釋放SF6氣體改變電離層電子密度的實(shí)驗(yàn)研究

馮桃君，姜利祥，2，黃建國，2，劉國青，2

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

釋放SF6氣體改變電離層電子密度的實(shí)驗(yàn)研究

馮桃君1，姜利祥1，2，黃建國1，2，劉國青1，2

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

電離層受到自然或人工擾動(dòng)后產(chǎn)生的電子密度變化會(huì)影響無線電的傳播。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了人工釋放SF6氣體擾動(dòng)電離層，通過對(duì)SF6氣體在電離層中的擴(kuò)散過程和相應(yīng)的離子化學(xué)反應(yīng)的分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量，研究了電離層電子密度隨SF6氣體釋放量的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SF6氣體在電離層高度釋放后，電子密度顯著減少，且減少量與氣體釋放量在一定范圍內(nèi)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。研究可為今后提高衛(wèi)星通信保密性和實(shí)施通信干擾等應(yīng)用提供理論依據(jù)。

SF6氣體釋放；電離層；電子密度；電離層擾動(dòng)；離子化學(xué)反應(yīng)

0　引言

電離層是無線電傳播的重要媒質(zhì)。磁暴和電離層暴等自然因素所引起的電離層環(huán)境擾動(dòng)，使電離層各區(qū)電子密度發(fā)生變化，從而影響無線電通信質(zhì)量，如地-地通信中斷、電離層最大可用頻率（MUF）降低。研究發(fā)現(xiàn)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的羽流可以使電離層產(chǎn)生長達(dá)數(shù)小時(shí)的擾動(dòng)，導(dǎo)致電子密度降低甚至耗空，短波通信中斷［1-5］。

除火箭排氣這類被動(dòng)電離層擾動(dòng)之外，近年來國外還利用火箭、衛(wèi)星等搭載化學(xué)物質(zhì)開展人工擾動(dòng)電離層環(huán)境的實(shí)驗(yàn)研究，其中一個(gè)重要的研究內(nèi)容是考察擾動(dòng)后的電離層對(duì)無線電傳播的影響。實(shí)驗(yàn)通過人工釋放化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生電離層空洞，利用HF頻段的散射雷達(dá)探測出無線電波在電離層不同高度的臨界頻率，繪制出電子的等密度曲線，得出電子密度的時(shí)空變化［5-7］，但這并未給出化學(xué)物質(zhì)釋放量與電子密度耗空量之間的定量關(guān)系。國內(nèi)對(duì)人工釋放化學(xué)物質(zhì)擾動(dòng)電離層的研究還處于數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)仿真階段，尚未開展地面模擬實(shí)驗(yàn)。

本文研究通過真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)M人工釋放SF6氣體擾動(dòng)電離層，并初步研究電子密度與SF6氣體釋放量之間的關(guān)系。

1　實(shí)驗(yàn)原理

人工釋放化學(xué)物質(zhì)是擾動(dòng)電離層的有效手段之一，它是局部的、有意識(shí)的電離層環(huán)境擾動(dòng)［8-9］。所用的化學(xué)物質(zhì)通常為中性氣體分子，如 H2O、CO2、SF6等，它們主要作用在電離層的F層，與F層中的等離子體發(fā)生離子化學(xué)反應(yīng)。中性氣體在電離層F層高度釋放后，由于釋放的氣體與周圍壓力相差10多個(gè)數(shù)量級(jí)，被釋放的氣體首先發(fā)生動(dòng)力學(xué)膨脹，釋放點(diǎn)附近的等離子體將被膨脹的氣體推開，這一過程經(jīng)歷的時(shí)間一般為幾s。然后隨著壓力差驟減，中性氣體與周圍等離子體充分混合，并向空間擴(kuò)散［10］。擴(kuò)散過程經(jīng)歷時(shí)間較長，離子化學(xué)反應(yīng)也主要發(fā)生在此階段。

