什么是高能粒子束?
什么是高能粒子束?
什么是高能粒子束?
什么是高能粒子束?
粒子束
当今世界,武器的发展已经进入原子和分子世界,核武器就是应用了原子理论.原子物质中央的质子带正电,电子带负电,中子是中性的.被称为粒子的物质是指电子、质子、中子和其它带正、负电的离子.粒子只有被加速到光速才能作为武器使用.这些粒子束发射到空间,可熔化或破坏目标,而且在命中目标后,还会发生二次磁场作用,对目标进行破坏.
粒子束武器发射出高能定向强流、接近光速的亚原子束（带电粒子束和中性粒子束）,用来击毁卫星和来袭的洲际弹道导弹.即使不直接破坏核弹头,粒子束产生的强大电磁场脉冲热,也会把导弹的电子设备烧毁,或利用目标周围发生的γ射线和X射线使目标的电子设备失效或受到破坏.带电粒子束武器在大气层内使用.中性粒子束武器在大气层外使用,主要用于拦截助推段和中段飞行的洲际弹道导弹.
俄美正在研究的粒子束武器有两种,一种是地基带电粒子束武器,一种是天基中性粒子束武器.
粒子束武器的基本原理
大气层内的带电粒子束,其特点是粒子束流为电子束流,而不是中性束流.在大气中,它虽有衰减,但可以传导而且宜于使用.在大气层外的真空状态,由于带电粒子之间的斥力,带电粒子束会在短时间内散发殆尽,因此中性粒子（中子）束更适合在外层空间使用.
粒子束武器一般由粒子加速器、高能脉冲电源、目标识别与跟踪系统、粒子束精确瞄准定位系统和指挥控制系统等组成.粒子束武器结构见图1所示.
加速器是粒子束武器的核心,用来产生高能粒子,并聚集成密集的束流,加速到使它能够破坏目标.目标识别与跟踪系统主要由搜索跟踪雷达、红外探测装置及微波摄像机组成.探测系统发现目标后,目标信号经数据处理装置和超高速计算机处理后,进入指挥控制系统,根据指令,定位系统跟踪并瞄准目标,同时修正地球磁场等的影响,使粒子束瞄准目标将要被击毁的位置,然后启动加速器,将粒子束发射出去.
1.带电粒子束加速器
一般使用线性铁氧体磁场感应加速器来产生高速电子束,绝对速度为每秒30万公里.俄美研制的地基粒子加速器均为质子加速器,其基本原理是: 首先把电子束发生器产生的电子进行加速,然后在高频振荡装置上振动,再在离子发生装置上把进来的质子用电子包围起来,使其进入离子加速装置进行加速,质子因接收能量而加速.在接近出口时,把电子去掉,利用磁场使之变成尖锐的高能定向束流,随后把质子束向空间发射出去.
2.中性粒子加速器
利用对原子进行加速的方法,制造出中性粒子,然后聚集成尖锐的高能定向束流,以接近光速的速度发射出去,击毁目标或使其失效.
美国研究产生中性粒子的方案是：将负离子在加速器中加速并聚集,在加速器的出口处去掉多余的电子,变成中性氢原子束发射出去,并且要求这一过程确保氢原子束的质量和能量.
中性粒子束武器要进入作战使用,必须有一定数量的卫星进行早期预警和探测.预警卫星将探测目标的数据送往地面站,需要特定卫星网和惯性导航系统来实时测定卫星和目标的位置,以及在卫星的任何方向上都能瞄准目标的姿态控制系统.天基反导系统作战平台（卫星）数目与导弹助推段时间和拦截器速度的关系见图2所示.
粒子束武器的破坏机理是动能杀伤和γ、X射线破坏.粒子束不受云、雾、烟等自然环境和目标反射的影响,也不会因目标被遮蔽或受到干扰而失效,其全天候和抗干扰性能较好.粒子束直接穿入目标深处,不需要维持一定时间,有利于攻击多目标.如果粒子束没有直接命中目标,则会在目标周围产生γ、X射线,造成第二种伤害和破坏.粒子束的毁伤作用表现在: （1）使目标结构汽化或熔化; （2） 提前引爆弹头中的引信或破坏弹头的热核材料；（3）使目标中的电子设备失效或被破坏.
粒子束既可实施直接穿透目标的“硬杀伤”,也能实施局部失效的“软杀伤”.带电粒子束对目标的穿透能力极强,能量集中,脉冲发射率高,能快速改变发射方向.中性粒子束还可对目标周围产生的中子、γ、X射线进行遥测,实现对目标的识别.
粒子束武器的研制难度比激光武器大,但作为天基武器比激光武器更有前途.其主要优点是:（1）不用光学器件（如反射镜）;（2）产生粒子束的加速器非常坚固,而且加速器和磁铁不受强辐射的影响;（3）粒子束在单位立体角内向目标传输的能量比激光大,而且能贯穿目标深处.
粒子束武器的缺点主要有：（1）带电粒子在大气层中传输时,由于带电粒子与空气分子的不断碰撞,能量衰减非常快,而中性粒子不能在大气中传播;（2）带电粒子在大气中传输时散焦,因此在空气中使用的粒子束,只能打击近距离目标,而中性粒子束在外层空间传输时也有扩散;（3）受地球磁场的影响,会使光束弯曲,从而偏离原来的方向.
