高气压空气环状感性耦合等离子体实验研究和参数诊断

等离子体的电子密度分布, 电子碰撞频率分布, 覆盖面积, 厚度是影响其覆盖目标电磁散射特征的关键属性. 对此, 本文开展了在20 cm×20 cm×7 cm石英腔内感性耦合等离子体(ICP)的放电实验, 观察了在高气压条件下, 空气ICP的环形放电形态, E-H模式跳变现象和分层结构, 测量了其电负性核心区和电正性边缘区宽度和厚度随功率、气压的变化趋势, 并通过COMSOL Multiphysics对平板线圈磁场强度分布的分析和电负性气体扩散理论给予上述现象合理的解释, 同时, 利用微波透射干涉法测量了核心区域的电子密度随功率和气压的变化曲线, 利用理论模型计算了边缘区域的电子密度分布, 最后通过辅助气体Ar发射谱线的玻尔兹曼图形法得到了核心区和边缘区的电子激发温度.     

射频容性耦合等离子体放电特性的光谱诊断

利用流体模型模拟和发射光谱实验诊断相结合的方法,研究了中等气压、中等功率下射频容性耦合等离子体的放电特性。理论上,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar气为工作气体,研究了不同气压以及不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。实验上,依据仿真模型设计制作了相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,采用13.56 MHz射频放电技术电离腔体内的工作气体Ar气,测量了不同气压、不同射频输入功率时放电等离子体的发射光谱。通过分析和选择适当的Ar Ⅰ和Ar Ⅱ的特征谱线,分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程计算了等离子体的电子温度与电子密度,并结合模拟仿真结果对光谱诊断结果进行了修正。结果表明：当气体压强为300~400 Pa、输入功率为600~800 W时,等离子体近似服从玻尔兹曼分布,此时利用光谱法得到的等离子体参数与仿真结果相符合。仿真模拟与光谱实验诊断相结合的方法可初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,增加了玻尔兹曼斜率法和沙哈-玻尔兹曼方程在等离子体放电中的使用范围,扩大了光谱法在低电子密度容性耦合等离子体参数诊断的应用场合,为中等气压容性耦合等离子体在工业与军事上的应用研究提供了重要物理状态的分析手段。     

110 GHz微波电离大气产生等离子体过程的理论研究

将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解,对110 GHz微波电离大气产生等离子体的过程进行了理论研究. 研究发现:在高气压下等离子体成丝状;中等气压下等离子体先成丝状,在向微波源移动的过程中逐渐向连续的等离子体区域过渡;低气压下电离产生连续的等离子体区域. 不同气压下等离子体区域都向微波源方向移动. 初始电子数密度分布只影响放电初始阶段的等离子体区域形状,不会影响成丝与否. 等离子体区域在垂直于电场方向和平行于电场方向的移动规律不同. 当电场平行于计算平面时,由于沿着电场方向等离子体两端存在强场区,等离子体区域被拉长,在较低的气压下会出现等离子体丝阵. 关键词： 110 GHz微波 大气电离 等离子体丝阵     

高功率微波辐射场功率阵列测量装置研制

基于高功率微波辐射场分布积分方法,通过衰减、延迟、合路等技术手段,研制了一套高功率微波辐射场功率阵列测量实验装置。该装置仅利用一台示波器就可以同时测得16个不同点处的高功率微波辐射场波形,由此得到不同点处的功率密度,在辐射天线方向图旋转对称的条件下,利用编写的程序可以迅速求得单次、短脉冲高功率微波源的空间辐射功率,并在X波段相对论返波管高功率微波源功率测试中得到应用,为高功率微波功率测量特别是单次HPM功率测量,提供了一种新的功率测量阵列装置。     

非圆截面环流器FY-1实验(Ⅰ)——被动运行部分

本文简略地描述了FY-1装置结构、等离子体基本参数的测量和等离子体位形的调试,初步考察了硬X射线产额与工作气压的关系。实验分析表明,FY-1装置已形成的等离子体环流放电属于逃逸放电。在场成形线圈作被动运行时,通过改变其回路连接方式和外串电感值,可适当调节等离子体平衡位置和位形。MHD平衡计算与实验测量拟合结果表明,等离子体截面可调节为不同截面积和拉长比(k=1.1—1.4)的椭圆。     

