粒子束

當今世界，武器的發展已經進入原子和分子世界，核武器就是應用了原子理論。原子物質中央的質子帶正電，電子帶負電，中子是中性的。被稱為粒子的物質是指電子、質子、中子和其它帶正、負電的離子。粒子只有被加速到光速才能作為武器使用。這些粒子束髮射到空間，可熔化或破壞目標，而且在命中目標后，還會發生二次磁場作用，對目標進行破壞。

俄美正在研究的粒子束武器有兩種，一種是地基帶電粒子束武器，一種是天基中性粒子束武器。

粒子束武器的基本原理

大氣層內的帶電粒子束，其特點是粒子束流為電子束流，而不是中性束流。在大氣中，它雖有衰減，但可以傳導而且宜於使用。在大氣層外的真空狀態，由於帶電粒子之間的斥力，帶電粒子束會在短時間內散發殆盡，因此中性粒子（中子）束更適合在外層空間使用。

粒子束武器一般由粒子加速器、高能脈衝電源、目標識別與跟蹤系統、粒子束精確瞄準定位系統和指揮控制系統等組成。粒子束武器結構見圖1所示。

加速器是粒子束武器的核心，用來產生高能粒子，並聚集成密集的束流，加速到使它能夠破壞目標。目標識別與跟蹤系統主要由搜索跟蹤雷達、紅外探測裝置及微波攝像機組成。探測系統發現目標后，目標信號經數據處理裝置和超高速計算機處理后，進入指揮控制系統，根據指令，定位系統跟蹤並瞄準目標，同時修正地球磁場等的影響，使粒子束瞄準目標將要被擊毀的位置，然後啟動加速器，將粒子束髮射出去。

一般使用線性鐵氧體磁場感應加速器來產生高速電子束，絕對速度為每秒30萬公里。俄美研製的地基粒子加速器均為質子加速器，其基本原理是: 首先把電子束髮生器產生的電子進行加速，然後在高頻振蕩裝置上振動，再在離子發生裝置上把進來的質子用電子包圍起來，使其進入離子加速裝置進行加速，質子因接收能量而加速。在接近出口時，把電子去掉，利用磁場使之變成尖銳的高能定向束流，隨後把質子束向空間發射出去。

利用對原子進行加速的方法，製造出中性粒子，然後聚集成尖銳的高能定向束流，以接近光速的速度發射出去，擊毀目標或使其失效。

美國研究產生中性粒子的方案是：將負離子在加速器中加速並聚集，在加速器的出口處去掉多餘的電子，變成中性氫原子束髮射出去，並且要求這一過程確保氫原子束的質量和能量。

中性粒子束武器要進入作戰使用，必須有一定數量的衛星進行早期預警和探測。預警衛星將探測目標的數據送往地面站，需要特定衛星網和慣性導航系統來實時測定衛星和目標的位置，以及在衛星的任何方向上都能瞄準目標的姿態控制系統。天基反導系統作戰平台（衛星）數目與導彈助推段時間和攔截器速度的關係見圖2所示。

粒子束武器的破壞機理是動能殺傷和γ、X射線破壞。粒子束不受雲、霧、煙等自然環境和目標反射的影響，也不會因目標被遮蔽或受到干擾而失效，其全天候和抗干擾性能較好。粒子束直接穿入目標深處，不需要維持一定時間，有利於攻擊多目標。如果粒子束沒有直接命中目標，則會在目標周圍產生γ、X射線，造成第二種傷害和破壞。粒子束的毀傷作用表現在: （1）使目標結構汽化或熔化; （2）提前引爆彈頭中的引信或破壞彈頭的熱核材料；（3）使目標中的電子設備失效或被破壞。

粒子束既可實施直接穿透目標的“硬殺傷”，也能實施局部失效的“軟殺傷”。帶電粒子束對目標的穿透能力極強，能量集中，脈衝發射率高，能快速改變發射方向。中性粒子束還可對目標周圍產生的中子、γ、X射線進行遙測，實現對目標的識別。

粒子束武器的研製難度比激光武器大，但作為天基武器比激光武器更有前途。其主要優點是:（1）不用光學器件（如反射鏡）;（2）產生粒子束的加速器非常堅固，而且加速器和磁鐵不受強輻射的影響;（3）粒子束在單位立體角內向目標傳輸的能量比激光大，而且能貫穿目標深處。

