微波击穿大气电子温度与电子密度依存关系

给出了描述高功率微波脉冲大气非线性传输及微波大气等离子体特征演化的方程组,并在以微波群速度运动的局域坐标系下完成程序编制。据此模拟分析了高功率微波大气长程非线性传输及自产生大气等离子体的基本物理过程,给出了在击穿建立过程中,电子数密度增长与电子温度升高之间的关系。模拟结果表明:由于大气层中本底自由电子数密度较低,高功率微波脉冲到达时会迅速地将大气中现有的自由电子加热至平衡温度,与之相比导致电子数密度雪崩式增长的击穿过程要缓慢得多,而且随着击穿过程的开始电子温度会从平衡温度快速下降。     

常压针-板放电等离子体密度演化

分别采用Stark展宽法、图像法诊断等离子体电子密度,研究常压针-板放电等离子体电子密度随放电参数的演化.实验结果表明,降低电源的脉冲频率,减小等离子体的电极间距和采用细径电极,都有助于提高等离子体密度.利用全局模型分析影响电子密度变化的因素可知,随着脉冲频率的下降,等离子体放电体积减小,导致电子密度上升.在电极间距减小的过程中,电子密度变化则是降低等离子体吸收功率与减小放电体积共同作用的结果,其中放电体积的减小起到了更为主导的作用,导致电子密度上升.此外,采用细径电极也可以使等离子体放电体积减小,从而有利于获得较高的电子密度.     

射频击穿等离子体对高功率微波传输特性的影响

利用极化正交的高功率微波合路器,开展了等离子体对于微波传输特性的实验研究.通过改变前级源的功率和脉冲宽度,使得在合路器耦合缝处发生射频击穿,产生等离子体.等离子体扩散进入微波传输主通道,对于高功率微波的传输产生明显的影响,导致微波能量吸收和极化的偏转.初步实验结果表明,等离子体扩散到主通道中心的时间约为3μs,扩散速度约为1μs/cm,等离子体的恢复时间约为5μs.实验测得等离子体导致的微波极化方向最大偏转角度约为4.1?,此时通道内电子个数约为3.7×1015,极化偏转角度与电子数密度以及微波频率相关.     

高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究

研究高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应,对于研究等离子体防护技术具有重要意义.通过采用等离子体流体近似方法,建立等离子体中的波动方程、电子漂移-扩散方程和重物质传递方程,表征电磁波在等离子体中的传播以及等离子体内部带电粒子的变化情况,分析研究了高功率微波作用下雪崩效应的产生过程和变化规律.研究表明,入射电磁波功率决定了雪崩效应的产生;初始电子密度能够影响雪崩效应产生的时间;入射电磁波的激励作用初始表现为集聚效应,当激励能量积累到一定阈值时,雪崩效应才会产生;在雪崩效应产生过程中,等离子体内部电子密度的变化非常迅速并且比较复杂.雪崩效应产生后,等离子体内截止频率会远超过入射波频率,电磁波不能在等离子体中传播,从而起到防护高功率微波的效果.     

高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究

研究高功率微波与等离子体的相互作用,对于微波放电和电磁兼容研究均具有重要意义.基于波动方程、等离子体的流体力学方程以及波尔兹曼方程,建立高功率微波脉冲与等离子体相互作用的理论模型,并结合等离子体的特征参数,采用时域有限差分方法分析了等离子体电子密度和高功率微波传输特性的变化.结果表明,由于高功率微波的电子加热作用,等离子体中的非线性效应明显,发生击穿使得等离子体电子密度增大,从而导致微波的反射增强,透过率降低.所提出的模型和相关结果对于高功率微波和电磁脉冲防护具有指导意义.     

电子弛豫过程对重复频率高功率微波大气击穿的影响

 研究了重复频率高功率微波脉冲作用下的大气击穿。分析了重复频率脉冲作用下电子的弛豫过程,对脉冲间隔时间内电子温度和自由电子密度的变化规律进行了研究,得出了电子温度弛豫时间远小于电子密度弛豫时间的结论。分析了电子弛豫过程的附着效应和复合效应,给出了高功率微波重复频率脉冲作用下发生大气击穿的条件和重复频率高功率微波大气击穿的电子数密度方程。     

圆柱形等离子体对微波散射的数值模拟与实验研究

模拟和实验研究了非均匀圆柱形等离子体及阵列对微波的散射作用。利用有限时域差分(FDTD)方法仿真得到了等离子体柱的密度、碰撞频率对微波传播系数的影响,并利用低气压放电产生的等离子体柱对微波的吸收和散射作用进行了验证。结果表明:电子密度中心高、周围低的非均匀等离子体柱可将微波散射至两个侧向;等离子体频率越大,散射的微波功率越强;增加碰撞频率使等离子体柱的微波散射功率减小、吸收增大。等离子体必须具有合适的密度,才能对微波反射产生较大影响。     

