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空间粒子束技术应用概论（精装）
作者：方进勇 著
出版社：北京理工大学出版社
出版时间：2020-07-01
ISBN：9787568288095
定价：¥128.00
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内容简介
本书围绕粒子束技术空间应用，分为四个部分进行论述。第一部分由第 1、2章组成，主要介绍粒子束技术发展现状及空间应用的局限性，重点介绍了空间电子型粒子束定向能装置的基本概念；第二部分由第 3~5章组成，重点介绍了粒子束空间应用机理、空间环境及粒子束空间传输等；第三部分由第 6~12章组成，分别介绍了空间电子型粒子束定向能装置系统的组成、加速器技术、微波源技术、捕获跟踪瞄准技术、天基系统散热、粒子束装置空间应用场景及应用模式等内容；第四部分由第 13、14章组成，重点对粒子束空间防护问题进行了探讨，同时对粒子束空间拓展应用进行分析，主要包括空间 X射线雷达、空间 X射线通信、基于空间自由激光的大功率 THz源技术等。本书作者系统总结和归纳了当前粒子束空间应用的主要障碍和技术难点，并在自身理解和认识的基础上提出了粒子束空间应用的新概念和新思路，并进行了系统讨论。本书可作为空间粒子束技术领域，尤其是空间安全相关技术研究人员和工程技术人员的参考书。
作者简介
方进勇，博士（后），中国空间技术研究院西安分院研究员，中国航天科技集团公司科技委空间安全与维护专业技术组成员。主要研究方向包括：高功率微波技术、空间安全技术、空间环境等。完成“863”项目8项、航天科技集团公司重点预研项目1项。先后获国家科技进步二等奖1项，部级科技进步一等奖1项、二等奖6项、三等奖4项。发表SCI及EI论文50余篇。
目录
第 1章绪论 001
1．1粒子束技术 002
1．1．1加速器的基本构成 003
1．1．2加速器的发展现状 003
1．1．3加速器的应用 005
1．2粒子束技术的军事应用 008
1．2．1粒子束武器发展现状 008
1．2．2粒子束武器系统组成 011
1．2．3粒子束武器核心技术 012
1．3粒子束技术空间应用的局限性 015
1．3．1毁伤机理 015
1．3．2粒子束系统 016
1．3．3传输问题 016
1．4粒子束技术空间应用可能性分析 018
1．4．1航天器技术构成发生显著变化 018
1．4．2重离子型粒子束技术空间应用可行性分析 019
1．4．3电子型粒子束技术空间应用可行性分析 019
1．5小结 020
参考文献 021
2．1硬毁伤的概念与内涵 025
3．7．2微放电效应建立的条件 089
3．7．3微放电效应对航天器载荷的影响 091
3．7．4能量电子引起的增强微放电效应 092
3．8小结 096
参考文献 098
第 2章空间电子型粒子束技术 023
2．1．1 硬毁伤所需能量 026
2．1．2 能量的时空分布对阈值的影响 028
2．1．3 “通用 ”硬毁伤标准 030
2．2 硬毁伤型空间电子束定向能装置参数设置 033
2．3 硬毁伤型空间电子束技术应用局限性 036
2．4 功能损伤的概念与内涵 039
2．5 小结 043
参考文献 044
第 3章 高能电子束与目标的相互作用 046
3．1 电子与材料原子的微观作用 049
3．1．1 电子的电离能损 050
3．1．2 电子的辐射能损 050
3．2 电子束与物质的相互作用 052
3．2．1 入射电子产生的信息 053
3．2．2 电子与固体作用产生的发射电子谱 054
3．2．3 电子吸收和射程 055
3．3 能量电子对介质材料的充放电现象 057
3．3．1 充放电机理 057
3．3．2 充放电建立条件 058
3．3．3 自然空间环境的充放电特点 060
3．3．4 充放电效应对航天器的影响 063
3．4 能量电子对半导体材料和器件的影响 066
3．4．1 电子对半导体材料和器件的作用机理 066
3．4．2 电子对半导体材料的影响实例 067
3．4．3 电子对 NPN晶体管的辐照损伤实例 069
3．5 能量电子引起单粒子效应 073
3．6 能量电子对太阳能帆板的影响 077
3．6．1 太阳能电池简介 077
3．6．2 太阳能电池工作的基本原理 078
3．6．3 能量电子作用空间太阳能电池的失效原理 079
3．6．4 高能电子辐照对太阳能电池的影响实例 080
3．7 能量电子对微波部件的影响 088
3．7．1 能量电子对微波器件的影响机制 088
第 4章空间环境 102
4．1空间环境基础 103