粒子束武器的缺點主要有：（1）帶電粒子在大氣層中傳輸時，由於帶電粒子與空氣分子的不斷碰撞，能量衰減非常快，而中性粒子不能在大氣中傳播;（2）帶電粒子在大氣中傳輸時散焦，因此在空氣中使用的粒子束，只能打擊近距離目標，而中性粒子束在外層空間傳輸時也有擴散;（3）受地球磁場的影響，會使光束彎曲，從而偏離原來的方向。

粒子束武器研製的技術難題和研究狀況

1975年以來，美國預警衛星多次發現大氣層上有大量帶有氚的氣體氫，認為可能是發射帶電粒子束造成的。1976年，美國預警衛星探測到前蘇聯在哈薩克的沙漠地帶進行了產生帶電粒子束的核聚變型脈衝電磁流體發動機的試驗。有資料表明，對粒子束武器的研究，前蘇聯是從1974年開始的，美國是從1978年開始的，20世紀80年代中期開始在實驗室進行理論驗證。

20世紀70年代中期以來，前蘇聯在電離層和大氣層外的宇宙系列衛星、載人飛船和禮炮號空間站上進行了8次帶電粒子束傳導方法試驗；在列寧格勒地區進行過粒子束武器的地上試驗，試驗裝置有線性電磁感應加速器、γ射線儀器、X射線儀器、磁力存儲器和多頻道超高壓開關等，而且進行過帶電粒子束對洲際彈道導彈、宇宙飛船以及固體燃料目標的照射試驗。1978年，前蘇聯在東德製造了使用1000GeV質子加速技術的0.5MV、80J、16層7列的粒子束產生裝置。

美國海軍在20世紀70年代建立了開發粒子束武器的蹺板計劃，研究用帶電粒子束攔截導彈的核彈頭。美國國防部在1981年設立了定向能技術局來開發粒子束武器和激光武器，從1981財年開始實施預算額為3.15億美元的5年開發計劃。粒子束作為武器使用時必須兼備大電流和高能量以及數兆瓦的能源，它要在現有的基礎上，功率增加幾千倍，甚至幾萬倍。粒子束擊中目標后，放出電子，質子直穿而入，待能量耗盡后停止。100MeV的中性氚束對各種物質的垂直穿透深度為：固體推進劑9.5cm，鉛3.3cm，鋁0.8cm。

地基粒子束武器要解決在大氣層中的傳輸距離問題，中性粒子束散焦度低，要產生達到破壞未來加固目標所需要的1020～1021J/sr的亮度非常困難。由於中性粒子束不能穿越大氣層，因此只能裝在衛星上，所以減小加速器尺寸和重量就成為另一難題。另外還要研究中性粒子破壞目標內部設備的機理。

地基粒子束武器要從地面發射粒子束，需要有足夠的射程。天基粒子束武器要在外層空間作戰，在監視和跟蹤系統方面，對感測器要求極高，而且需要適合於部署在空間的尺寸和重量。20世紀80年代前蘇聯在哈薩克的薩雷沙甘建設的粒子束加速器佔地約四個足球場大小，美國的粒子加速器也有一幢樓那麼大，因此天基部署難以實現。

粒子束武器的原理並不複雜，但要進入實戰難度非常大。首先是能源問題。粒子束武器必須要有強大的脈衝電源。要在導彈殼體上燒個小孔，粒子束到達目標的脈衝功率須達到1013W，能量為107J。假設粒子加速器的效率為30%，即使不考慮粒子束在傳輸中的能量損失，加速器脈衝電源功率也至少要達到3×1013W，而目前在研的最先進的脈衝電源的功率只有107W。中性粒子束武器實用化最關鍵的脈衝電源功率技術是連續波甚高頻(VHF)射頻源。

正因為存在上述一系列技術難題，儘管俄美都在積極研究粒子束武器，但地基和天基粒子束武器目前尚處於實驗室的可行性驗證階段，估計2020年以後有可能進入實戰部署。美國已做的基礎工作包括：進行粒子束產生、控制、定向和傳播技術理論驗證和實驗室的試驗，用加速試驗台進行試驗，驗證中性粒子束方案的可行性，同時探討帶電粒子束方案。按照美國的天基粒子束武器方案，氫原子束的能量為200MeV，武器重量60t，用以攔截大氣層外助推段和中段飛行的洲際彈道導彈的彈頭。