L波段微波脉冲对微型计算机的辐照效应实验

 在L波段使用1.3 GHz载波频率的微波脉冲辐照微型计算机主板,通过改变脉冲宽度、重复频率和脉冲串长度等参数,实验研究了微波脉冲辐照导致微型计算机失去响应的功率阈值的变化规律,讨论了L波段微波脉冲辐射的积累效应。实验结果表明：当微波脉冲宽度增加时,微波功率阈值下降;当微波脉冲重复频率升高时,微波功率阈值呈下降趋势;在固定重复频率的条件下,微波脉冲数目的增加也会导致微波功率阈值的下降;微波脉冲功率阈值始终小于连续波微波的功率阈值。当微波脉冲间隔时间较长或者脉冲宽度较宽时,微波功率阈值由单个微波脉冲的参数确定,与脉冲重复频率没有明显关系。利用假设的微波脉冲辐射积累效应,可以定性解释和分析微波脉冲辐照微型计算机实验中功率阈值变化的趋势。     

亚密度冷等离子体的低功率激光吸收特性分析

当电子密度远低于入射小功率激光所对应的临界密度时,冷等离子体对激光的吸收特性与高密度热等离子体将有很大的差别。在亚密度冷等离子体中,电子与中性粒子间的碰撞将占主导地位,对应的频率远大于电子-离子碰撞频率,这使得碰撞吸收本质发生了变化。亚密度等离子体的电子密度和碰撞频率均较小,它在单位长度传输路径内对常用的工作在可见光、红外波段内的小功率激光的碰撞吸收可以忽略不计。但是对于非正常吸收机制的影响尚需深入研究。     

微波共振探针及其在等离子体诊断中的应用

介绍了能够测量稳定和时变等离子体电子密度的微波共振探针,给出了其工作原理和在测量稳定、时变和瞬态等离子体电子密度中的应用。分析了传输模式和反射模式的工作过程及对测量范围、测量精度和空间分辨率等影响因素。结果表明,选用较长的探针有利于提高电子密度的测量范围和精度;选用的微波扫频源高端频率越高,频率分辨率越高,则电子密度的测量范围越大,测量精度越高。理论分析得出系统可测量的电子密度约为1.37×10⁸~4.1×10¹¹cm^-3。     

瞬变等离子体微波诊断初步研究

采用微波诊断技术对气压300 Pa,S波段HPM条件下形成的低温、弱电离、非均匀和强碰撞大气等离子体特性参数开展了初步诊断研究。获取了9~15 GHz连续波穿过HPM等离子体区域的透射波形,并对波形进行了归一化处理;通过不同频率微波的透射特性,假设等离子体电子数密度分布呈Epstein分布,分析了可能的电子数密度最大值。该研究成果的获取为HPM大气等离子体在隐身、阻断信息链等方面的应用提供了重要的技术支撑。     

毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性

针对黑障区高速飞行器测控通信研究需求,在激波管设备上开展了Ka波段毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,获得了不同电子密度和碰撞频率的等离子体中传输衰减特性实验数据。采用辅助差分方程的时域有限差分（ADE-FDTD）方法对实验进行了数值模拟,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性。实验结果和数值模拟结果均表明:太赫兹波信号在相同的实验等离子体中传输衰减比毫米波信号小得多,具有更强的穿透等离子体能力;毫米波与太赫兹波信号在等离子体中传输衰减量随着等离子体电子密度的增加而增加,二者的差值也增加;太赫兹波能够作为解决高密度等离子体中电磁波传输的有效技术手段。     

脉冲射频容性耦合氩等离子体的发射探针诊断

利用工作在浮点模式下的发射探针,对500 Hz脉冲调制的27.12 MHz容性耦合氩气等离子体的空间电位和电子温度的时变特性进行了诊断.等离子体空间电位是通过测量强热状态下的发射探针电位获得的,而电子温度则是由发射探针在冷、热状态下的电位差来估算得到.测量结果表明:脉冲开启时,空间电位会快速上升并在300μs内趋于饱和;当脉冲关断后,空间电位经历了快速下降后趋于稳定的过程.电子温度在脉冲开启时存在过冲并趋于稳定的特征;而在脉冲关断期间,电子温度在300μs内则快速下降到0.45 e V后略有上升.无论在脉冲开启或关断期间,空间电位基本上都随功率和气压的变化存在有线性的依赖关系;而放电功率对脉冲开启期间过冲电子温度与稳态电子温度差异的影响较大.针对空间电位和电子温度在各阶段及不同放电条件下的时变特性,给出了相应的解释.     