4．1．1引力场与微重力 103
4．1．2真空 104
4．1．3电离层 104
4．1．4地球磁场与磁层 106
4．1．5地球电场 108
4．2空间辐射环境 109
4．2．1带电粒子辐射 109
4．2．2太阳电磁辐射 114
4．2．3人工辐射 114
4．3空间等离子体环境 116
4．3．1等离子体的基本特性 116
4．3．2等离子体环境 118
4．4空间环境对航天器的影响 119
4．4．1高能带电粒子环境的影响 120
4．4．2空间等离子体环境的影响 122
4．5空间磁场分类及特点 124
4．6空间磁场建模 128
4．6．1地球磁场建模 128
4．6．2磁层磁场模型 132
4．6．3磁场建模讨论 134
4．7小结 136
参考文献 137
第 5章粒子束空间传输 141
5．1带电粒子束传输物理基础 142
5．1．1单粒子动力学基础 142
5．1．2束流特征参数 144
5．1．3真空束流传输理论 145
5．1．4虚阴极及限制电流 146
5．2基于等离子体的空间传输理论 148
5．2．1空间传输损耗 148
5．2．2基于等离子体背景的束流扩散 150
5．2．3电流中和效应 150
5．2．4空间电荷效应 151
5．2．5空间传输两大难点 151
5．2．6空间传输其他重要问题 154
5．3电子束空间传输解析方法 157
5．3．1基于电荷中和的束流传输线性束理论 157
5．3．2单粒子运动方程 157
5．4 PIC模拟方法 159
5．4．1方法流程与物理基础 160
5．4．2离散网格与离散时间模型 161
5．4．3电磁场算法 162
5．4．4宏粒子模型 163
5．4．5粒子运动方程 164
5．4．6粒子与场互作用算法 165
5．4．7方法应用讨论 169
5．5小结 170参考文献 171
第 6章空间电子束系统 173
6．1空间电子束系统组成 174
6．1．1电子束加速系统 175
6．1．2空间大功率微波源技术 175
6．1．3空间碎片目标跟踪、瞄准与束流控制系统 176
6．2空间电子束系统应用需考虑的其他问题 178
6．2．1热控系统 178
6．2．2电子产生与平台维持中性一体化技术 178
6．3小结 180
参考文献 181
第 7章电子束加速技术 183
7．1加速器技术概述 184
7．1．1加速器类型讨论 184
7．1．2系统方案组成 185
7．2行波电子直线加速器的基本原理 189
7．2．1行波电子直线加速器的加速原理 189
7．2．2行波电子直线加速器的主要参数 190
7．2．3盘荷波导电磁场理论及计算 194
7．3行波电子直线加速器物理设计 203
7．3．1基本参数设计 203
7．3．2耦合器 206
7．3．3聚束段与加速腔 213
7．3．4不同相位电子聚束与加速分析 214
7．3．5物理参数与几何公差的关系 217
7．4行波电子直线加速器聚焦系统设计 219
7．4．1螺线管线圈 219
7．4．2永磁体 221
7．5束流集体不稳定性 222
7．6空间加速器技术探讨 224
7．7小结 226
参考文献 227
第 8章空间大功率微波源技术 229
8．1大功率微波源在空间电子束系统中的地位与作用 230
8．2空间大功率微波源的系统组成 232
8．3初级能源系统 234
8．3．1电源供给系统 234
8．3．2储能系统 236
8．3．3空间大功率微波源系统初级源方案简析 241
8．4脉冲调制技术 244
8．4．1脉冲调制器的分类 244
8．4．2线型脉冲调制器 245
8．4．3刚管调制器 247
8．4．4全固态刚管调制器 248
8．4．5空间大功率微波源系统脉冲调制器方案简析 252
8．5微波管 253
8．5．1微波管的类型 253
8．5．2微波管的发展 256
8．5．3空间大功率微波源系统微波管应用简析 259
8．6空间大功率微波源辅助系统 260
8．6．1控制系统 260
8．6．2热控系统 261
8．7空间 Ku波段 MW级微波源设计案例 263
8．7．1参数及工作要求 263
8．7．2系统设计 263
8．7．3系统指标 269
8．8小结 271
参考文献 272
第 9章天基系统的热控技术 274
9．1航天器空间热环境及热交换 275
9．1．1航天器空间热环境 276
9．1．2航天器的热交换 276
9．2航天器常用热控技术 280
9．2．1被动热控技术 280
9．2．2主动热控技术 285
9．3天基粒子束装置温控系统研究现状 288
9．4天基电子束系统对热控系统的要求 291
9．5大功率微波管的热控方法 293
9．6空间高能电子加速器热控方法 295