俄美對於粒子束武器的出發點是立足於空間作戰與防禦，主要工作是基礎研究和高能量轉換技術的研究；對於地基粒子束武器的研究只局限於作為點防禦作戰的近程武器系統範圍，主要是確保帶電粒子束在大氣層中長距離的穩定傳播。

美國已確定粒子束武器的潛在用途是攔截導彈、攻擊衛星以及在敵防區外實施掃雷等。目前產生粒子束的方法是利用線性電磁感應加速器，但由於加速器太笨重，無法投入戰場使用。美國在基礎研究中主要是抓緊研究適於部署在地基和天基反導平台上的小型、高效加速器及其技術。美國利用線性電磁感應加速器產生粒子束，通過同一加速器，連續再循環脈動的粒子束，以便讓粒子束在現有的小型加速器中環流，把能量逐漸加到每次通過的粒子上。美國陸軍彈道研究試驗室稱，尚需進一步證實小型環流電磁感應加速器的原理。這種加速器能否投入戰場使用，加速器的尺寸和重量是關鍵因素。美國還研製過一種實驗加速器裝置，其尺寸不大於一個辦公桌，這是部署在外層空間可以接受的尺寸。

能量轉換技術的研究的目的是要形成高速粒子脈衝。美空軍的研究機構稱，傳統的可控硅開關和火花放電開關的研究已經完成，下一步要開展磁性開關研究，這種開關基於飽和的電磁感應原理，具有很高的重複率。

高空核爆炸時發出的強X射線、激光武器和粒子束武器發射的強激光束以及其他多種強粒子束的破壞效應，均與粒子束爆炸現象密切相關。研究粒子束爆炸最初是為了研究高空核爆炸效應和用強電子束在實驗室內模擬核爆炸效應。粒子束輻照固體能激起應力波，所以這種爆炸也是進行動態高壓實驗的一類新型載入方法，其中以利用強激光束的方法較為常見。

粒子束爆炸一般經歷能量沉積階段和應力波引起的局部破壞階段；如果材料受粒子束輻照並一直承受其他載荷的作用，則還會有破壞擴展階段：

①能量沉積階段　粒子束能量被固體表面吸收的過程。不同種類粒子與材料的相互作用機理不同，能量沉積情況也不同：電子和X射線能穿入固體內部，因而沉積較深，粒子在輸運過程中與固體發生多種相互作用，結果粒子束的能量轉化為固體的內能，使能量沉積區域中的應力迅速增加，於是激起壓縮應力波向固體更深部傳播；紅外激光通常不能透射到不透明的固體內部，能量沉積範圍限於表面一淺層，單靠這種作用，轉化成應力波的能量不多，但固體表面溫度升高后，可被燒蝕掉一層，燒蝕蒸氣高速噴出時，由於動量守恆，將有反衝壓力施加到固體表面，此反衝作用可激起壓縮應力波向固體的深部傳播；能量密度很高的激光束輻照固體表面，固體表面燒蝕蒸氣和附近空氣會因高溫而電離成等離子體，等離子體強烈吸收入射激光，屏蔽了固體，使激光能量不能直接沉積到固體上，但等離子體吸收激光后，有可能形成激光支持的爆轟波，爆轟波陣面後方的高壓力將作用到固體表面而激起壓縮應力波，這種過程稱為二次能量沉積。

②應力波引起的局部破壞階段　由粒子束照射激起的應力波在固體內傳播，能使固體損傷而斷裂。最常見的現象是壓縮應力波傳播到固體的后自由表面時發生反射，在適當條件下，反射波與後續的入射波相互作用後會形成負壓區，使固體受到拉伸。如果拉應力足夠強而且持續一段時間，在此負壓區會發生層裂，材料的被輻照部位會出現局部動態斷裂破壞。

③破壞擴展階段　受粒子束輻照時，若材料還一直承受有其他載荷的作用，則可能在已形成的局部破壞區域引起足夠強的應力集中，並導致更大範圍的破壞。

第②、③階段與通常爆炸時固體材料的破壞過程相似，第①階段則是粒子束爆炸所特有的。