研究表明，H2O、CO2釋放后，先和F層中離子成分占絕對(duì)多數(shù)的O+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將O+轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿有噪x子；分子性離子與電子的復(fù)合速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 O+與電子的復(fù)合速率，這就使得電離層電子被大大消耗，電子密度減小［1，4］。SF6氣體則是直接與電子發(fā)生反應(yīng)，且SF6分子質(zhì)量大，擴(kuò)散較慢，使得離子化學(xué)反應(yīng)比H2O、CO2更充分，電子的復(fù)合速率進(jìn)一步提高［11-12］。因此，實(shí)驗(yàn)選擇SF6氣體作為釋放的化學(xué)物質(zhì)，研究其釋放后電離層電子密度的變化規(guī)律。

電離層大氣可近似認(rèn)為主要由 O、O2、N2組成［13］。電離層的電子密度分布由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絀RI_2001得到，如圖1所示?？梢钥闯?，F(xiàn)層是電離層電子密度最高的區(qū)域，高度在200～300 km之間，電子密度約為106/cm3。

圖1　電離層電子密度垂直分布Fig.1　Vertical distribution of ionospheric electron density

SF6氣體在電離層中的離子化學(xué)反應(yīng)過程及反應(yīng)系數(shù)可表示為

式中：Te為電子溫度，K；k為化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，cm3/s；*為處于激發(fā)態(tài)的原子。

2　實(shí)驗(yàn)方案

為了探究SF6氣體釋放對(duì)電離層F層電子密度的擾動(dòng)，對(duì)人工釋放SF6氣體擾動(dòng)電離層進(jìn)行了地面模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括真空罐、Langmuir探針、微波等離子體源、放氣閥、流量控制器和儲(chǔ)氣瓶，如圖2所示。真空罐的背景真空度能達(dá)到10-5Pa；Langmuir探針用于監(jiān)測實(shí)驗(yàn)環(huán)境的電子密度和溫度，安裝在距離SF6氣體出口端10 cm處，這是由于在SF6氣體出口端離子化學(xué)反應(yīng)更劇烈，能較真實(shí)地反應(yīng)電離層電子密度的變化；放氣閥的左端通過管路與儲(chǔ)存SF6氣體的氣瓶連接，右端經(jīng)過流量控制器接入真空罐內(nèi)；微波等離子體源向真空罐提供等離子體，成分主要為 e-、O+、O2和少量N+、N2，用于模擬F層的空間環(huán)境（由于原子氧沒有參與SF6的化學(xué)反應(yīng)，所以實(shí)驗(yàn)環(huán)境未考慮真實(shí)電離層環(huán)境中的原子氧成分）。實(shí)驗(yàn)中，真空環(huán)境的電子密度達(dá)到106/cm3左右后，經(jīng)放氣閥和流量控制器向真空罐的等離子體環(huán)境釋放 SF6氣體，并觀察電子密度和電子溫度的變化情況。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2　Schematic diagram of the experimental facility

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如前所述，SF6氣體釋放后，由于與真空罐內(nèi)的氣壓相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故SF6氣體首先發(fā)生動(dòng)力學(xué)膨脹，然后與周圍的等離子體混合，并向空間擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，SF6氣體首先與等離子體中的電子發(fā)生如式（1）的離子化學(xué)反應(yīng)。為保證實(shí)驗(yàn)可靠性，分別進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如圖3、圖4所示，其中：橫軸表示SF6氣體釋放的質(zhì)量流量，縱軸表示電離層電子密度，“+”符號(hào)表示測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于某一固定的質(zhì)量流量，測得了多組電子密度的數(shù)據(jù)，同時(shí)也測得了不同質(zhì)量流量對(duì)應(yīng)的電子密度。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（見圖3、圖4中紅色曲線）得出，電子密度在一定范圍內(nèi)隨著氣體釋放量的增加呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，式（3）、式（4）為曲線擬合表達(dá)式。電子密度大約衰減了半個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)氣體釋放量達(dá)到一定程度時(shí)，不再衰減，趨于穩(wěn)定。