9．7小结 297
参考文献 298
第 10章空间电子束系统电子补给技术 300
10．1天基电子束系统的中性化概念 301
10．2天基系统中性化常用方法 302
10．2．1天基电中性化方法概述 302
10．2．2等离子体或离子发射基本原理 304
10．2．3等离子体产生方法 304
10．3空间电子束系统电子补给需求 307
10．4不同轨道高度空间电子补给能力 309
10．4．1空间带电模型 309
10．4．2空间带电物体中和模型 310
10．5带电航天器补给电子能力 313
10．5．1带正电物体中和模型 313
10．5．2带负电物体中和模型 314
10．5．3空间电子补给能力讨论 315
10．6小结 317
参考文献 318
第 11章利用电子束系统进行空间碎片清除 320
11．1空间碎片概况 321
11．1．1空间碎片 321
11．1．2空间碎片危害 324
11．1．3空间碎片研究范畴及方法 326
11．2常用空间碎片清除方法 327
11．2．1增阻离轨清除技术 328
11．2．2非接触推移离轨清除技术 330
11．2．3抓捕推移离轨清除技术 333
11．3利用电子束系统进行碎片驱离原理 337
11．3．1空间碎片的降轨模式及原理 337
11．3．2电子束清除轨道碎片的方法 340
11．4小结 345
参考文献 346
第 12章空间碎片捕获、跟踪、瞄准技术 350
12．1电子束系统清除空间碎片的工作流程 351
12．2 ATP系统 353
12．2．1系统组成及功能 353
12．2．2 ATP系统模型 356
12．2．3空间ATP系统应用简析 360
12．3电子束空间波束控制 365
12．3．1静电偏转控制系统 365
12．3．2磁偏转控制系统 367
12．4电子束空间传输对空间碎片瞄准的影响 369
12．5小结 371
参考文献 372
第 13章粒子束空间防护技术 374
13．1空间粒子防护的基本手段 376
13．1．1充放电防护技术 376
13．1．2电离辐射防护 381
13．2现有航天器防护存在的问题 386
13．2．1静电防护存在的问题 387
13．2．2电离辐照防护存在的问题 387
13．3防护技术的发展 390
13．3．1热传递速率的问题 390
13．3．2屏蔽防护的厚度问题 393
13．3．3介质电导率的问题 394
13．3．4电子束诱发的航天器静电放电问题 395
13．4小结 396
参考文献 397
第 14章高能电子束其他空间应用 399
14．1空间 X射线雷达技术 400
14．1．1基本原理 400
14．1．2研究现状 401
14．1．3存在的问题 406
14．1．4发展趋势 406
14．2空间 X射线通信 407
14．2．1基本原理 407
14．2．2研究现状 407
14．2．3存在的问题 411
14．2．4发展趋势 411
14．3小型化自由激光太赫兹源 413
14．3．1 基本原理 413
14．3．2 研究现状 414
14．3．3 存在的问题 415
14．3．4 发展趋势 415
14．4 小结 417
参考文献 418
索引 420
1．1粒子束技术 002
1．1．1加速器的基本构成 003
1．1．2加速器的发展现状 003
1．1．3加速器的应用 005
1．2粒子束技术的军事应用 008
1．2．1粒子束武器发展现状 008
1．2．2粒子束武器系统组成 011
1．2．3粒子束武器核心技术 012
1．3粒子束技术空间应用的局限性 015
1．3．1毁伤机理 015
1．3．2粒子束系统 016
1．3．3传输问题 016
1．4粒子束技术空间应用可能性分析 018
1．4．1航天器技术构成发生显著变化 018
1．4．2重离子型粒子束技术空间应用可行性分析 019
1．4．3电子型粒子束技术空间应用可行性分析 019
1．5小结 020
参考文献 021
2．1硬毁伤的概念与内涵 025
3．7．2微放电效应建立的条件 089
3．7．3微放电效应对航天器载荷的影响 091
3．7．4能量电子引起的增强微放电效应 092
3．8小结 096
参考文献 098
第 2章空间电子型粒子束技术 023
2．1．1 硬毁伤所需能量 026
2．1．2 能量的时空分布对阈值的影响 028
2．1．3 “通用 ”硬毁伤标准 030
2．2 硬毁伤型空间电子束定向能装置参数设置 033
2．3 硬毁伤型空间电子束技术应用局限性 036
2．4 功能损伤的概念与内涵 039
2．5 小结 043
参考文献 044
第 3章 高能电子束与目标的相互作用 046
