CN102361531A - 大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体放电等离子体领域，涉及一种气体放电产生等离子体的装置，确切讲是大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法，其特征是：包括等离子体产生腔体、真空装置和等离子电源；等离子体产生腔体包括筒状腔体、网状放电电极，网状放电电极为外径小于筒状腔体内径的空心圆状网状体，通过绝缘支撑将网状放电电极与筒状腔体连接为同心圆结构，观察窗和活页窗连接固定在筒状腔体两端，可用于研究等离子体对电磁波的影响。它克服上述已有技术的不足，提供一种重复性好、误差低可持续的大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法。

Description

大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法

技术领域

本发明属于气体放电等离子体领域，涉及一种气体放电产生等离子体的装置，确切讲是大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法，可用于研究等离子体对电磁波的影响。

背景技术

研究电磁波在等离子体中的传播特性，以及等离子体与电磁波的相互作用是宇宙飞行器再入、电离层研究、等离子体隐身技术等研究工作的基础和关键内容。一般研究方法有计算机仿真分析和真实等离子体实验，计算机仿真分析也以真实等离子体实验为基础。

设计一种等离子体的地面产生装置，是真实等离子体实验的基础，现有地面产生等离子体的方法主要有激波管、电弧风洞、等离子体喷焰和辉光放电等方法，他们都存在着以下难以克服的缺点：

1、激波管产生的等离子体电子密度高，但是产生时间很短，实验难以重复。

2、电弧风洞和等离子体喷焰产生的等离子体温度，对天线有高温烧蚀，且等离子体中含有金属离子，引起电磁波传输实验误差。

3、激波管、电弧风洞、等离子体喷焰其产生的等离子电子密度以及分布难以控制。

4、利用辉光放电产生等离子体用于研究其对电磁波影响研究的主要方法是ICP放电法，由于ICP放电产生的等离子体中存在高频调制，是磁化等离子体，这会引起电磁波传输实验误差，且ICP放电其电极存在于等离子体之中，这会引起电磁波传输实验误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种重复性好、误差低可持续的大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法。

为实现上述目的，设计一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法，其特征是：包括等离子体产生腔体、真空装置和等离子电源；等离子体产生腔体包括筒状腔体、网状放电电极，网状放电电极为外径小于筒状腔体内径的空心圆状网状体，通过绝缘支撑将网状放电电极与筒状腔体连接为同心圆结构，观察窗和活页窗连接固定在筒状腔体两端。

所述的等离子体产生腔体有输气孔、排气孔和电极通孔，输气孔通过管道与真空装置的气罐连接，输气孔和气罐之间有输气控制阀，通过输气控制阀控制气罐进入等离子体产生腔体内的惰性气体；排气孔通过管道与抽气泵连接，通过抽气泵使进入惰性气体排出。

所述的网状放电电极直径约为20cm至25cm。

所述的网状放电电极环绕筒状腔体内壁，网状放电电极与筒状腔体的内壁间距离在3～5cm之间可调，且与内壁绝缘。

所述的网状放电电极为圆形空腔，筒状腔体腔体厚度约为18cm。

所述的网状放电电极与交流电源的谐振电感的一端通过电极通孔密闭相连。

所述的等离子电源包括交流电源和谐振电感，交流电源输出电压范围是100V～500V，输出频率范围在10kHz～50kHz。

所述的绝缘支撑是筒状腔体内的绝缘胶柱。

所述的绝缘支撑是观察窗和活页窗上的圆环槽。

本发明的工作过程是：

1）将活页窗闭合，拧紧紧固旋钮，使活页窗挤压密封胶条实现密封；

2）打开抽气泵，开始抽气，真空计显示当前腔体内气压；

3）检测气压抽至100Pa左右时，打开输气控制阀，向腔体内充入惰性气体；

4）继续抽气，保持腔体内的惰性气体环境；

5）当检测气压降低到20Pa以下时，打开交流电源，网状放电电极和腔体内壁等效的电容与谐振电感一起构成谐振回路，交流电源工作在谐振回路的谐振点上，使网状放电电极与腔体内壁间形成高电压间隙放电；

6）起振工作后，谐振回路电压迅速升高，空气中少量的自由电子在电场做功下，获得动能，与气体中的原子和分子发生碰撞，在非弹性碰撞过程中，电子将能量传递给原子、分子使其电离，电子与离子分离，当电压达到击穿电压后，进入汤生放电过程；

