[发明专利]一种非均匀等离子体电子密度的诊断系统及方法

说明书

本发明提供了一种非均匀等离子体电子密度的诊断系统，包含：等离子体发生器，设置在定标体前方；超宽带天线，包含接收天线和发射天线，设置在等离子发生器同侧；时域窄脉冲源，连接发射天线；高速采样数字示波器，连接发射天线以及接收天线并对发射天线的发射信号以及接收天线的接收信号进行记录和处理；程控电源系统，分别连接时域窄脉冲源、高速采样数字示波器以及等离子体发生器，用于触发时域窄脉冲源，控制等离子体发生器的放电功率，记录等离子体不同放电功率状态，以得到不同放电状态下的等离子体基本参数。其优点是：可以模拟更为精确的超高声速目标表面等离子体鞘套的环境，而且测试效率高，测试成本低。

技术领域

本发明涉及微波测试技术领域，具体涉及一种非均匀等离子体电子密度的诊断系统及方法。

背景技术

等离子体是指包含大量的电荷数目近似相等的正负带电粒子的物质的聚集态。等离子体的产生主要是通过能量输送从而引起电荷输运，当具有足够能量的粒子与气体分子发生碰撞时就会产生电子和离子，从而形成等离子体。超高声速飞行器在高速飞行过程中，表面极高的温度会使气体分子电离，从而形成等离子体，包覆在飞行器表面形成等离子体鞘套。等离子体鞘套具有极高的电子密度，会使电磁波传播的功率衰减，导致通信和探测信号产生畸变，甚至产生通信“黑障”、目标探测异常等系列问题。

根据等效介质理论，等离子体鞘套可等效为一个具有一定随机性的三维非均匀色散介质，其电磁特性是长期的研究热点。等离子体鞘套地面模拟存在可控性差、可实现的最大电子密度有限、试验成本较高等问题，而对于等离子体鞘套这种非均匀等离子体环境基本参数的获取也是长期以来的难题。文献“Probe diagnostics of electrondistributions in plasma with spatial and angular resolution,Physics ofPlasmas,2014,21(9):093506”，针对辉光放电等离子体的电子密度进行诊断，探针法主要是通过在等离子体内部探入一根柱形探针，由探针所收集到的总电流从而得到等离子体参数的数据。在低气压条件下，探针表面会形成等离子体鞘套，离子的自由程较大，可以看作无碰撞条件，此时探针测量得到的电流近似满足Laframboise轨道运动理论。但这种方法在高气压环境下不能准确诊断离子密度，离子电流会受到等离子体鞘套的离子能量和轨迹影响，等离子体中的离子会绕开探针运动，因此不会和气体分子发生碰撞从而而不满足轨道运动守恒定律，并且离子运动轨迹呈辐射态，发生“鞘套膨胀效应”，这种效应会对结果造成显著影响。文献“Langmuir探针诊断低压氢等离子体电子密度与温度，强激光与粒子束，2010，22(6)：1234-1238”，利用Langmuir探针对等离子体伏安特性曲线进行了原位诊断，采用双曲正切函数的指数变换模型拟合曲线，根据 Druyvesteyn方法得到状态参数电子密度、有效电子温度和电子能量几率函数，分析了随实验参数变化的规律。但是这种方法忽略了约束磁场及低气压对于探针的影响，将氢等离子体近似看作一阶电离等离子体，忽略氢等离子体放电对探针的其他影响，与真实放电条件略有区别。专利CN102508002A 公开了一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置，用于再入飞行时测量飞行器周围密度为10⁸～10¹¹cm^-3的等离子体，采用金属铱作为电极，氮化硼作为绝缘电极，设置有探针电极保护环以减少边缘效应，提高测量精度，探针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德拜长度，该装置可以直接安装在再入飞行器表面实时连续测量边界层内等离子体密度，探针可抗氧化，不影响飞行器的气动外形，能够长时间连续测量。然而对于再入飞行器表面产生的非均匀等离子体鞘套，探针得到的是等离子体环境中某一点的参数，对于研究电磁波传输范围内的参数无法精确测量，如果在电磁波传输区域内布置多根探针，成本高且对飞行器外形产生影响，因此采用探针法诊断等离子体电子密度，需要考虑测试环境及选择合适理论来校准探针数据，具有一定局限性。