粒子束武器研制的技术难题和研究状况
1975年以来,美国预警卫星多次发现大气层上有大量带有氚的气体氢,认为可能是发射带电粒子束造成的.1976年,美国预警卫星探测到前苏联在哈萨克斯坦的沙漠地带进行了产生带电粒子束的核聚变型脉冲电磁流体发动机的试验.有资料表明,对粒子束武器的研究,前苏联是从1974年开始的,美国是从1978年开始的,20世纪80年代中期开始在实验室进行理论验证.
20世纪70年代中期以来,前苏联在电离层和大气层外的宇宙系列卫星、载人飞船和礼炮号空间站上进行了8次带电粒子束传导方法试验；在列宁格勒地区进行过粒子束武器的地上试验,试验装置有线性电磁感应加速器、γ射线仪器、X射线仪器、磁力存储器和多频道超高压开关等,而且进行过带电粒子束对洲际弹道导弹、宇宙飞船以及固体燃料目标的照射试验.1978年,前苏联在东德制造了使用1000GeV质子加速技术的0.5MV、80J、16层7列的粒子束产生装置.
美国海军在20世纪70年代建立了开发粒子束武器的跷板计划,研究用带电粒子束拦截导弹的核弹头.美国国防部在1981年设立了定向能技术局来开发粒子束武器和激光武器,从1981财年开始实施预算额为3.15亿美元的5年开发计划.粒子束作为武器使用时必须兼备大电流和高能量以及数兆瓦的能源,它要在现有的基础上,功率增加几千倍,甚至几万倍.粒子束击中目标后,放出电子,质子直穿而入,待能量耗尽后停止.100MeV的中性氚束对各种物质的垂直穿透深度为:固体推进剂9.5cm,铅3.3cm,铝0.8cm.
地基粒子束武器要解决在大气层中的传输距离问题,中性粒子束散焦度低,要产生达到破坏未来加固目标所需要的1020～1021J/sr的亮度非常困难.由于中性粒子束不能穿越大气层,因此只能装在卫星上,所以减小加速器尺寸和重量就成为另一难题.另外还要研究中性粒子破坏目标内部设备的机理.
地基粒子束武器要从地面发射粒子束,需要有足够的射程.天基粒子束武器要在外层空间作战,在监视和跟踪系统方面,对传感器要求极高,而且需要适合于部署在空间的尺寸和重量.20世纪80年代前苏联在哈萨克斯坦的萨雷沙甘建设的粒子束加速器占地约四个足球场大小,美国的粒子加速器也有一幢楼那么大,因此天基部署难以实现.
粒子束武器的原理并不复杂,但要进入实战难度非常大.首先是能源问题.粒子束武器必须要有强大的脉冲电源.要在导弹壳体上烧个小孔,粒子束到达目标的脉冲功率须达到1013W,能量为107J.假设粒子加速器的效率为30％,即使不考虑粒子束在传输中的能量损失,加速器脉冲电源功率也至少要达到3×1013W,而目前在研的最先进的脉冲电源的功率只有107W.中性粒子束武器实用化最关键的脉冲电源功率技术是连续波甚高频(VHF)射频源.
正因为存在上述一系列技术难题,尽管俄美都在积极研究粒子束武器,但地基和天基粒子束武器目前尚处于实验室的可行性验证阶段,估计2020年以后有可能进入实战部署.美国已做的基础工作包括：进行粒子束产生、控制、定向和传播技术理论验证和实验室的试验,用加速试验台进行试验,验证中性粒子束方案的可行性,同时探讨带电粒子束方案.按照美国的天基粒子束武器方案,氢原子束的能量为200MeV,武器重量60t,用以拦截大气层外助推段和中段飞行的洲际弹道导弹的弹头.
俄美对于粒子束武器的出发点是立足于空间作战与防御,主要工作是基础研究和高能量转换技术的研究；对于地基粒子束武器的研究只局限于作为点防御作战的近程武器系统范围,主要是确保带电粒子束在大气层中长距离的稳定传播.
美国已确定粒子束武器的潜在用途是拦截导弹、攻击卫星以及在敌防区外实施扫雷等.目前产生粒子束的方法是利用线性电磁感应加速器,但由于加速器太笨重,无法投入战场使用.美国在基础研究中主要是抓紧研究适于部署在地基和天基反导平台上的小型、高效加速器及其技术.美国利用线性电磁感应加速器产生粒子束,通过同一加速器,连续再循环脉动的粒子束,以便让粒子束在现有的小型加速器中环流,把能量逐渐加到每次通过的粒子上.美国陆军弹道研究试验室称,尚需进一步证实小型环流电磁感应加速器的原理.这种加速器能否投入战场使用,加速器的尺寸和重量是关键因素.美国还研制过一种实验加速器装置,其尺寸不大于一个办公桌,这是部署在外层空间可以接受的尺寸.
能量转换技术的研究的目的是要形成高速粒子脉冲.美空军的研究机构称,传统的可控硅开关和火花放电开关的研究已经完成,下一步要开展磁性开关研究,这种开关基于饱和的电磁感应原理,具有很高的重复率