收藏本站
《中国科学技术大学》 2008年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

特殊等离子体环境物理信息获取与处理的研究

牛田野  
【摘要】: 随着工业和电子技术的进步,等离子体概念的范畴也在不断扩大,从早期的气体放电逐步扩展到当今社会的方方面面。在航空航天领域,随着“神七”上天和大飞机项目上马,人们发现了很多急待解决的工程问题,如飞船再入过程中的通讯中断,目标识别,降低运动物体的雷达散射截面等。这样,超声速飞行器在大气层飞行中产生的激波,火箭发动机燃料中掺有的铯、钾、钠等易电离成分所形成的喷流,宇宙飞船再入阶段的表面烧蚀等特殊等离子体环境的物理信息获取与处理的研究就受到越来越多的重视。美俄等国已经在这一领域进行了充分的实验积累,而国内由于缺乏相应的实验技术和环境,该工作尚处在起步阶段。在能源领域,人们借助托卡马克中产生的高温等离子体进行可控热核聚变的研究,可以解决传统的化学燃料效率低和污染重的问题,为人类寻找新的清洁能源。上述等离子体往往处在具有高温、高压和高流速等特殊环境中,它们的密度和存在时间跨度很大(密度从10~9到10~(13)cm~(-3),存在时间从1ms到几十分钟),因此其性质与传统的稳态等离子体有较大差异。 为了获取这些特殊等离子体环境下的物理信息,探讨它们与载体的相互关系,更好的将其应用到航空航天、能源等领域中,本文根据相关课题的要求,在模拟各种空间环境的地面实验装置上,依照特殊等离子体环境的特点,设计并自主研发了对应的数据采集与处理平台,包括数据采集、结果的在线分析和存储等,配备了相应的软硬件系统。实验中本文尝试采用多种手段获取同一等离子体参数,独立的比较各种方法所得结果之间的差异,尽可能的还原出真实的物理信息。本文还对等离子体数据处理进行了深入的研究,借助各种物理数学模型和专用的科学计算工具,离线求解出相应的等离子体参数,如电子温度、电子密度,电子碰撞频率等。 本论文的主要内容如下: 1.根据课题研究和测试环境的需求,本文建立了相应的等离子体数据获取平台,包括静电探针集成诊断系统、十路探针阵列诊断系统和多路光纤光谱仪,并对每种采集系统都进行了标定与测试。 2.在项目预研阶段,为了验证数据获取与处理方法的可行性和可靠性,本文在直流辉光稳态装置上,结合静电探针与发射光谱方法,分别获得了辉光正柱区的电子温度与电子密度,对两种方法的特点进行了比对,并在后续特殊等离子体环境数据获取与分析中进行了改进和推广。 3.本文从实验上研究了特殊等离子体环境中静电探针数据获取和处理方法。文中使用的静电探针主要是单探针和三探针。特殊等离子体环境一般具有高温高压等特点,普遍存在电磁干扰,所以本文在设计数据采集系统时充分考虑了屏蔽和隔离的问题。在数据处理方法上,由于传统的基于无碰低气压假设的探针理论已经失效,本文在充分调研的基础上,选择了Smy和Kiel等人的基于高气压强碰撞假设的探针电流收集理论,在仔细分析特殊等离子体环境的基础上加以应用,获得了电子密度和电子温度等参数及其时空分布。 4.根据项目要求,本文分别在飞行环境地面实验装置、固体助推剂成分实验装置和粉末激波管上使用静电探针完成了电子密度、电子温度和碰撞频率等参数的测定。飞行环境地面实验要求获得电子密度在实验腔体内部的分布情况,因此运动探针阵列被用来获得了喷流等离子体的电子密度和电子温度的时空分布图,为推进器的型号筛选和性能改进提供实验依据。助推器的燃料成分实验装置空间有限,所以单探针被选作诊断方法。在粉末激波管等离子体参数诊断中,由于来流存在时间短,传统的单探针扫描的方法已经不能使用,所以无需扫描电源的三探针诊断方法被采用,同时高速信号采集技术被用来获得了探针的饱和电流,再通过相关的物理模型计算出该等离子体电子密度和电子温度的时间分布,并导出碰撞频率。 5.本文在飞行环境地面实验装置上使用多路光纤光谱仪获得了氩气放电的发射光谱。这里的等离子体电子温度相对较低,维持导电主要是依靠电子碰撞使气体电离,因此这种放电形式属于弱电离、非平衡态放电,其发射光谱主要是原子谱线的辐射。这种条件下,由于激发态的粒子布居密度偏离Boltzmann分布,所以本文在分析原子发光的机理基础上,使用了Fermi-Dirac模型、基于非平衡态日冕模型、两种电子激发碰撞截面模型四种新的模型或方法重新计算电子温度。并对这几种方法的计算结果进行了比对,确认了双曲函数模型是在该条件下计算电子激发温度的最佳模型。 6.本文将探针和光谱的数据处理技术进行了比对,分析了结果的一致性与系统误差,为今后类似的工作提供了借鉴。 7.针对高温等离子体的软X射线辐射,本文设计了一套诊断系统,可以获得软X射线的时空分布,以及相应的磁流体动力学(MHD)不稳定性。该工作包括系统的设计安装,电路实现,图像重建和MHD不稳定性的分析等过程。 本论文的主要创新之处在于: 1.本文设计的便携式探针集成诊断平台,合作设计的十路探针诊断系统等两套一体化探针数据获取装置,已经成功应用于喷流等离子体、助推剂燃烧和粉末激波管环境的探针实验,解决了实验室原有的分立元件诊断系统存在的集成度低、抗干扰能力差、携带不便、对多样化的复杂实验场地条件适应能力较差等问题。 2.