介质阻挡放电等离子体中OH自由基的光腔衰荡光谱原位诊断

研制了一套等效噪声吸收可达3×10^-9cm^-1的连续波光腔衰荡光谱装置。用该装置对介质阻挡放电等离子体中的OH自由基和水进行了原位定量测量,考察了OH自由基数密度随气压和放电电压以及放电频率的变化情况。实验结果表明,在(2.13~22.0)Χ10³Pa范围内,随着气压增加,OH自由基数密度在气压较低时增加;而在较高气压时由于H₂O的解离吸附作用使得体系中电子密度减小,OH自由基数密度随之减小。随放电电压和放电频率增加介质阻挡放电等离子体中电子密度和电子能量增加而导致OH数密度增加。     

进气道内衬筒形等离子体隐身性能三维模拟

针对飞机进气道等离子体隐身问题,建立了三维筒形进气道模型,采用有限元求解波动方程,计算了腔体内壁覆盖均匀等离子体时的雷达散射截面。研究表明:腔体内覆盖等离子体时可以有效吸收入射电磁波能量;吸收随电磁波频率增加而减弱,但由于腔体结构作用,会存在几个吸收峰;吸收随电子数密度增加而增强,但电子数密度过高时,吸收效果会变差;最佳碰撞频率虽然与电磁波频率和电子数密度有关,但其值可约为9GHz;吸收随等离子体厚度增加而变大,但在较大电子数密度时,由于电磁波在等离子体与空气交界面处反射导致厚度增加,从而使得吸收变小;选取合适的入射角度和等离子体数密度可以在1~3GHz频段实现明显的隐身效果。     

Breakdown in air in a rising microwave field

Results are presented from studies of a high-pressure electrodeless breakdown in air at the focus of a standing wave in a high-Q quasi-optical two-mirror resonator pumped by single microwave pulses. In the experiment, the breakdown occurred at the front of the pulse of the resonator field. The breakdown field substantially exceeded the critical level and, under fixed conditions, showed a scatter from pulse to pulse. It is shown that the experimentally found excess in the threshold breakdown field over the critical level is due to the fact that the resonator field increases as a discharge plasmoid forms during breakdown and that the appearance of an electron initiating breakdown in a gas is a random event.     

Behaviour of fully ionized seed plasma excited by microwave

Nonequilibrium plasmas with cesium metal vapor ionization in helium and argon gases at moderate pressures are excited with microwave power. The structures and behaviour of the seeded plasmas are experimentally examined, particularly under the condition of Full seed (cesium atoms) ionization. By cesium seeding, the minimum power sustaining the plasma is reduced markedly, and both a broad plasma observed in pure helium and unsteady filament-like plasmas in pure argon change to the steady and broad plasma locating close to the inner surface of a discharge tube, it is revealed from the electron temperature measurements that the plasma can be in the regime of full seed ionization for suitable microwave powers, where the electron density is kept almost constant. The thickness of the fully ionized seed (FIS) plasma decreases with increasing the mole fraction of cesium vapor, and is almost independent of noble gas pressure. The thickness almost coincides with the skin depth determined from the electrical conductivity almost uniform in the FIS plasma. These facts suggest that the FIS plasma will be easily produced and maintained as long as the microwave power is consumed to the electron heating     

Plasma characteristics and broadband electromagnetic wave absorption in argon and helium capacitively coupled plasma

A one-dimensional self-consistent calculation model of capacitively coupled plasma(CCP) discharge and electromagnetic wave propagation is developed to solve the plasma characteristics and electromagnetic wave transmission attenuation.Numerical simulation results show that the peak electron number density of argon is about 12 times higher than that of helium, and that the electron number density increases with the augment of pressure, radio frequency(RF) power, and RF frequency. However, the electron number density first increases and then decreases as the discharge gap increases. The transmission attenuation of electromagnetic wave in argon discharge plasma is 8.5-d B higher than that of helium. At the same time, the transmission attenuation increases with the augment of the RF power and RF frequency, but it does not increase or decrease monotonically with the increase of gas pressure and discharge gap. The electromagnetic wave absorption frequency band of the argon discharge plasma under the optimal parameters in this paper can reach the Ku band. It is concluded that the argon CCP discharge under the optimal discharge parameters has great potential applications in plasma stealth.     

真空脉冲放电金属等离子体生成及传播特性

研究了采用放电电流为200 A,持续时间为13 s的单脉冲放电形式,在锥-板、锥-网两种电极结构下,等离子体生成及空间传播特性并使用探针法对生成等离子体的电子密度、电子温度、空间电位、离子能量等参数进行了测量。实验和仿真结果表明;锥-网电极的起始放电电压较高,生成的等离子密度较大,沿放电电极轴方向运动的等离子体的密度最大。然而,两种不同电极结构生成的等离子体的传播速度没有明显区别。