7）电压继续升高，产生的电子和离子与消失的电子和离子相等，放电实现自持；

8）此时，气体被击穿，变成导电流体，网状放电电极与腔体内壁不能构成一个电容，与导电流体一起可等效为一个电阻，电压下降到几百伏，实现辉光放电；

9）放电同时，继续充气抽气，使腔体气压维持稳定。

本发明由于采用了基于低气压辉光放电原理的大面积均匀非磁化等离子体产生装置产生等离子体，且由于该装置的特殊结构保证了该装置特别适用于研究电磁波的传播研究。

相比现有的等离子体产生装置，本装置具有以下优点：

1等离子体可持续时间长且实验可重复，理论上不受时间影响；

2、观察窗、活页窗与圆形空腔一起作为电磁波传播路径，电磁波传输时不会被电极等金属阻挡；

3、由于放电气体气压很低，分子自由程很长，空腔内等离子体基本是均匀分布的；

4、产生的是非磁化等离子体，不存在微波调制，也不包含金属离子，不会引起额外误差。电子密度可在10⁸cm^-3～10¹²cm^-3范围连续可控。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明大面积均匀非磁化等离子体产生装置结构示意图。

图中：1、等离子体产生腔体；2、真空装置；3、等离子电源；101、网状放电电极；102、输气孔；103、排气孔；104、电极通孔；105、观察窗；106、活页窗；107、紧固旋钮；109、密封胶条；110、绝缘胶柱；201、输气控制阀；202、气罐；203、真空计；204、抽气泵；301、交流电源；302、谐振电感。

具体实施方式

参见附图1，大面积均匀非磁化等离子体产生装置，至少包括等离子体产生腔体1、真空装置2和等离子电源3。等离子体产生腔体1包括筒状腔体、网状放电电极101，网状放电电极101为外径小于筒状腔体内径的空心圆状网状体，通过绝缘支撑将网状放电电极101与筒状腔体连接为同心圆结构，观察窗105和活页窗106连接固定在筒状腔体两端。

等离子体产生腔体1有输气孔102、排气孔103和电极通孔104，输气孔102通过管道与真空装置2的气罐202连接，输气孔102和气罐202之间有输气控制阀201，通过输气控制阀201控制气罐202进入等离子体产生腔体1内的惰性气体。排气孔103通过管道与抽气泵204连接，通过抽气泵204使进入惰性气体排出。

网状放电电极101直径约为20cm至25cm，网状放电电极101环绕筒状腔体内壁，网状放电电极101与筒状腔体的内壁间距离在3～5cm之间可调，且与内壁绝缘，网状放电电极101为圆形空腔，筒状腔体腔体厚度约为18cm。等离子发生腔体1腔体外壁接地，网状放电电极101与交流电源3的谐振电感302的一端通过电极通孔104密闭相连。

等离子电源3包括交流电源301和谐振电感302。其中交流电源301频率和输出电压可调，交流电源输出电压范围是100V～500V，输出频率范围在10kHz～50kHz。

绝缘支撑可以是筒状腔体内的绝缘胶柱110。绝缘胶柱110为等距离的多个绝缘支撑柱，间隔分布在网状放电电极101与筒状腔体之间，为了不影响大面积均匀非磁化等离子体的效果，绝缘胶柱110不宜太多，只要使网状放电电极101与筒状腔体之间形成稳定的同心圆。

另一实施例是绝缘支撑是观察窗105和活页窗106，观察窗105和活页窗106上的圆环槽，通过观察窗105和活页窗106上的圆环槽左右夹持网状放电电极101。这种结构使同心圆腔体内没有其它东面，不影响大面积均匀非磁化等离子体的效果。与此同时，输气孔102、排气孔103和电极通孔104在观察窗105和活页窗106上。

本发明的工作过程是：将活页窗106闭合，拧紧紧固旋钮107，使活页窗106挤压密封胶条109实现密封；打开抽气泵204，开始抽气，真空计203显示当前腔体内气压；检测气压抽至100Pa左右时，打开输气控制阀201，向腔体内充入惰性气体；继续抽气，保持腔体内的惰性气体环境；当检测气压降低到20Pa以下时，打开交流电源301，网状放电电极101和腔体内壁等效的电容与谐振电感302一起构成谐振回路，交流电源301工作在谐振回路的谐振点上，使网状放电电极101与腔体内壁间形成高电压间隙放电；起振工作后，谐振回路电压迅速升高，空气中少量的自由电子在电场做功下，获得动能，与气体中的原子和分子发生碰撞，在非弹性碰撞过程中，电子将能量传递给原子、分子使其电离，电子与离子分离，当电压达到击穿电压后，进入汤生放电过程；电压继续升高，产生的电子和离子与消失的电子和离子相等，放电实现自持；此时，气体被击穿，变成导电流体，网状放电电极与腔体内壁不能构成一个电容，与导电流体一起可等效为一个电阻，电压下降到几百伏，实现辉光放电；放电同时，继续充气抽气，使腔体气压维持稳定。