在探针数据处理方法上,本文系统总结了Smy和Kiel等人的基于高气压强碰撞假设的探针电流收集理论,并应用于各种特殊等离子体环境的探针数据处理中,获得了电子密度和电子温度等参数及其时空分布,解决了喷流等离子体、助推剂燃烧和粉末激波管环境的探针数据处理无合适的理论依据的问题。 3.本文系统总结了Fermi-Dirac模型、基于非平衡态日冕模型、两种电子激发碰撞截面模型等多种基于热力学非平衡态的光谱计算模型,解决了飞行等离子体环境的电子激发温度的计算问题。 4.本文是国内首次在粉末激波管等离子体试验中使用三探针诊断和高速数据采集技术,从实验上获取了该等离子体电子密度和电子温度的时间分布,并导出碰撞频率,解决了国内高温高压高马赫数粉末激波管研究一直依赖数值模拟,缺乏合理可信的实验数据的问题。 5.在加拿大STOR-M托卡马克上本文首次实现了紧凑型软X射线诊断系统的安装与测试,并进行了初步实验,解决了原有的软X射线系统体积大、对光强敏感度低的缺点,为后续的MHD不稳定性研究提供了完善的硬件平台。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TP274.2

手机知网App
【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 石磊;近空间飞行器信道特性研究[D];西安电子科技大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 程晓丽;董永晖;李廷林;;模型烧蚀对尾迹电子特性影响的计算和实验研究[J];航空学报;2007年04期
2 唐锦荣,彭世镠;泰氟龙烧蚀对黏性激波层电子密度的影响[J];力学学报;2002年06期
3 刘丽辉,于威,赵启大,傅广生;朗谬尔单探针测量螺旋波等离子体参量[J];南开大学学报(自然科学版);2004年03期
4 曾昭宪;王世金;曾力;;基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法[J];上海航天;2006年06期
5 胡光初,乐嘉陵,曹文祥;正激波后平衡高温混合气体(空气加氩)电子密度及热力特性计算[J];宇航学报;1993年01期
6 潘阁生,王成,万树德,闻一之,俞昌旋,周立永,王之江;静电离子探针在气体放电磁化等离子体参数测量中的应用[J];真空科学与技术;2001年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 泽仁志玛;张学民;刘静;欧阳新艳;熊攀;申旭辉;;利用DEMETER卫星LANGMIUR探针观测数据研究强震前的电离层扰动[J];地震地质;2010年03期
2 杨幼桐,杜凯,张菲,宋国利,万鹏程,刘艳春;等离子体的诊断方法[J];哈尔滨学院学报;2005年10期
3 李海燕;李志辉;罗万清;李明;;近空间飞行环境泰氟隆烧蚀流场化学非平衡流数值算法及应用研究[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2014年02期
4 董磊;康小明;赵万生;康小录;余水淋;张乾鹏;;基于LabVIEW的集成式多探针等离子体诊断系统[J];推进技术;2011年06期
5 胡林;朱隽;雷奕安;;离化靶中多脉冲强流电子束的不稳定性[J];强激光与粒子束;2013年09期
6 杨涓;刘文一;朱国强;毛根旺;;真空中微波等离子体喷流电子数密度分布规律实验研究[J];物理学报;2007年01期
7 罗文峰;刘崇琪;梁猛;赵小侠;;基于光谱法鸡蛋壳等离子体特征参数诊断[J];西安邮电大学学报;2013年05期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 余弈;许敏;王俊;闻一之;俞昌旋;;磁约束环电子回旋共振激发稳态等离子体的不同形态[A];安徽省第五届“兴皖之光”青年学术年会论文集(工科卷)[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 巩春志;管筒内壁自激射频放电等离子体浸没离子注入方法研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
2 姜海富;细长管内腔空心阴极放电等离子体离子注入/沉积研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 童朝霞;激光等离子体静电效应机理与实验研究[D];南京理工大学;2006年
2 李志钢;等离子体弧图像采集及温度场研究[D];大连理工大学;2007年
3 蓝加平;直流脉冲等离子体时间演化过程的研究[D];中南民族大学;2008年
4 李希平;高功率复合脉冲磁控溅射等离子体特性及TiN薄膜制备[D];哈尔滨工业大学;2008年
5 王春艳;磁控等离子体弧温度场的研究[D];大连理工大学;2009年
6 张雯;高超声速弹头气动热及电子分布的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
7 高艳芬;磁控溅射等离子体靶粒子输运过程研究[D];河北大学;2008年
