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)境工程技術重點實驗室，北京 100094）

釋放SF6氣體改變電離層電子密度的實驗研究

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)境工程技術重點實驗室，北京 100094）

電離層受到自然或人工擾動后產(chǎn)生的電子密度變化會影響無線電的傳播。實驗模擬了人工釋放SF6氣體擾動電離層，通過對SF6氣體在電離層中的擴散過程和相應的離子化學反應的分析，并結合實驗測量，研究了電離層電子密度隨SF6氣體釋放量的變化規(guī)律。實驗結果表明：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)呈負指數(shù)關系。研究可為今后提高衛(wèi)星通信保密性和實施通信干擾等應用提供理論依據(jù)。

SF6氣體釋放；電離層；電子密度；電離層擾動；離子化學反應

0　引言

電離層是無線電傳播的重要媒質。磁暴和電離層暴等自然因素所引起的電離層環(huán)境擾動，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)動機產(chǎn)生的羽流可以使電離層產(chǎn)生長達數(shù)小時的擾動，導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電離層擾動之外，近年來國外還利用火箭、衛(wèi)星等搭載化學物質開展人工擾動電離層環(huán)境的實驗研究，其中一個重要的研究內(nèi)容是考察擾動后的電離層對無線電傳播的影響。實驗通過人工釋放化學物質產(chǎn)生電離層空洞，利用HF頻段的散射雷達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，得出電子密度的時空變化［5-7］，但這并未給出化學物質釋放量與電子密度耗空量之間的定量關系。國內(nèi)對人工釋放化學物質擾動電離層的研究還處于數(shù)值模擬和計算機仿真階段，尚未開展地面模擬實驗。

本文研究通過真空環(huán)境實驗模擬人工釋放SF6氣體擾動電離層，并初步研究電子密度與SF6氣體釋放量之間的關系。

1　實驗原理

人工釋放化學物質是擾動電離層的有效手段之一，它是局部的、有意識的電離層環(huán)境擾動［8-9］。所用的化學物質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)生離子化學反應。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多個數(shù)量級，被釋放的氣體首先發(fā)生動力學膨脹，釋放點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，并向空間擴散［10］。擴散過程經(jīng)歷時間較長，離子化學反應也主要發(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多數(shù)的O+發(fā)生化學反應，將O+轉變?yōu)榉肿有噪x子；分子性離子與電子的復合速率遠遠大于 O+與電子的復合速率，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，且SF6分子質量大，擴散較慢，使得離子化學反應比H2O、CO2更充分，電子的復合速率進一步提高［11-12］。因此，實驗選擇SF6氣體作為釋放的化學物質，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為主要由 O、O2、N2組成［13］。電離層的電子密度分布由經(jīng)驗模式IRI_2001得到，如圖1所示。可以看出，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反應過程及反應系數(shù)可表示為

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

2　實驗方案

為了探究SF6氣體釋放對電離層F層電子密度的擾動，對人工釋放SF6氣體擾動電離層進行了地面模擬實驗。實驗設備包括真空罐、Langmuir探針、微波等離子體源、放氣閥、流量控制器和儲氣瓶，如圖2所示。真空罐的背景真空度能達到10-5Pa；Langmuir探針用于監(jiān)測實驗環(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反應更劇烈，能較真實地反應電離層電子密度的變化；放氣閥的左端通過管路與儲存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的化學反應，所以實驗環(huán)境未考慮真實電離層環(huán)境中的原子氧成分）。實驗中，真空環(huán)境的電子密度達到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　實驗裝置示意圖Fig.2　Schematic diagram of the experimental facility

3　實驗結果及分析

如前所述，SF6氣體釋放后，由于與真空罐內(nèi)的氣壓相差幾個數(shù)量級，故SF6氣體首先發(fā)生動力學膨脹，然后與周圍的等離子體混合，并向空間擴散。在擴散過程中，SF6氣體首先與等離子體中的電子發(fā)生如式（1）的離子化學反應。為保證實驗可靠性，分別進行了兩次實驗，實驗數(shù)據(jù)分別如圖3、圖4所示，其中：橫軸表示SF6氣體釋放的質量流量，縱軸表示電離層電子密度，“+”符號表示測得的實驗數(shù)據(jù)。實驗中，對于某一固定的質量流量，測得了多組電子密度的數(shù)據(jù)，同時也測得了不同質量流量對應的電子密度。最后對實驗數(shù)據(jù)進行擬合（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指數(shù)規(guī)律衰減，式（3）、式（4）為曲線擬合表達式。電子密度大約衰減了半個數(shù)量級；當氣體釋放量達到一定程度時，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（實驗一）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（實驗二）Fig.4　Electron density decreases exponentially with SF6gas release （experiment 2）

SF6氣體釋放對電子溫度的擾動效果如圖5所示，圖中的黑色三角形為測得的實驗數(shù)據(jù)。可見，雖然電子溫度有局部的波動，但整體上SF6氣體的釋放對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)學表達式，可計算得到SF6與電子的反應速率量級為10-7cm3/s。而電離層F層的O+與電子的復合系數(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，使電子的復合速率提高了5個數(shù)量級，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氣體釋放對電子溫度的擾動Fig.5　Temperature of ionospheric electron vs.SF6gas release

4　結論

本文通過地面實驗模擬了在電離層 F層釋放SF6氣體后電子密度的變化。實驗表明：SF6氣體分子對電子有很強的吸附作用，能大大提高電子的復合速率，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氣體釋放對電離層電子溫度沒有明顯的影響。

人工釋放化學物質擾動電離層不僅對研究空間等離子體物理具有重要的應用價值，尤其在提高衛(wèi)星通信保密性，實現(xiàn)通信干擾、隱身與反隱身中都有廣闊的應用前景。在今后的研究工作中，將重點研究人工擾動電離層對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，研究方向為空間特殊環(huán)境效應及防護；E-mail： taozi_1227@126.com。指導教師：姜利祥（1971—），男，博士學位，研究員，主要從事航天器環(huán)境工程與防護技術研究；黃建國（1968—），男，博士學位，研究員，主要從事空間環(huán)境效應及防護設計研究。

2015-01-19；

2015-11-27