圖3　電子密度隨著SF6釋放量呈指數(shù)衰減（實(shí)驗(yàn)一）Fig.3　Electron density decreases exponentially with SF6gas release （experiment 1）

圖4　電子密度隨著SF6釋放量呈指數(shù)衰減（實(shí)驗(yàn)二）Fig.4　Electron density decreases exponentially with SF6gas release （experiment 2）

SF6氣體釋放對(duì)電子溫度的擾動(dòng)效果如圖5所示，圖中的黑色三角形為測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢?，雖然電子溫度有局部的波動(dòng)，但整體上SF6氣體的釋放對(duì)電子溫度幾乎沒有影響。從圖5數(shù)據(jù)可以估算出，真空罐內(nèi)電子溫度大概為 0.3 eV；再根據(jù)式（1）中k1的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可計(jì)算得到SF6與電子的反應(yīng)速率量級(jí)為10-7cm3/s。而電離層F層的O+與電子的復(fù)合系數(shù)通常為10-12cm3/s，可見，通過向電離層的等離子體環(huán)境釋放SF6氣體，使電子的復(fù)合速率提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此釋放SF6氣體可以使電離層電子密度快速并大量減少，從而出現(xiàn)電子耗空區(qū)。

圖5　SF6氣體釋放對(duì)電子溫度的擾動(dòng)Fig.5　Temperature of ionospheric electron vs.SF6gas release

4　結(jié)論

本文通過地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M了在電離層 F層釋放SF6氣體后電子密度的變化。實(shí)驗(yàn)表明：SF6氣體分子對(duì)電子有很強(qiáng)的吸附作用，能大大提高電子的復(fù)合速率，且隨著SF6釋放量的增加，電離層電子密度在一定范圍內(nèi)呈指數(shù)規(guī)律衰減；另外，SF6氣體釋放對(duì)電離層電子溫度沒有明顯的影響。

人工釋放化學(xué)物質(zhì)擾動(dòng)電離層不僅對(duì)研究空間等離子體物理具有重要的應(yīng)用價(jià)值，尤其在提高衛(wèi)星通信保密性，實(shí)現(xiàn)通信干擾、隱身與反隱身中都有廣闊的應(yīng)用前景。在今后的研究工作中，將重點(diǎn)研究人工擾動(dòng)電離層對(duì)電波傳播及通信的影響。

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（編輯：許京媛）

Experimental study of modification of ionospheric electron density by SF6gas release

Feng Taojun1， Jiang Lixiang1，2， Huang Jianguo1，2， Liu Guoqing1，2
（1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China；2.Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory，Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China）

The change of the electron density in the ionosphere due to the natural or artificial disturbances would influence the propagation of the electronic waves.In this paper， the ionospheric perturbation by the artificial SF6gas release is simulated.In terms of the diffusion process of the SF6gas and the relevant ion-chemistry reactions in the ionosphere together with experimental measurements， the density of the ionospheric electron varied with the mass flux of the SF6gas released is determined.The results show that the depletion of the ionospheric electron density is remarkable after the release of the SF6gas， and the electron density decreases exponentially with the SF6gas flux released to some extent.The results can provide some guidance for future theoretical studies for enhancing satellite communication safety and implementing communication interference.

SF6gas release； ionosphere； electron density； ionospheric disturbance； ion-chemistry reactions

V520.2

A

1673-1379（2015）06-0612-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.008

馮桃君（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榭臻g特殊環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)；E-mail： taozi_1227@126.com。指導(dǎo)教師：姜利祥（1971—），男，博士學(xué)位，研究員，主要從事航天器環(huán)境工程與防護(hù)技術(shù)研究；黃建國（1968—），男，博士學(xué)位，研究員，主要從事空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)設(shè)計(jì)研究。

2015-01-19；

2015-11-27