由于腔体内气压很低，电子自由程很长，电子和离子极易通过网状放电电极101的网孔扩散到环形网状放电电极101中间，形成大面积均匀非磁化的等离子体，通过调整腔体内气体气压、气体成分和放电功率，电子密度可在10⁸cm^-3～10¹²cm^-3之间变化。观察窗105、活页窗106和空腔一起构成了无金属阻挡的电磁波传输路径，且环形金属网状放电电极内部是一个等势体，因而，电场对电磁波传输的干扰很小。

Claims (10)

1.一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：包括等离子体产生腔体（1）、真空装置（2）和等离子电源（3）；等离子体产生腔体（1）包括筒状腔体、网状放电电极（101），网状放电电极（101）为外径小于筒状腔体内径的空心圆状网状体，通过绝缘支撑将网状放电电极（101）与筒状腔体连接为同心圆结构，观察窗（105）和活页窗（106）连接固定在筒状腔体两端。

2.根据权利要求1所述的一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：所述的等离子体产生腔体（1）有输气孔（102）、排气孔（103）和电极通孔（104），输气孔（102）通过管道与真空装置（2）的气罐（202）连接，输气孔（102）和气罐（202）之间有输气控制阀（201），通过输气控制阀（201）控制气罐（202）进入等离子体产生腔体（1）内的惰性气体；排气孔（103）通过管道与抽气泵（204）连接，通过抽气泵（204）使进入惰性气体排出。

3.根据权利要求1所述的一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：所述的网状放电电极（101）直径为20cm至25cm。

4.根据权利要求1所述的一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：所述的网状放电电极（101）环绕筒状腔体内壁，网状放电电极（101）与筒状腔体的内壁间距离在3～5cm之间可调，且与内壁绝缘。

5.根据权利要求1所述的一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：所述的网状放电电极（101）为圆形空腔，筒状腔体腔体厚度为18cm。

6.根据权利要求1所述的一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：所述的网状放电电极（101）与交流电源（3）的谐振电感（302）的一端通过电极通孔（104）密闭相连。

7.根据权利要求1所述的一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：所述的等离子电源（3）包括交流电源（301）和谐振电感（302），交流电源输出电压范围是100V～500V，输出频率范围在10kHz～50kHz。

8.根据权利要求1所述的一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：所述的绝缘支撑是筒状腔体内的绝缘胶柱（110）。

9.根据权利要求1所述的一种大面积均匀非磁化等离子体产生装置，其特征是：所述的绝缘支撑是观察窗（105）和活页窗（106）上的圆环槽。

10.大面积均匀非磁化等离子体产生方法，其方法是：

1）将活页窗（106）闭合，拧紧紧固旋钮（107），使活页窗（106）挤压密封胶条（109）实现密封；

2）打开抽气泵（204），开始抽气，真空计（203）显示当前腔体内气压；

3）检测气压抽至100Pa左右时，打开输气控制阀（201），向腔体内充入惰性气体；

4）继续抽气，保持腔体内的惰性气体环境；

5）当检测气压降低到20Pa以下时，打开交流电源（301），网状放电电极（101）和腔体内壁等效的电容与谐振电感（302）一起构成谐振回路，交流电源（301）工作在谐振回路的谐振点上，使网状放电电极（101）与腔体内壁间形成高电压间隙放电；

6）起振工作后，谐振回路电压迅速升高，空气中少量的自由电子在电场做功下，获得动能，与气体中的原子和分子发生碰撞，在非弹性碰撞过程中，电子将能量传递给原子、分子使其电离，电子与离子分离，当电压达到击穿电压后，进入汤生放电过程；

7）电压继续升高，产生的电子和离子与消失的电子和离子相等，放电实现自持；

8）此时，气体被击穿，变成导电流体，网状放电电极与腔体内壁不能构成一个电容，与导电流体一起可等效为一个电阻，电压下降到几百伏，实现辉光放电；

9）放电同时，继续充气抽气，使腔体气压维持稳定。

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