3．1 电子与材料原子的微观作用 049
3．1．1 电子的电离能损 050
3．1．2 电子的辐射能损 050
3．2 电子束与物质的相互作用 052
3．2．1 入射电子产生的信息 053
3．2．2 电子与固体作用产生的发射电子谱 054
3．2．3 电子吸收和射程 055
3．3 能量电子对介质材料的充放电现象 057
3．3．1 充放电机理 057
3．3．2 充放电建立条件 058
3．3．3 自然空间环境的充放电特点 060
3．3．4 充放电效应对航天器的影响 063
3．4 能量电子对半导体材料和器件的影响 066
3．4．1 电子对半导体材料和器件的作用机理 066
3．4．2 电子对半导体材料的影响实例 067
3．4．3 电子对 NPN晶体管的辐照损伤实例 069
3．5 能量电子引起单粒子效应 073
3．6 能量电子对太阳能帆板的影响 077
3．6．1 太阳能电池简介 077
3．6．2 太阳能电池工作的基本原理 078
3．6．3 能量电子作用空间太阳能电池的失效原理 079
3．6．4 高能电子辐照对太阳能电池的影响实例 080
3．7 能量电子对微波部件的影响 088
3．7．1 能量电子对微波器件的影响机制 088
第 4章空间环境 102
4．1空间环境基础 103
4．1．1引力场与微重力 103
4．1．2真空 104
4．1．3电离层 104
4．1．4地球磁场与磁层 106
4．1．5地球电场 108
4．2空间辐射环境 109
4．2．1带电粒子辐射 109
4．2．2太阳电磁辐射 114
4．2．3人工辐射 114
4．3空间等离子体环境 116
4．3．1等离子体的基本特性 116
4．3．2等离子体环境 118
4．4空间环境对航天器的影响 119
4．4．1高能带电粒子环境的影响 120
4．4．2空间等离子体环境的影响 122
4．5空间磁场分类及特点 124
4．6空间磁场建模 128
4．6．1地球磁场建模 128
4．6．2磁层磁场模型 132
4．6．3磁场建模讨论 134
4．7小结 136
参考文献 137
第 5章粒子束空间传输 141
5．1带电粒子束传输物理基础 142
5．1．1单粒子动力学基础 142
5．1．2束流特征参数 144
5．1．3真空束流传输理论 145
5．1．4虚阴极及限制电流 146
5．2基于等离子体的空间传输理论 148
5．2．1空间传输损耗 148
5．2．2基于等离子体背景的束流扩散 150
5．2．3电流中和效应 150
5．2．4空间电荷效应 151
5．2．5空间传输两大难点 151
5．2．6空间传输其他重要问题 154
5．3电子束空间传输解析方法 157
5．3．1基于电荷中和的束流传输线性束理论 157
5．3．2单粒子运动方程 157
5．4 PIC模拟方法 159
5．4．1方法流程与物理基础 160
5．4．2离散网格与离散时间模型 161
5．4．3电磁场算法 162
5．4．4宏粒子模型 163
5．4．5粒子运动方程 164
5．4．6粒子与场互作用算法 165
5．4．7方法应用讨论 169
5．5小结 170参考文献 171
第 6章空间电子束系统 173
6．1空间电子束系统组成 174
6．1．1电子束加速系统 175
6．1．2空间大功率微波源技术 175
6．1．3空间碎片目标跟踪、瞄准与束流控制系统 176
6．2空间电子束系统应用需考虑的其他问题 178
6．2．1热控系统 178
6．2．2电子产生与平台维持中性一体化技术 178
6．3小结 180
参考文献 181
第 7章电子束加速技术 183
7．1加速器技术概述 184
7．1．1加速器类型讨论 184
7．1．2系统方案组成 185
7．2行波电子直线加速器的基本原理 189
7．2．1行波电子直线加速器的加速原理 189
7．2．2行波电子直线加速器的主要参数 190
7．2．3盘荷波导电磁场理论及计算 194
7．3行波电子直线加速器物理设计 203
7．3．1基本参数设计 203
7．3．2耦合器 206
7．3．3聚束段与加速腔 213
7．3．4不同相位电子聚束与加速分析 214
7．3．5物理参数与几何公差的关系 217
7．4行波电子直线加速器聚焦系统设计 219
7．4．1螺线管线圈 219
7．4．2永磁体 221
7．5束流集体不稳定性 222
7．6空间加速器技术探讨 224
7．7小结 226
参考文献 227
第 8章空间大功率微波源技术 229
8．1大功率微波源在空间电子束系统中的地位与作用 230
8．2空间大功率微波源的系统组成 232
8．3初级能源系统 234