8 代崴娜;基于ARM技术的Langmuir探针系统开发[D];东北大学;2008年
9 郭优;磁控溅射等离子体离子能量及流密度的测试研究[D];东北大学;2010年
10 王璐;烧蚀状态下碳基材料非平衡流场与固体温度场耦合数值模拟研究[D];浙江大学;2013年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李疏芬,曹金祥;发动机喷焰对微波相移特性的探讨[J];火炸药学报;1997年02期
2 居敏;许宗泽;;OFDM系统的自适应低秩信道估计[J];北京航空航天大学学报;2006年03期
3 杨峰,谢德芳,翁木云,李超;自适应TDMA抗雨衰对策在Ka波段卫星通信中的应用[J];电讯技术;2002年03期
4 翁木云,付晓研;Ka频段卫星信道的衰减特性[J];电讯技术;2005年05期
5 柴霖;吴潜;雷厉;;近空间高动态飞行器测控系统发展趋势分析[J];电讯技术;2008年01期
6 刘嘉兴;;近空间跟踪与数据中继系统的初步设想[J];电讯技术;2008年05期
7 徐茂格;席文君;;近空间高超音速飞行器射频通信“黑障”研究[J];电讯技术;2009年10期
8 吕爱龙,许家栋;非均匀磁化等离子体中电磁波的反射[J];电波科学学报;2005年04期
9 林乐科;赵振维;董庆生;刘玉梅;;地空路径水凝物交叉极化特性研究[J];电波科学学报;2006年01期
10 黄强;贺知明;张健;汪学刚;;等待接收再入遥测信道的近地衰落模型[J];电波科学学报;2007年01期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 刘江凡;席晓莉;柳杨;;等离子体鞘套中电磁波传播特性的ADE-FDTD计算[A];2009年全国天线年会论文集(下)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 许正文;电离层对卫星信号传播及其性能影响的研究[D];西安电子科技大学;2005年
2 黄强;等待接收再入遥测信道特性研究[D];电子科技大学;2006年
3 李雪春;等离子体源离子注入介质靶鞘层特性的数值研究[D];大连理工大学;2008年
4 弓树宏;电磁波在对流层中传输与散射若干问题研究[D];西安电子科技大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 郑进宝;我国Ka频段卫星通信雨衰分析及抗雨衰技术[D];国防科学技术大学;2007年
2 张栓晓;降雨环境中Ka频段数字卫星通信系统性能研究[D];西安电子科技大学;2010年
3 刘江凡;等离子鞘套中电波传播的算法研究[D];西安理工大学;2009年
4 刘涛;Ka波段卫星通信雨衰与抗雨衰问题的研究[D];东北大学;2008年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 张东和,曹冲,甄卫民,李安民;接收GPS卫星信号测量电离层总电子含量结果的初步分析[J];地球物理学报;1996年S1期
2 魏叔如,吴荣生;流过泰氟龙烧蚀表面的化学非平衡边界层数值研究[J];力学学报;1996年02期
3 姚若河,池凌飞,林璇英,石旺舟,林揆训;射频辉光放电等离子体的电探针诊断及数据处理[J];物理学报;2000年05期
4 江南,王珏,凌一鸣;螺旋波等离子体的实验研究[J];真空科学与技术;2000年03期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 秦现生;谭益智;;用于数控机床状态监测的多机通信系统[J];机械与电子;1989年06期
2 周建平;梁明理;刘军;胡家元;;ESR成像系统中的磁场扫描和数据采集[J];武汉大学学报(理学版);1989年04期
3 童锟,秦守敬;多级分布式计算机控制系统[J];信息与控制;1990年03期
4 姜红星;鞠枫;;LOTUS1-2-3及其编译器软件在数据采集中的应用(三)——1-2-3编译器从12位精度模块采集数据[J];微型机与应用;1992年03期
5 李水良,岳榴;计算机数据采集与处理系统在实验中的应用[J];洛阳工学院学报;1994年02期
6 陈捷;王宁;;计算机辅助测试及其应用[J];电气自动化;1994年02期
7 陈燎原,叶高英,邓慧忱,李宗源;一个分布式数据采集与处理系统[J];计算机应用;1995年06期
8 何秀凤,刘建业,袁信;GPS接收机的数据采集与处理[J];数据采集与处理;1996年02期
9 王莉娜;用计算机技术实现载波机实时数据的采集[J];山西焦煤科技;1996年04期
10 朱正大;适用于“风云二号”卫星的数据采集平台[J];遥测遥控;1998年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 吴冬;石中锁;;多路电压信号的数据采集和分布式监控系统的设计[A];冶金轧制过程自动化技术交流会论文集[C];2005年
