 141
5．1帶電粒子束傳輸物理基礎 142
5．1．1單粒子動力學基礎 142
5．1．2束流特徵參數 144
5．1．3真空束流傳輸理論 145
5．1．4虛陰極及限制電流 146
5．2基於等離子體的空間傳輸理論 148
5．2．1空間傳輸損耗 148
5．2．2基於等離子體背景的束流擴散 150
5．2．3電流中和效應 150
5．2．4空間電荷效應 151
5．2．5空間傳輸兩大難點 151
5．2．6空間傳輸其他重要問題 154
5．3電子束空間傳輸解析方法 157
5．3．1基於電荷中和的束流傳輸線性束理論 157
5．3．2單粒子運動方程 157
5．4 PIC模擬方法 159
5．4．1方法流程與物理基礎 160
5．4．2離散網格與離散時間模型 161
5．4．3電磁場算法 162
5．4．4宏粒子模型 163
5．4．5粒子運動方程 164
5．4．6粒子與場互作用算法 165
5．4．7方法應用討論 169
5．5小結 170參考文獻 171
第 6章空間電子束系統 173
6．1空間電子束系統組成 174
6．1．1電子束加速系統 175
6．1．2空間大功率微波源技術 175
6．1．3空間碎片目標跟蹤、瞄準與束流控制系統 176
6．2空間電子束系統應用需考慮的其他問題 178
6．2．1熱控系統 178
6．2．2電子產生與平臺維持中性一體化技術 178
6．3小結 180
參考文獻 181
第 7章電子束加速技術 183
7．1加速器技術概述 184
7．1．1加速器類型討論 184
7．1．2系統方案組成 185
7．2行波電子直線加速器的基本原理 189
7．2．1行波電子直線加速器的加速原理 189
7．2．2行波電子直線加速器的主要參數 190
7．2．3盤荷波導電磁場理論及計算 194
7．3行波電子直線加速器物理設計 203
7．3．1基本參數設計 203
7．3．2耦合器 206
7．3．3聚束段與加速腔 213
7．3．4不同相位電子聚束與加速分析 214
7．3．5物理參數與幾何公差的關係 217
7．4行波電子直線加速器聚焦系統設計 219
7．4．1螺線管線圈 219
7．4．2永磁體 221
7．5束流集體不穩定性 222
7．6空間加速器技術探討 224
7．7小結 226
參考文獻 227
第 8章空間大功率微波源技術 229
8．1大功率微波源在空間電子束系統中的地位與作用 230
8．2空間大功率微波源的系統組成 232
8．3初級能源系統 234
8．3．1電源供給系統 234
8．3．2儲能系統 236
8．3．3空間大功率微波源系統初級源方案簡析 241
8．4脈衝調製技術 244
8．4．1脈衝調製器的分類 244
8．4．2線型脈衝調製器 245
8．4．3剛管調製器 247
8．4．4全固態剛管調製器 248
8．4．5空間大功率微波源系統脈衝調製器方案簡析 252
8．5微波管 253
8．5．1微波管的類型 253
8．5．2微波管的發展 256
8．5．3空間大功率微波源系統微波管應用簡析 259
8．6空間大功率微波源輔助系統 260
8．6．1控制系統 260
8．6．2熱控系統 261
8．7空間 Ku波段 MW級微波源設計案例 263
8．7．1參數及工作要求 263
8．7．2系統設計 263
8．7．3系統指標 269
8．8小結 271
參考文獻 272
第 9章天基系統的熱控技術 274
9．1航天器空間熱環境及熱交換 275
9．1．1航天器空間熱環境 276
9．1．2航天器的熱交換 276
9．2航天器常用熱控技術 280
9．2．1被動熱控技術 280
9．2．2主動熱控技術 285
9．3天基粒子束裝置溫控系統研究現狀 288
9．4天基電子束系統對熱控系統的要求 291
9．5大功率微波管的熱控方法 293
9．6空間高能電子加速器熱控方法 295
9．7小結 297
參考文獻 298
第 10章空間電子束系統電子補給技術 300
10．1天基電子束系統的中性化概念 301
10．2天基系統中性化常用方法 302
10．2．1天基電中性化方法概述 302
10．2．2等離子體或離子發射基本原理 304
10．2．3等離子體產生方法 304
10．3空間電子束系統電子補給需求 307
10．4不同軌道高度空間電子補給能力 309
10．4．1空間帶電模型 309
10．4．2空間帶電物體中和模型 310
10．5帶電航天器補給電子能力 313
10．5．1帶正電物體中和模型 313
10．5．2帶負電物體中和模型 314
10．5．3空間電子補給能力討論 315
10．6小結 317
參考文獻 318
第 11章利用電子束系統進行空間碎片清除 320
11．1空間碎片概況 321
11．1．1空間碎片 321
11．1．2空間碎片危害 324
11．1．3空間碎片研究範疇及方法 326
11．2常用空間碎片清除方法 327
11．2．1增阻離軌清除技術 328
11．2．2非接觸推移離軌清除技術 330
11．2．3抓捕推移離軌清除技術 333
11．3利用電子束系統進行碎片驅離原理 337
11．3．1空間碎片的降軌模式及原理 337
11．3．2電子束清除軌道碎片的方法 340
11．4小結 345
參考文獻 346
第 12章空間碎片捕獲、跟蹤、瞄準技術 350
12．1電子束系統清除空間碎片的工作流程 351
12．2 ATP系統 353
12．2．1系統組成及功能 353
12．2．2 ATP系統模型 356
12．2．3空間ATP系統應用簡析 360
12．3電子束空間波束控制 365
12．3．1靜電偏轉控制系統 365
12．3．2磁偏轉控制系統 367
12．4電子束空間傳輸對空間碎片瞄準的影響 369
12．5小結 371
參考文獻 372
第 13章粒子束空間防護技術 374
13．1空間粒子防護的基本手段 376
13．1．1充放電防護技術 376
13．1．2電離輻射防護 381
13．2現有航天器防護存在的問題 386
13．2．1靜電防護存在的問題 387
13．2．2電離輻照防護存在的問題 387
13．3防護技術的發展 390
13．3．1熱傳遞速率的問題 390
13．3．2屏蔽防護的厚度問題 393
13．3．3介質電導率的問題 394
13．3．4電子束誘發的航天器靜電放電問題 395
13．4小結 396
參考文獻 397
第 14章高能電子束其他空間應用 399
14．1空間 X射線雷達技術 400
14．1．1基本原理 400
14．1．2研究現狀 401
14．1．3存在的問題 406
14．1．4發展趨勢 406
14．2空間 X射線通信 407
14．2．1基本原理 407
14．2．2研究現狀 407
14．2．3存在的問題 411
14．2．4發展趨勢 411
14．3小型化自由激光太赫茲源 413
14．3．1 基本原理 413
14．3．2 研究現狀 414
14．3．3 存在的問題 415
14．3．4 發展趨勢 415
14．4 小結 417
參考文獻 418
索引 420