微波气体放电等离子体与余辉中的动理学研究

研究了微秒脉冲聚焦微波束气体放电等离子体的动理学过程。数值模型基于自洽求解的微波电场亥姆霍兹方程、粒子连续性方程以及电子能量、气体分子振动能量和平动能量的平衡方程,并与等离子体动理学反应互相耦合。对比了国外报道的近期两项相关实验:次MW级X波段9.4 GHz微波氮气击穿和MW级W波段110 GHz微波大气击穿。在次MW级实验中,计算所得电子激发态N₂(C3Π_u)的数密度与实验所测发射光谱第二正带隙的强度一致;在MW级实验中,模拟结果重复了发射光谱测量所得振动温度和平动温度对放电气压的依赖关系。结果揭示了上述模拟和实验符合的内在物理机制。     

神光Ⅲ原型黑腔物理实验研究

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究,从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律,从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动,明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流(1.6~4.4keV)份额。针对黑腔内部不同区域等离子体,研究了光斑区等离子体的运动,分析了其与电子热传导限流因子的关系;研究了冕区等离子体的运动,分析了不同充气等离子体条件对其的影响;在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。     

“神光”Ⅱ黑腔物理分解实验

本项目主要关注金腔靶内辐射烧蚀等离子体运动对辐射场特性及其诊断产生的影响和抑制方法。黑腔诊断口附近金等离子体喷射容易造成堵口现象，对X光发射能谱特性和角分布测量产生不利影响。腔内金等离子体向心运动还会使入射激光光路偏折，从而改变着靶点位置和能量沉积区域，影响腔内辐射场分布。为便于实验诊断分析，采用半腔靶和静态充气腔靶两种分解靶型进行研究，分别对应以下研究内容：了解金腔靶诊断口附近等离子体喷射对X光诊断的影响和抑制方法；利用填充气体抑制腔壁金等离子体喷射，证实静态充气黑腔靶实验的技术可行性。     

一种大气微波环形波导等离子体设备

 微波等离子体相对其它等离子体而言有很多的优点，具有极高的工业应用价值。但在大气条件下，大体积的微波等离子体较难获得。为达到产生该种微波等离子体并将之应用的目的，特设计了一台环形波导反应腔设备并从事了等离子体激发的相关研究。介绍了该设备的设计思路，给出了常用的非磁化微波等离子体工作气体的击穿曲线，通过软件仿真得到了反应腔内的电场分布，并陈述了微波等离子体反应的基本现象。结合试验的结果，证明了软件仿真的正确性和装置的有效性。目前，该装置可在大气压下顺利激发一定体积的氦、氩等离子体。     

小孔等离子体运动实验方法

在间接驱动惯性约束聚变的黑腔中,辐射烧蚀的高Z等离子体的流体力学运动过程对激光注入黑腔的效率、辐射场均匀性和通过诊断口的黑腔辐射温度诊断都有显著影响。为研究诊断口在黑腔辐射场中的等离子体缩口过程,用激光产生X光辐射加热低Z泡沫填充的金黑腔诊断口,以激光辐照钛平面靶产生的2～5 keV高能段窄能区X光作为背光源,用X光分幅相机获得了源靶和小孔靶两种靶型的小孔等离子体运动过程图像,研究了X光烧蚀的小孔等离子体的流体力学运动过程,探索了定量测量小孔等离子体面密度的空间分布与时间演化过程的实验诊断方法,初步给出小孔等离子体的面密度。     

新型大气压微波等离子体炬的仿真研究

 设计了一种新型的大气压微波等离子体炬结构。入射主频为2 450 MHz,基于HFSS软件对其进行了仿真研究。在仿真过程中,对该结构的各个参数进行了优化,并得出对场强分布的影响规律。结果表明,探针的使用对腔内场分布有很大影响。根据优化参数对微波等离子体炬进行了仿真模拟,在等离子体发生腔产生了高幅值的电场强度,品质因数达到2×10⁴,可以在大气压下激发等离子体。     

