粒子束空间传输影响因素及应对方法_任三孩.pdf

第 45 卷 第 2 期国防科技大学学报Vol 45 No 22023 年 4 月JOUNAL OF NATIONAL UNIVESITY OF DEFENSE TECHNOLOGYApr 2023doi:10 11887/j cn 202302016http:/journal nudt edu cn粒子束空间传输影响因素及应对方法*任三孩1，邢艳军2，彭忠3，黄惠军4(1 北京跟踪与通信技术研究所，北京100094;2 北京空间飞行器总体设计部，北京100094;3 北京卫星环境工程研究所，北京100094;4 西安空间无线电技术研究所，陕西 西安710100)摘要:全面分析了初始束流分布、发散度、能散度以及地磁场对粒子束空间传输的影响情况，并针对束流长距离传输的静电扩散和地磁偏转效应进行了数值建模及定量的数值仿真研究。结果表明，对于固定束流能量、流强粒子束，可通过增大初始半径削弱粒子束静电扩散效应达到设计要求;通过背景磁场精确预测，可准确控制束流方向精度。可以看出，研究带电粒子束本身的自洽行为以及与外场的作用，对带电粒子束流的产生、传输特性研究及工程化应用都有重要意义。关键词:粒子束;空间传输;静电扩散;地磁偏转中图分类号:V419 2文献标志码:A文章编号:1001 2486(2023)02 138 08Influence factors and coping strategies about the spacetransmission of particle beamEN Sanhai1，XING Yanjun2，PENG Zhong3，HUANG Huijun4(1 Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology，Beijing 100094，China;2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China;3 Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China;4 Xian Institute of Space adio Technology，Xian 710100，China)Abstract:The effects of initial beam distribution，divergence，energy divergence and geomagnetic field on the spatial transmission of particlebeams were comprehensively analyzed，and the numerical modeling and quantitative numerical simulation of electrostatic diffusion and geomagneticdeflection effects were carried out The simulation result shows that for particle beam with fixed beam energy and beam intensity，the electrostaticdiffusion effect of the particle beam can be weakened by increasing the initial radius，and the exact direction of beam can be accurately predictedthrough accurate measurement of magnetic field It can be seen that research on self-consistent force of charged particle beam and its interactionwith external field is great significant to the study of generation，transport characteristics and engineering application of the particle beamKeywords:particle beam;space transmission;electrostatic diffusion;geomagnetic deflection粒子束由大量速度接近光速的微小粒子组成，当高流强、高能量的粒子束流遇到目标时，高能粒子与目标物质产生相互作用，通过热效应或辐射效应使目标毁伤。与激光、微波一样，粒子束具有速度快、能量集中、效果可控等特点，应用非常广泛，在前沿科学和尖端科技的发展中起着重要的作用1。根据粒子的不同，粒子束分为电子束、质子束和中性束三种类型2。其中电子束和质子束由于自身带电，束流在空间传输过程中，受粒子间库仑力影响，将呈现扩散的趋势;同时由于地磁场的存在，带电粒子高速运动时，受洛伦兹力影响，轨迹将发生偏转;中性束不带电，不受地磁场的影响，但在中性化过程中面临较大的技术难度。带电粒子束传输是一个极为复杂的物理问题，影响粒子束传输的因素很多，例如:初始束流分布、发散度、能散度、地磁场影响等3。粒子束传输研究大部分聚焦于加速装置的输运系统尺度，针对带电粒子束在电磁场中的聚焦和传输问题，采用束流光学的方法进行设计与研究4 6。此外，带电粒子在等离子体中传输的过程中，会和等离子体离子、原子发生库仑碰撞相互作用，从而入射带电粒子的电荷态会变得非常复杂，完全不同于初始的电荷态7 8。