2 叶小华;罗铭;岑豫皖;;基于虚拟仪器的氮爆式液压破碎锤测试系统[A];第四届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2006年
3 周威;陈五一;;切削数据采集研究[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年
4 李玉华;单纯利;时阳;葛纪全;;航空发动机短型温度传感器校准[A];2007年度中国航空学会计量技术专业委员会计量与质量专题学术交流会论文集[C];2007年
5 陈流;李华峰;;超声波电动机动态数据采集的实现[A];第十二届中国小电机技术研讨会论文集[C];2007年
6 王建庄;许沛林;彭惠英;余秀娟;;Ⅱ型自动气象站数据采集的实时质量控制[A];第26届中国气象学会年会第三届气象综合探测技术研讨会分会场论文集[C];2009年
7 徐伟;行鸿彦;;IIC总线的软件模拟及其在数据采集中的应用[A];经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会(第二卷)[C];2010年
8 史小军;;面向对象技术在煤矿电力监控系统数据采集上的应用[A];煤矿自动化与信息化——第19届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集[C];2009年
9 杨国兴;王际芝;田景康;;结构试验实时监测系统(RMSS)[A];第三届全国结构工程学术会议论文集(上)[C];1994年
10 褚丽歆;;结构实验实时监测系统[A];第八届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ卷)[C];1999年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 王晓光;让惠农政策进万家[N];承德日报;2007年
2 记者 周奇;流动人口管理将建综合信息平台[N];北京日报;2006年
3 本报记者 龙群;IT让我人生更加光彩[N];九江日报;2007年
4 楚雄市国税局 张国华;加强当前“四小票”管理的对策建议[N];楚雄日报(汉);2008年
5 特约记者 朱晓霞记者 何平;兰州石化矿区完成地理信息数据采集[N];中国石油报;2007年
6 马淑华刘正德;我州公路路况将实现数据化管理[N];甘孜日报(汉文);2007年
7 移动;广东移动:助力宝洁再攀财富高峰[N];通信产业报;2005年
8 耿俊峰、龚喜进;大力抓好军人保障卡推广应用[N];战士报;2010年
9 谢子辉;建立经费标准一体化消耗数据采集报告制度[N];解放军报;2011年
10 夏开云;仪征市“三个统一”做好低保系统数据采集录入[N];中国社会报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 马英杰;基于3GS的核勘查数据采集及处理系统研究[D];成都理工大学;2010年
2 齐林;面向可追溯的物联网数据采集与建模方法研究[D];中国农业大学;2014年
3 李学锋;矿山企业数据仓库的应用研究[D];昆明理工大学;2005年
4 许献磊;车载探地雷达系统的开发及其应用实验研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
5 吴兵;石英晶体微天平电学参数获取及在物理吸附上的应用[D];中国科学技术大学;2008年
6 张文普;高性能X射线CMOS图像传感器及应用研究[D];重庆大学;2005年
7 徐中民;海水近表层弱光辐射的光谱测量研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2005年
8 贺振;区域地质调查填图实习辅助系统的研究与实现[D];西北大学;2006年
9 杨武;基于多源数据的土地利用变化研究[D];同济大学;2006年
10 赵国伟;柱形等离子体天线的基本原理、天线中谐波与非线性效应研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王斐;直流电机计算机控制综合平台数据采集与接口研究[D];西北工业大学;2003年
2 雷凯;旋转机械状态监测系统[D];电子科技大学;2005年
3 张文胜;基于SSL协议的数据采集与传输系统的研究与应用[D];山东大学;2005年
4 冯一;飞机供电参数测试系统的研制[D];西北工业大学;2006年
5 张宇蓉;无线传感器网络中基于移动Agent的数据采集研究[D];太原理工大学;2008年
6 王桂莲;脉搏波测试实验教学仪的设计[D];大连海事大学;2008年
7 尹志勇;雷达回波数据采集处理系统的研制[D];中北大学;2010年
8 程刚;在Labwindows/CVI环境下开发基于虚拟仪器技术的引控数据采集系统[D];四川大学;2003年
9 黄健;压力管道泄漏信号的提取、通讯及分析[D];南京理工大学;2003年
10 李春彪;USB接口技术与应用研究[D];南京理工大学;2004年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026