高空核爆電磁脈沖（HEMP,high-altitude nuclear electromagnetic pulse）的脈寬窄,幅值大,影響范圍廣,其影響范圍可達(dá)以其爆心正下方為中心數(shù)千公里的區(qū)域。因此,HEMP對(duì)電子設(shè)備的殺傷威力巨大,尤其是各類對(duì)電磁脈沖敏感的軍事以及民用設(shè)施。所以,對(duì)HEMP的性質(zhì)以及數(shù)值模擬的研究十分重要。對(duì)其研究可以為電磁防護(hù)提供理論與實(shí)驗(yàn)支撐。本文首先介紹了HEMP電流源的基本理論以及非自洽的電磁理論模型——Karzas和Latter的模型。隨后,本文介紹了一種自洽的電磁理論模型——外向傳播場(chǎng)法（OWM,outgoing wave method）。這兩種電磁模型的缺陷在于只能計(jì)算一維對(duì)稱空間中的HEMP。由于三維的差分法在計(jì)算大空間域問題時(shí)的局限性,并且為了研究在非線性非對(duì)稱環(huán)境中HEMP的特性,本文提出了一種新穎的積分法模擬HEMP,對(duì)積分法與外向傳播場(chǎng)法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,觀察到積分法在非對(duì)稱環(huán)境下的良好性能。本文為研究復(fù)雜非對(duì)稱空間中的HEMP提供了一種新的思路。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:第一,本文提出了對(duì)應(yīng)于多種伽馬輻射源情況下的延遲時(shí)間域中沉淀區(qū)的時(shí)空域分解和基函數(shù)分解。這種分解不僅是基于空間的分解,還是基于時(shí)間的分解,即一種隨著時(shí)空間移動(dòng)的分解法。本質(zhì)上,這種方法是一種用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間換取計(jì)算時(shí)間的方法。在本文提出的低階和高階的積分法中使用這種分解法,能夠在不影響精確度的情況下,大大減少數(shù)值模擬的計(jì)算量,加快數(shù)值模擬速度,縮短數(shù)值模擬時(shí)間。第二,本文提出了在伽馬輻射源為平面源情況下的簡(jiǎn)化的麥克斯韋方程組的積分解法（零階方法）。在這一部分,本文介紹了伽馬輻射源為平面源情況下的延遲時(shí)間域中的時(shí)空域以及基函數(shù)分解,并給出了數(shù)值方程。隨后,本文給出了在這種情況下的通過數(shù)值模擬得到的電磁脈沖與電流,并且對(duì)積分法與外向傳播場(chǎng)法的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),積分法與外向傳播場(chǎng)法的結(jié)果一致,兩種方法等價(jià)。本文還對(duì)電磁脈沖的性質(zhì),包括脈沖幅值、脈沖寬度、飽和效應(yīng),以及沉淀區(qū)邊界條件的設(shè)置等進(jìn)行了討論。第三,本文提出了相對(duì)復(fù)雜的在伽馬輻射源為球面源情況下的麥克斯韋方程組的積分解法。在這種情況下零階方法已經(jīng)不再適用,需要使用二階方法。本文介紹了這種情況下的時(shí)空域分解、基函數(shù)分解以及電流擬合等。隨后,本文給出了伽馬輻射源為球面源情況下數(shù)值模擬得到的電磁脈沖與電流,并對(duì)積分法與外向傳播場(chǎng)法的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。類似地,經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),積分法與外向傳播場(chǎng)法的結(jié)果一致,兩種方法等價(jià)。同時(shí),本文對(duì)伽馬輻射源為球面源情況下的HEMP的性質(zhì)進(jìn)行了討論,包括脈沖幅值、脈沖寬度、飽和效應(yīng)等。第四,本文提出了一種五階的積分法求解非對(duì)稱情形下的HEMP。為了提高五階方法的計(jì)算效率,在這一部分本文首先提出了一種求解HEMP的簡(jiǎn)化的積分解法。在此基礎(chǔ)上,本文提出了使用五階方法來模擬沉淀區(qū)內(nèi)的電流源分布。隨后,利用在伽馬輻射源為球面源情況下的時(shí)空域和基函數(shù)分解,推導(dǎo)出了五階方法的數(shù)值計(jì)算公式。最后,本文給出了相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果,并討論和驗(yàn)證了在HEMP的數(shù)值模擬中經(jīng)常使用到的高頻近似。第五,本文給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與例子驗(yàn)證了,除了視距上的伽馬射線輻射強(qiáng)度以外,視距周圍的伽馬射線輻射強(qiáng)度分布也會(huì)對(duì)傳播到地面的電磁脈沖產(chǎn)生影響。因此,在非對(duì)稱情況下,一維方法（OWM）以及低階的積分法已經(jīng)不再適用,而高階積分法可以有效解決這一問題。
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 緒論 |
| 1.1 研究背景及意義 |
| 1.2 國(guó)外研究歷史與現(xiàn)狀 |
| 1.2.1 高空核爆電磁脈沖的電磁理論研究現(xiàn)狀 |
| 1.2.2 高空核爆電磁脈沖的電子運(yùn)動(dòng)理論研究現(xiàn)狀 |
| 1.2.3 高空核爆電磁脈沖的耦合及波形標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀 |
| 1.3 國(guó)內(nèi)研究歷史與現(xiàn)狀 |
| 1.4 存在的問題與本文創(chuàng)新點(diǎn) |
| 1.5 本文內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排 |
| 第二章 電子產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)模型 |
| 2.1 伽馬射線散射的基本理論 |
| 2.1.1 伽馬射線與物質(zhì)的作用 |
| 2.1.2 康普頓散射 |
| 2.1.3 康普頓散射的碰撞截面 |
| 2.2 康普頓電子的多重散射和傾斜因子模型 |
| 2.2.1 康普頓電子的運(yùn)動(dòng)損耗 |
| 2.2.2 傾斜因子模型 |
| 2.2.3 電子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程以及散射角分布 |
| 2.3 修正的傾斜因子法 |
| 2.3.1 玻爾茲曼方程 |
| 2.3.2 玻爾茲曼方程在多重散射模型中的應(yīng)用 |
| 2.3.3 庫倫散射 |
| 2.4 修正的傾斜因子參數(shù) |
| 2.5 本章小結(jié) |
| 第三章 高空核爆電磁脈沖基本模型 |
| 3.1 高空核爆電磁脈沖機(jī)理概述 |
| 3.2 電流與電子數(shù)密度 |
| 3.2.1 伽馬射線的運(yùn)輸 |
| 3.2.2 康普頓電流、康普頓電子數(shù)密度以及次級(jí)電子數(shù)密度 |
| 3.2.3 地磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)下的康普頓電子運(yùn)動(dòng)、康普頓電流以及次級(jí)傳導(dǎo)電流 |
| 3.3 高空核爆的電磁脈沖方程 |
| 3.3.1 延遲時(shí)間域中的電磁場(chǎng)方程 |
| 3.3.2 高空核爆電磁脈沖的一維近似積分解 |
| 3.4 計(jì)算能量損失情況下的康普頓電流模型 |
| 3.5 龍格庫塔法 |
| 3.6 本章小結(jié) |
| 第四章 高空核爆電磁脈沖的外向傳播場(chǎng)法 |
| 4.1 平面近似情形下的外向傳播場(chǎng)法 |
| 4.2 球坐標(biāo)系中的外向傳播場(chǎng)法與分解 |
| 4.2.1 球坐標(biāo)系中的外向傳播場(chǎng)法 |
| 4.2.2 內(nèi)外向傳播方程與徑向方程組的離散化 |
| 4.2.3 偏微分方程通式的一階與二階數(shù)值解法 |
| 4.2.4 電磁脈沖方程的二階數(shù)值解 |
| 4.3 本章小結(jié) |
| 第五章 應(yīng)用積分法研究高空核爆電磁脈沖 |
| 5.1 平面近似情況下的高空核爆電磁脈沖 |
| 5.1.1 積分法的基本方程 |
| 5.1.2 伽馬射線輻射平面近似情況下的時(shí)空域分解 |
| 5.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析 |
| 5.2.1 平面近似情況下傳播到地面的電磁脈沖及其性質(zhì) |
| 5.2.2 平面近似情況下沉淀區(qū)內(nèi)的電磁脈沖及其性質(zhì) |
| 5.3 邊界設(shè)置以及次級(jí)電子遷移率參數(shù) |
| 5.3.1 沉淀區(qū)邊界的設(shè)定 |
| 5.3.2 次級(jí)電子遷移率參數(shù) |
| 5.4 本章小結(jié) |
| 第六章 應(yīng)用二階積分法研究高空核爆電磁脈沖 |
| 6.1 伽馬輻射平面近似的缺陷 |
| 6.2 伽馬輻射球面近似情況下的時(shí)空分解 |
| 6.3 應(yīng)用二階積分法數(shù)值模擬高空核爆電磁脈沖 |
| 6.4 電流對(duì)空間的偏微分以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 |
| 6.4.1 使用最小二乘法計(jì)算電流對(duì)空間的偏微分 |
| 6.4.2 一種穩(wěn)定的空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 |
| 6.5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析 |
| 6.5.1 伽馬輻射球面近似情況下的電磁脈沖場(chǎng) |
| 6.5.2 伽馬輻射球面近似情況下的電流 |
| 6.6 本章小結(jié) |
| 第七章 應(yīng)用高階積分法研究高空核爆電磁脈沖 |
| 7.1 高空核爆電磁脈沖積分法的高頻近似 |
| 7.2 使用五階積分法計(jì)算高空核爆電磁脈沖 |
| 7.3 使用最小二乘法計(jì)算電流對(duì)空間的偏微分 |
| 7.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析 |
| 7.5 幾種方法的對(duì)比與適用性分析 |
| 7.6 本章小結(jié) |
| 第八章 總結(jié)與展望 |
| 8.1 論文研究工作 |
| 8.2 存在的問題以及展望 |
| 參考文獻(xiàn) |
| 附錄1 傾斜因子法的驗(yàn)證 |
| 附錄2 外加電磁場(chǎng)對(duì)傾斜因子的影響 |
| A2.1 外加磁場(chǎng)對(duì)傾斜因子的影響 |
| A2.2 外加電場(chǎng)對(duì)傾斜因子的影響 |
| 附錄3 延遲時(shí)間域轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo) |
| 附錄4 攻讀博士學(xué)位期間撰寫的論文 |
| 致謝 |
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