只有较少研究针对相对论带电粒子束(电子、质子)在真空中短距离传播的扩散问题9 12，对粒子束在真空中的传输进行*收稿日期:2021 04 07基金项目:国家重点研发计划资助项目(2022YFA1604600)作者简介:任三孩(1982)，男，河南南阳人，博士，副研究员，E-mail:sanhairen163 com第 2 期任三孩，等:粒子束空间传输影响因素及应对方法了简单建模13，初步研究了粒子束类型、能量、流强和出口初始半径等因素对粒子束扩散的影响。本文将采用理论与数值方法，定量研究分析带电粒子束在地球空间中长距离传输的问题，并分析相应的应对方法。1影响粒子束空间传输的因素分析对于带电粒子束而言，其特点是粒子束流为带电束流，而不是中性束流。在大气层外的真空状态，一方面由于带电粒子之间的斥力，带电粒子束会在短时间内散发殆尽，另一方面由于地球强磁场的束缚效应，带电粒子束流无法大尺度跨越地磁力线传播。因此，带电粒子束自身特性和空间环境特点是影响粒子束空间传输的关键问题。1 1发散角因素粒子动力学的研究表明，束流在经过保守力场的作用下，发散角和束斑尺寸的乘积可以认为是恒定不变的参数。在不考虑其他因素情况下，假设粒子束扩散只受发散角因素影响，则粒子束束斑大小与发散角的关系可简单计算如表 1 所示。由表 1 可知，无论电子还是质子，在同样的发散角之下，粒子束斑与传输距离成正比。当发散角在 100 rad 以下时，束斑尺寸在 100 km 处小于 10 m。表 1传输距离、发散角与束斑尺寸关系Tab1Beam spot size due to different transmissiondistance and divergence angle传输距离/km发散角/rad束斑尺寸/m101001301003501005100100101 2能散因素带电粒子束在磁场的作用下将发生偏转，偏转半径由粒子的能量和磁场大小确定:=mvqB=EBc。作为近似，假设粒子处于相对论运动，其中 E为电子能量，B 是磁场大小，c 是光速，电荷 q=1e。从该公式可得不同能量粒子的偏转半径不同。不同能量的粒子传输一段距离之后，因轨迹的差异而散开。这种现象和光的色散概念类似，在粒子动力学中也称之为色散。从总体的效果上看，束流的尺寸会因为色散在运动的垂直方向被拉长，具体偏转半径尺寸变化的计算公式为:=1BcE=EBcEE=EE(1)式中，为偏转半径，E/E 为相对能散。根据计算，如果电子束存在 1%的能散，束流偏转半径将相对变化 1%，超过百米量级。1 3静电扩散因素当带电粒子束在空间传播时，空间电荷和束流会产生显著的静电力和洛伦兹力，其中静电力使得粒子相互排斥，会造成粒子束的扩束效应，而运动电荷(电流)产生的磁场诱发的洛伦兹力则会约束粒子束，对束流具有聚焦效应10。1 4地球磁场因素当粒子束其他性能参数固定时，地磁场对束流指向以及地磁场扰动对粒子束流远程传输位置精度具有决定性的影响14。而太阳风 磁层 电离层系统是一个存在复杂内部耦合的动力学系统，系统中的太阳风、磁层和电离层各个圈层相互作用，相互调制。在该系统中发生的各种现象(诸如磁暴、亚暴、极光等)都不是局部的现象，而是系统的整体行为。因此，带电粒子束在空间长距离传输轨迹的预测，需要对出束指向、空间矢量磁场与目标位置和运动特性的关联性进行详细分析。2应对方法研究2 1消色散方法在空间磁场的作用下，粒子束中的粒子由能量差异导致偏转半径的不同，进而在空间中运动轨迹出现差异，称之为粒子束在磁场中的色散。图 1 为 50 MeV 电子束能量偏差 10%时，在100 nT空间磁场环境下传输 100 km 后的轨迹偏差的数值计算结果。色散导致的轨迹偏差将导致在垂直于空间磁场和束团运动的方向，束团尺寸由于偏差而被拉伸，降低电荷密度与作用效果。其计算公式为:r=EE 1 cosL()(2)式中，E/E 为相对能散，为偏转半径，L 为目标距离。在 50 MeV 电子束，100 nT 的环境下，约为 1 650 km，10%能量偏差将导致尺寸达到600 m，与图1 的模拟结果相符。考虑该偏差和能量差异成正比，0.5%能量偏差仍然导致束团尺寸拉伸到 30 m。931国 防 科 技 大 学 学 报第 45 卷图 1电子束空间传输 100 km 的色散Fig 1Dispersion of electron beam aftertransmission of 100 km色散可以通过特殊的磁铁系统减小，称之为消色散技术。具体原理是:不同能量的粒子，在磁铁系统中获得不同的偏转力和聚焦力15。通过合理设计，使得不同能量粒子在出口时，初始发射角度不一致，并且正好补偿在空间中轨迹的差异。在大型加速器储存环中需要磁铁实现粒子的环形运动，因此消色散技术被广泛使用，控制粒子在长时间运动中轨道的偏离。目前的技术水平，储存环的粒子可以维持数小时以上的运动，其运动距离达到数十亿千米，也证明了消色散技术的可行性与稳定性。消色散技术一般采用多个四极磁铁组，四极磁铁对电子的作用类似光学透镜。磁铁系统对不同能量的电子束提供不同的聚焦和散焦作用。可以实现在出口处不同能量电子束的角度不一样，通过合理的设计，可以完全补偿不同能量在空间传输中的差异。在常见加速器工程中，常常每间隔一段距离安装消色散磁铁系统，其距离和四极磁铁的焦距在尺度上类似，因此色散可以得到较好的抑制。然而粒子束在空间的传输中，不能安装磁铁。消色散只能在发射前进行。虽然从理论仍然可行，但目标距离远大于常见四极磁铁的焦距，可能存在较大的误差。因此需要研究消色散技术，降低能量偏差带来的尺寸拉伸效果。针对该应用场景的消色散技术只能在粒子束发射之前，利用二极磁铁和四极磁铁预先对不同能量粒子产生不同的初始发射角，使其轨迹在目标处汇集到同一点。调制的初始发射角满足=EEtanL2()时，即可消除色散带来的轨迹偏差。如果能够实现能量偏差 1 MeV 的情况下，发射角偏差 0.604 mrad，则可大幅度减小束团的尺寸拉伸，如图 2 所示。该方案可使 0.5%能量偏差下束团尺寸拉伸降低至 0.3 m 以内。图 2消色散后束流传输Fig 2