[发明专利]一种等离子体风洞的等离子体参数测量方法

说明书

本发明提供了一种基于等离子体风洞的等离子体参数测量方法，所述测量方法首先在等离子风洞输入层流等离子体前，通过矢量网络分析仪调整发射天线和接收天线同相位；输入等离子体后在发射天线与接收天线之间风洞中形成等离子体束流；测量等离子体束流的直径、接收天线与发射天线的相位差，并根据相位差及等离子体束流直径计算等离子体电子密度；再通过光谱仪测量等离子体粒子的特征谱线的偏移量，并根据偏移量计算等离子体的束流速度。本发明所测量的等离子体电子密度和束流速度测量误差小于0.01mm，相伴分辨率小于0.5°，综合误差小于0.16％，在不干扰等离子体束流的前提下，对等离子参数进行精确测量，提高了测量精度。

技术领域

本发明属于等离子体风洞测试领域，具体涉及一种等离子体风洞的等离子体参数测量方法。

背景技术

等离子体风洞中的气流是由纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流形成，可用来研究高超声速飞行器等离子体鞘层电磁特性。在等离子体风洞实验装置上，气体介质通过旋向进气装置进入石英管，通过加热或辐射产生等离子体，等离子体通过喷管进入真空试验段，从而形成等离子体射流。要实现等离子风洞，关键是获得长时间稳定的等离子射流。为了保证等离子射流的稳定性，需要对等离子射流的电子密度和束流速度进行实时测量。

现有技术中，一般通过探针对等离子体风洞的电子密度和束流速度进行测量。由于探针要介入流场进行测量，对流场有着不同程度的扰动，对测量带来误差。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种针对等离子体风洞的非介入式等离子体参数测量方法，基于微波干涉法和光谱测速法对等离子体风洞中电子密度和束流速度进行测量，非介入式测量避免了与束流的直接接触，减少了对等离子体的干扰，测量结果更加精确。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种基于等离子体风洞的等离子体参数测量方法，所述测量方法包括如下步骤：

步骤S1,等离子风洞输入层流等离子体前，通过矢量网络分析仪调整发射天线和接收天线同相位；

步骤S2，层流等离子体源功率/工质输入端口控制层流等离子体源向等离子风洞输入层流等离子体，层流等离子体经过线圈和磁场，在发射天线与接收天线之间风洞中形成等离子体束流；

步骤S3，测量等离子体束流的直径；

步骤S4，矢量网络分析仪测量输入层流等离子体后的接收天线和发射天线的相位差；并根据相位差及等离子体束流直径计算等离子体束流电子密度；

步骤S5，设置光谱仪的准直镜背向等离子体束流喷射方向、与等离子体束流的运动方向夹角为θ，光谱仪测量等离子体粒子的特征谱线的偏移量，并根据偏移量计算等离子体束流速度。

上述方案中，步骤S4中，所述计算等离子体束流电子密度采用公式(1)：

式(1)中，N_e等离子体束流为电子密度,f₀为微波信号的频率，为相位差，L为等离子体束流直径，即微波信号通过等离子体所经过的距离。

上述方案中，步骤S5中所述根据偏移量计算等离子体的束流速度采用公式(2)：

△λ＝(λvcosθ)/c (2)

式(2)中，△λ为波长变化量，λ为特征谱线波长；v是粒子运动速度，θ是观测方向与粒子运动方向夹角，c是光速。

上述方案中，所述矢量网络分析仪频率范围10MHz～43.5GHz，微波信号采用30.5GHz中心频率，带宽1KHz。

上述方案中，所述层流等离子体源来自于氩灯光源；