释放SF6气体改变电离层电子密度的实验研究

冯桃君，姜利祥，2，黄建国，2，刘国青，2

（1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094）

释放SF6气体改变电离层电子密度的实验研究

冯桃君1，姜利祥1，2，黄建国1，2，刘国青1，2

（1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094）

电离层受到自然或人工扰动后产生的电子密度变化会影响无线电的传播。实验模拟了人工释放SF6气体扰动电离层，通过对SF6气体在电离层中的扩散过程和相应的离子化学反应的分析，并结合实验测量，研究了电离层电子密度随SF6气体释放量的变化规律。实验结果表明：SF6气体在电离层高度释放后，电子密度显著减少，且减少量与气体释放量在一定范围内呈负指数关系。研究可为今后提高卫星通信保密性和实施通信干扰等应用提供理论依据。

SF6气体释放；电离层；电子密度；电离层扰动；离子化学反应

0　引言

电离层是无线电传播的重要媒质。磁暴和电离层暴等自然因素所引起的电离层环境扰动，使电离层各区电子密度发生变化，从而影响无线电通信质量，如地-地通信中断、电离层最大可用频率（MUF）降低。研究发现，火箭发动机产生的羽流可以使电离层产生长达数小时的扰动，导致电子密度降低甚至耗空，短波通信中断［1-5］。

除火箭排气这类被动电离层扰动之外，近年来国外还利用火箭、卫星等搭载化学物质开展人工扰动电离层环境的实验研究，其中一个重要的研究内容是考察扰动后的电离层对无线电传播的影响。实验通过人工释放化学物质产生电离层空洞，利用HF频段的散射雷达探测出无线电波在电离层不同高度的临界频率，绘制出电子的等密度曲线，得出电子密度的时空变化［5-7］，但这并未给出化学物质释放量与电子密度耗空量之间的定量关系。国内对人工释放化学物质扰动电离层的研究还处于数值模拟和计算机仿真阶段，尚未开展地面模拟实验。

本文研究通过真空环境实验模拟人工释放SF6气体扰动电离层，并初步研究电子密度与SF6气体释放量之间的关系。

1　实验原理

人工释放化学物质是扰动电离层的有效手段之一，它是局部的、有意识的电离层环境扰动［8-9］。所用的化学物质通常为中性气体分子，如 H2O、CO2、SF6等，它们主要作用在电离层的F层，与F层中的等离子体发生离子化学反应。中性气体在电离层F层高度释放后，由于释放的气体与周围压力相差10多个数量级，被释放的气体首先发生动力学膨胀，释放点附近的等离子体将被膨胀的气体推开，这一过程经历的时间一般为几s。然后随着压力差骤减，中性气体与周围等离子体充分混合，并向空间扩散［10］。扩散过程经历时间较长，离子化学反应也主要发生在此阶段。

研究表明，H2O、CO2释放后，先和F层中离子成分占绝对多数的O+发生化学反应，将O+转变为分子性离子；分子性离子与电子的复合速率远远大于 O+与电子的复合速率，这就使得电离层电子被大大消耗，电子密度减小［1，4］。SF6气体则是直接与电子发生反应，且SF6分子质量大，扩散较慢，使得离子化学反应比H2O、CO2更充分，电子的复合速率进一步提高［11-12］。因此，实验选择SF6气体作为释放的化学物质，研究其释放后电离层电子密度的变化规律。

电离层大气可近似认为主要由 O、O2、N2组成［13］。电离层的电子密度分布由经验模式IRI_2001得到，如图1所示。可以看出，F层是电离层电子密度最高的区域，高度在200～300 km之间，电子密度约为106/cm3。

