粒子束传输问题在大气环境中的限制与挑战

粒子束系统从粒子属性上可分为中性粒子束系统和带电粒子束系统，带电粒子束又分为电子束、离子束、质子束等。

在大气环境中，带电粒子束传输受其能量、电流强度以及脉冲结构的严格限制。如果要将粒子束能量损耗降到最低，则粒子必须是相对论性质的。如果要将粒子束扩散降到最低，则需要保证粒子束具有很高的电流强度。如果同时采用钻孔技术并避免粒子束不稳定现象的发生，则粒子束的脉冲结构可能会相当复杂，如图1-6 所示。

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图1-6　同时采用钻孔技术并避免粒子束不稳定现象发生的脉冲结构

在外层空间［12-22］，空气击穿的问题可以避免，但同样存在带电粒子束在库仑力作用下的扩散问题。理论上分析在外层空间可以发展中性粒子束定向能系统，但中性粒子的质量很大，限于空间能源供给的局限性，中性粒子很难加速到MeV 量级，即使能够达到MeV 量级，束流强度也会极弱，受空间极弱等离子体环境影响，到达目标的粒子数量极为有限，很难达到相应的效果。离子型粒子束定向能系统同样存在难以加速问题及离子受库仑力影响不断扩散问题。另外，地球磁场的影响也会给带电粒子束的远程传输带来极大的不确定性。对于电子型粒子束来说，强流低能电子束空间应用效果极为有限；对弱流高能电子束来说，其库仑力扩散在中远距离传输如果可以容忍，则可能是一种较为有利的选择。

概括起来，粒子束空间应用的主要问题是在技术和工程实现上，主要包括降低粒子束的发散性、粒子加速器及相关设备的研制、运行及维护等。另外，粒子束在大气中传输遇到的困难则主要是物理上的问题。在粒子束系统设计中，不能违背麦克斯韦方程组和爱因斯坦理论，并且必须考虑其他限制条件，等等。