大气压微波等离子体射流装置放电特性研究

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置,其工作频率2.45 GHz,工作气体为氩气,分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明,MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场,经过优化结构,实现在频率2.45 GHz下,喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时,利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟,并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明,不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律,但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律;同时,在大气压下,稳态微波等离子体射流呈现出类金属性,等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量,因而造成微波的反射功率较大。     

常压微波等离子体炬的模拟及硫化氢处理

对常压微波等离子体炬装置及H2S废气的处理进行了研究。介绍了一种具有特殊喷嘴结构的微波等离子体炬装置,模拟了不同喷嘴结构下谐振腔中微波电场的强度及分布,在此基础上,进行了H2S废气处理的实验研究。结果表明:采用新型喷嘴结构在喷嘴尖端产生的电场强度和分布更利于等离子体炬的激发,微波功率为500 W时,喷嘴尖端处的电场强度在1.5×106 V/m以上,远大于氩气的击穿电场强度,能有效地激发等离子体炬;当H2S气体与Ar气体流量比为10∶90,总流量为1000mL/min,微波功率为1000 W时,H2S的转化率最大达91.32%;大气微波等离子体炬能有效地处理H2S废气。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

临近空间高功率微波辐照放电试验技术

随着高功率微波技术的发展, 电子设备面临强电磁辐射攻击的威胁越来越严重, 对电子设备的防护加固提出了更高要求, 临近空间飞行器及其放电效应是目前较少考虑的环节, 且缺少相应的环境试验条件。文章提出了一种将临近空间气体环境与高功率微波电磁环境相结合的方法, 在柱形真空罐内壁布置吸波材料, 使用MW级S波段微波源及辐射聚焦系统在腔室中心形成强电磁辐射区, 以便开展相关辐照放电试验研究。针对脉冲微波强场监测, 通过光纤电场探头测量小信号连续波的方式进行等效传递, 中心场强最高超过2kV/cm。利用该试验装置可开展临近空间电子学系统在高功率微波辐照下的放电击穿研究, 对薄弱环节分析及防护加固提供帮助。     

Pulsed microwave discharge in atmospheric air in the focus of a two-mirror resonator

Free-localized pulsed microwave discharge in atmospheric air in the focus of an open two-mirror high-Q resonator excited by linearly polarized electromagnetic radiation with a wavelength of 4.3 cm is described. This discharge is analogous to the previously studied streamer resonance microwave discharge ignited under similar conditions but with an electromagnetic radiation wavelength of 8.9 cm. Starting from a certain overcritical electric field, the discharge plasma channel has a high-temperature core.     

高功率微波有效电场强度对大气折射率的影响

 高功率微波的强电场与大气作用使空气电离，中性分子的电离频率与等效电场强度、大气压强密切相关。在一个较宽的范围内研究电子与大气中性分子的相互作用，分析讨论了高功率微波传输一个脉冲后电子浓度和折射率随微波有效电场强度的变化。     

Pulsed microwave-driven argon plasma jet with distinctive plume patterns resonantly excited by surface plasmon polaritons

Atmospheric lower-power pulsed microwave argon cold plasma jets are obtained by using coaxial transmission line resonators in ambient air.The plasma jet plumes are generated at the end of a metal wire placed in the middle of the dielectric tubes.The electromagnetic model analyses and simulation results suggest that the discharges are excited resonantly by the enhanced electric field of surface plasmon polaritons.Moreover,for conquering the defect of atmospheric argon filamentation discharges excited by 2.45-GHz of continued microwave,the distinctive patterns of the plasma jet plumes can be maintained by applying different gas flow rates of argon gas,frequencies of pulsed modulator,duty cycles of pulsed microwave,peak values of input microwave power,and even by using different materials of dielectric tubes.In addition,the emission spectrum,the plume temperature,and other plasma parameters are measured,which shows that the proposed pulsed microwave plasma jets can be adjusted for plasma biomedical applications.     

A Microwave Air Plasma Source under Atmospheric Pressure

We develop a new cavity with a mode similar to TE13 to produce microwave plasma, named APMPS Ⅱ, which is able to produce a mass of air plasma with diameter of around 6 cm, equipped with about 3 kW input power under one atmosphere. The plasma seems to be homogeneous without significant filamentous discharge as observed by common camera device. We present the theory of this cavity, show the distribution of electric field of several planes inside the cavity and give some experimental results.