图1　电离层电子密度垂直分布Fig.1　Vertical distribution of ionospheric electron density

SF6气体在电离层中的离子化学反应过程及反应系数可表示为

式中：Te为电子温度，K；k为化学反应系数，cm3/s；*为处于激发态的原子。

2　实验方案

为了探究SF6气体释放对电离层F层电子密度的扰动，对人工释放SF6气体扰动电离层进行了地面模拟实验。实验设备包括真空罐、Langmuir探针、微波等离子体源、放气阀、流量控制器和储气瓶，如图2所示。真空罐的背景真空度能达到10-5Pa；Langmuir探针用于监测实验环境的电子密度和温度，安装在距离SF6气体出口端10 cm处，这是由于在SF6气体出口端离子化学反应更剧烈，能较真实地反应电离层电子密度的变化；放气阀的左端通过管路与储存SF6气体的气瓶连接，右端经过流量控制器接入真空罐内；微波等离子体源向真空罐提供等离子体，成分主要为 e-、O+、O2和少量N+、N2，用于模拟F层的空间环境（由于原子氧没有参与SF6的化学反应，所以实验环境未考虑真实电离层环境中的原子氧成分）。实验中，真空环境的电子密度达到106/cm3左右后，经放气阀和流量控制器向真空罐的等离子体环境释放 SF6气体，并观察电子密度和电子温度的变化情况。

图2　实验装置示意图Fig.2　Schematic diagram of the experimental facility

3　实验结果及分析

如前所述，SF6气体释放后，由于与真空罐内的气压相差几个数量级，故SF6气体首先发生动力学膨胀，然后与周围的等离子体混合，并向空间扩散。在扩散过程中，SF6气体首先与等离子体中的电子发生如式（1）的离子化学反应。为保证实验可靠性，分别进行了两次实验，实验数据分别如图3、图4所示，其中：横轴表示SF6气体释放的质量流量，纵轴表示电离层电子密度，“+”符号表示测得的实验数据。实验中，对于某一固定的质量流量，测得了多组电子密度的数据，同时也测得了不同质量流量对应的电子密度。最后对实验数据进行拟合（见图3、图4中红色曲线）得出，电子密度在一定范围内随着气体释放量的增加呈负指数规律衰减，式（3）、式（4）为曲线拟合表达式。电子密度大约衰减了半个数量级；当气体释放量达到一定程度时，不再衰减，趋于稳定。

图3　电子密度随着SF6释放量呈指数衰减（实验一）Fig.3　Electron density decreases exponentially with SF6gas release （experiment 1）

图4　电子密度随着SF6释放量呈指数衰减（实验二）Fig.4　Electron density decreases exponentially with SF6gas release （experiment 2）

SF6气体释放对电子温度的扰动效果如图5所示，图中的黑色三角形为测得的实验数据。可见，虽然电子温度有局部的波动，但整体上SF6气体的释放对电子温度几乎没有影响。从图5数据可以估算出，真空罐内电子温度大概为 0.3 eV；再根据式（1）中k1的数学表达式，可计算得到SF6与电子的反应速率量级为10-7cm3/s。而电离层F层的O+与电子的复合系数通常为10-12cm3/s，可见，通过向电离层的等离子体环境释放SF6气体，使电子的复合速率提高了5个数量级，因此释放SF6气体可以使电离层电子密度快速并大量减少，从而出现电子耗空区。

图5　SF6气体释放对电子温度的扰动Fig.5　Temperature of ionospheric electron vs.SF6gas release

4　结论

本文通过地面实验模拟了在电离层 F层释放SF6气体后电子密度的变化。实验表明：SF6气体分子对电子有很强的吸附作用，能大大提高电子的复合速率，且随着SF6释放量的增加，电离层电子密度在一定范围内呈指数规律衰减；另外，SF6气体释放对电离层电子温度没有明显的影响。

人工释放化学物质扰动电离层不仅对研究空间等离子体物理具有重要的应用价值，尤其在提高卫星通信保密性，实现通信干扰、隐身与反隐身中都有广阔的应用前景。在今后的研究工作中，将重点研究人工扰动电离层对电波传播及通信的影响。

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（编辑：许京媛）

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

冯桃君（1989—），女，硕士研究生，研究方向为空间特殊环境效应及防护；E-mail： taozi_1227@126.com。指导教师：姜利祥（1971—），男，博士学位，研究员，主要从事航天器环境工程与防护技术研究；黄建国（1968—），男，博士学位，研究员，主要从事空间环境效应及防护设计研究。

2015-01-19；

2015-11-27