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等离子体微波特性及微波诊断方法研究

李斌  
【摘要】: 本论文主要研究了等离子体的微波特性以及几种新型的微波诊断方法。在等离子体微波特性研究方面,我们对微波在等离子体中的传播特性进行了理论分析和数值计算,并在此基础上展开了实验研究;而在微波诊断方法研究方面,我们对等离子体吸收探针、微波截止探针和微波反射计分别进行了理论分析和实验研究,并对这些诊断方法进行了优化和改进。 本论文首先采用抛物线型分层模型对等离子体与微波的相互作用进行了理论分析,获得了微波在非均匀等离子体中传播时的反射系数与吸收系数的理论模型,并对这个模型进行了典型参数的数值计算,计算结果表明,高密度、强碰撞的等离子体对在其中传播的微波有明显的吸收效果。相关的实验研究是在等离子体微波特性实验室中进行的,实验结果表明,等离子体覆盖可使等离子体目标反射系数在2~18GHz频率范围内减小10-20dB,这个结论与理论分析结果一致。此外,我们在微波暗室环境中利用脉冲压缩雷达反射法对复杂背景等离子体目标进行了密度剖面测量。 本论文在不采取准静电近似的前提下,对标准型等离子体吸收探针(PAP)进行了理论分析,提出了表面波色散关系的电磁理论模型,并通过实验研究和数值模拟对此模型进行了验证分析,两方面的结果都验证了PAP的表面波电磁理论模型是有效的。基于以上理论分析结果,我们提出了一种新型的PAP结构——电磁PAP。此外,我们还对敏感型PAP的鞘层效应对等离子体密度测量结果的影响进行了实验研究,提出了双功能PAP的测量方案。这种PAP同时具有静电探针和敏感型PAP的功能。利用双功能PAP的双重功能可在进行电子密度测量之前完成鞘层厚度的标定。这对于降低数据处理过程中因不准确的预设鞘层厚度值引起的测量误差而言是很重要的。 本论文提出了一种用于等离子体密度测量的新方法——微波截止探针。它的测量原理是基于微波在等离子体中所发生的截止现象。我们首先对微波截止探针的测量原理进行了理论分析和数值模拟,两方面的结果均表明,微波透射系数频谱数据的临界点所对应的频率值即为接收天线所处位置的等离子体频率。所以只需从实验上测得入射微波在等离子体中的透射系数频谱数据,即可从中确定测量点的等离子体频率,并利用等离子体密度与等离子体频率之间的关系获得电子密度值。实验研究中,通过改变等离子体参数研究了微波截止探针的适用范围。实验结果表明,微波截止探针可用于大参数范围的等离子体电子密度诊断。 本论文研究和分析了用于EAST托卡马克等离子体密度剖面诊断的频率调制反射计的研制。为了综合利用寻常波模式和非寻常波模式各自的优点,本系统采用双线极化的测量模式,可同时进行寻常波截止和右旋截止反射信号的测量。对于一定频率范围的微波源而言,这种极化方式可扩大微波反射计可测等离子体密度范围。为了保持测量数据的信息完整性,本系统采用数字检波方案,利用数据采集系统记录中频信号波形数据,之后可利用数据处理方法对此进行相应的数值分析,常用的数据处理方法有最佳路径方法、突发模式分析方法和自适应时频分析方法等。


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