等离子体浓度分布微波测试技术研究

【摘要】：现阶段等离子体技术发展迅猛,掌握等离子体特性参数成为热门研究课题。特别在国防科技领域,再入飞行器“黑障突破”一直是困扰科学家的难题。等离子体学科的进步离不开相应的诊断技术。其中微波技术在预言等离子体行为方面具有许多独特的优点。微波诊断等离子体方法可以分为接触式和非接触式两大类。本课题源于某研究所横向项目,目的是实现等离子体浓度的非接触式诊断。本文基于微波反射法,利用点频辐射天线对等离子体进行检测并展开相关研究。反射法大多利用电磁波截止特性进行检测,不能分辨中间高两端低的密度剖面。本文基于多层求解模型,利用检测灵敏度高的多频辐射天线进行多点频测试实现等离子体浓度多层分布测试。本文首先从等离子体的基本性质和特性参数出发,明确了待测参数物理意义。通过研究等离子体的介电特性,给出等效介电常数与等离子体参数的关系。其次,利用波动方程,从理论上分析等离子体中的波。讨论了等离子体中不同频率电磁波的传播特点。用等效输入阻抗方法,联合边界条件推导了平板分层模型多层等离子体中电磁波反射系数计算方法。仿真了电子密度、振荡频率和厚度对电磁波反射特性的影响。在此基础上,理论分析和验证了利用点频天线检测等离子体的可行性,推导了等离子体参数的反演方法,给出了电子密度计算的三层模型和方法。然后,本文研制了工作在中心频率分别为1.3GHz、1.9GHz和3.1GHz的三频点天线,组装了测试系统,并进行了针对低温等离子体的诊断实验。最后,对实验结果进行了分析,得到电子浓度数据。讨论了测试误差来源并提出了改善方案。总结了微波反射法等离子体测试存在的一些问题,为进一步研究奠定了基础。本文使用多点频天线检测等离子体电子密度,测得低温辉光设备等离子体电子密度为1015~1016/m3量级,给出了三层等离子体电子密度分布。