8．3．1电源供给系统 234
8．3．2储能系统 236
8．3．3空间大功率微波源系统初级源方案简析 241
8．4脉冲调制技术 244
8．4．1脉冲调制器的分类 244
8．4．2线型脉冲调制器 245
8．4．3刚管调制器 247
8．4．4全固态刚管调制器 248
8．4．5空间大功率微波源系统脉冲调制器方案简析 252
8．5微波管 253
8．5．1微波管的类型 253
8．5．2微波管的发展 256
8．5．3空间大功率微波源系统微波管应用简析 259
8．6空间大功率微波源辅助系统 260
8．6．1控制系统 260
8．6．2热控系统 261
8．7空间 Ku波段 MW级微波源设计案例 263
8．7．1参数及工作要求 263
8．7．2系统设计 263
8．7．3系统指标 269
8．8小结 271
参考文献 272
第 9章天基系统的热控技术 274
9．1航天器空间热环境及热交换 275
9．1．1航天器空间热环境 276
9．1．2航天器的热交换 276
9．2航天器常用热控技术 280
9．2．1被动热控技术 280
9．2．2主动热控技术 285
9．3天基粒子束装置温控系统研究现状 288
9．4天基电子束系统对热控系统的要求 291
9．5大功率微波管的热控方法 293
9．6空间高能电子加速器热控方法 295
9．7小结 297
参考文献 298
第 10章空间电子束系统电子补给技术 300
10．1天基电子束系统的中性化概念 301
10．2天基系统中性化常用方法 302
10．2．1天基电中性化方法概述 302
10．2．2等离子体或离子发射基本原理 304
10．2．3等离子体产生方法 304
10．3空间电子束系统电子补给需求 307
10．4不同轨道高度空间电子补给能力 309
10．4．1空间带电模型 309
10．4．2空间带电物体中和模型 310
10．5带电航天器补给电子能力 313
10．5．1带正电物体中和模型 313
10．5．2带负电物体中和模型 314
10．5．3空间电子补给能力讨论 315
10．6小结 317
参考文献 318
第 11章利用电子束系统进行空间碎片清除 320
11．1空间碎片概况 321
11．1．1空间碎片 321
11．1．2空间碎片危害 324
11．1．3空间碎片研究范畴及方法 326
11．2常用空间碎片清除方法 327
11．2．1增阻离轨清除技术 328
11．2．2非接触推移离轨清除技术 330
11．2．3抓捕推移离轨清除技术 333
11．3利用电子束系统进行碎片驱离原理 337
11．3．1空间碎片的降轨模式及原理 337
11．3．2电子束清除轨道碎片的方法 340
11．4小结 345
参考文献 346
第 12章空间碎片捕获、跟踪、瞄准技术 350
12．1电子束系统清除空间碎片的工作流程 351
12．2 ATP系统 353
12．2．1系统组成及功能 353
12．2．2 ATP系统模型 356
12．2．3空间ATP系统应用简析 360
12．3电子束空间波束控制 365
12．3．1静电偏转控制系统 365
12．3．2磁偏转控制系统 367
12．4电子束空间传输对空间碎片瞄准的影响 369
12．5小结 371
参考文献 372
第 13章粒子束空间防护技术 374
13．1空间粒子防护的基本手段 376
13．1．1充放电防护技术 376
13．1．2电离辐射防护 381
13．2现有航天器防护存在的问题 386
13．2．1静电防护存在的问题 387
13．2．2电离辐照防护存在的问题 387
13．3防护技术的发展 390
13．3．1热传递速率的问题 390
13．3．2屏蔽防护的厚度问题 393
13．3．3介质电导率的问题 394
13．3．4电子束诱发的航天器静电放电问题 395
13．4小结 396
参考文献 397
第 14章高能电子束其他空间应用 399
14．1空间 X射线雷达技术 400
14．1．1基本原理 400
14．1．2研究现状 401
14．1．3存在的问题 406
14．1．4发展趋势 406
14．2空间 X射线通信 407
14．2．1基本原理 407
14．2．2研究现状 407
14．2．3存在的问题 411
14．2．4发展趋势 411
14．3小型化自由激光太赫兹源 413
14．3．1 基本原理 413
14．3．2 研究现状 414
14．3．3 存在的问题 415
14．3．4 发展趋势 415
14．4 小结 417
参考文献 418
索引 420
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