CN102573257A - 大面积均匀等离子体电子密度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积均匀等离子体电子密度控制系统，主要解决目前等离子体电磁波传播实验装置中电子密度不可连续调节、长时间稳定性差和控制精度低的问题。整个系统包括等离子体产生腔体(1)、诊断装置(2)、电源装置(3)、真空装置(4)和控制装置(5)，控制装置(5)通过读取诊断装置(2)测得的电子密度值，与预设的电子密度值比较，并根据比较的差值输出电压或气压控制信号，调节电源装置(3)的输出功率或真空装置(4)的设定气压值，使等离子体电子密度稳定在预设值范围内。本发明利用反馈控制原理，实现了对大面积均匀等离子体中电子密度的调节与稳定，可用于进行电磁波在不同电子密度等离子体中的传播实验。

Description

大面积均匀等离子体电子密度控制系统

技术领域

本发明属于气体放电等离子体领域，涉及一种大面积均匀等离子体的电子密度控制装置，可用于调节与稳定大面积均匀等离子体中的电子密度，进行电磁波在不同电子密度下的等离子体中的传播实验。

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。在理论研究过程中，一般将等离子体假设为均匀且稳定的，或者将等离子体按电子密度分层处理，在每一层内电子密度是均匀且稳定的。因此控制等离子体的电子密度长时间的稳定在设定值上有助于对等离子体电磁波传播开展实验研究，为理论研究提供验证。

随着等离子体发生器的工作，等离子体所处环境的温度等条件都会发生变化，导致电子密度也随之发生变化，因此要实现等离子体电子密度长时间的稳定，就需要对等离子体实时测量并进行反馈控制。

现有地面等离子体的产生装置主要有激波管、电弧风洞、等离子体喷焰和辉光放电等，它们对电子密度的控制都存在着难以克服的缺点：

1、激波管利用高压强差产生的瞬时高温产生等离子体，持续时间极短，稳定性极差，难以控制。

2、电弧风洞和等离子体喷焰产生的等离子体，虽然可以较长时间的工作，电子密度可连续调节，也较为稳定，但由于环境中存在高温，其电子密度难以测量，一般采用估算方法确定，控制精度极低。

3、利用辉光放电产生的等离子体虽然具有易于控制、无恶劣条件、电子密度可连续调节等优点，但由于其根据经验通过调节功率调节电子密度值，不加反馈控制，如附图1所示，或者仅通过测量电极间的电压，推导出电子密度，再进行反馈控制，而等离子体的电子密度值除了与放电功率和电极间的电压有关外，还与气体温度等其它随时间缓慢变化着的因素有关，所以电子密度的长时间稳定性较差，控制精度较低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种大面积均匀等离子体电子密度控制系统，以同时满足电子密度可连续调节、能长时间稳定和控制精度高的要求，实现对大面积均匀等离子体中电子密度的调节与稳定。

为实现上述目的，本发明的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，包括：等离子体产生腔体、电源装置和真空装置，电源装置和真空装置分别与等离子体产生腔体连接，真空装置用于对等离子体产生腔体进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源装置用于对等离子体产生腔体内的气体做功，产生等离子体，其特征在于，还包括一个诊断装置和一个控制装置，诊断装置与等离子体产生腔体连接，控制装置分别与诊断装置、电源装置和真空装置连接；诊断装置用于测量出等离子体产生腔体内部的等离子体电子密度值，并将该测量值输出给控制装置；控制装置将等离子体电子密度值与预设的电子密度值比较，并根据比较的差值正负号和绝对值大小，输出电压或气压控制信号，调节电源装置的输出功率或真空装置的设定气压值，使等离子体电子密度稳定在预设值范围内。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的等离子体产生腔体包括：圆柱形壳体、观察窗、活页窗和网状放电电极；观察窗和活页窗分别固定于该圆柱形壳体两侧；该网状放电电极为圆环形，与圆柱形壳体同轴放置，并通过绝缘胶柱固定于圆柱形壳体内壁，与内壁间距为2～5cm。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的活页窗采用铰链和紧固旋钮与圆柱形壳体固定，并通过挤压密封胶垫进行密封。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的圆柱形壳体开有抽气孔、充气孔、电极通孔和静电探针通孔；该抽气孔和充气孔分别位于圆柱形壳体环形外壁相对的两侧，并分别连接到真空装置，作为对等离子体产生腔体抽气和充气的通孔；该电极通孔用于连接网状放电电极和电源装置的高压输出端；该静电探针通孔上固定有一个静电探针，该静电探针的尖端通过静电探针通孔伸入到等离子体产生腔体内部。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的网状放电电极在与静电探针通孔正对的位置处设有一个通孔，静电探针的尖端通过该通孔伸入到网状放电电极内部，并与网状放电电极保持2～5cm的间距。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的诊断装置包括测量单元和光电转换单元，该测量单元通过屏蔽电缆与静电探针连接；测量单元通过静电探针对等离子体的电子密度值进行测量，并将该测量值输出给该光电转换单元，光电转换单元将等离子体的电子密度值转换为光信号，通过光纤传递给控制装置。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的电源装置包括：直流电压源、高频斩波电路、隔直电容、高频变压器和谐振电感；该直流电压源根据控制装置的电压设定值输出直流电压，为高频斩波电路供电，高频斩波电路将直流电压转换为高频方波，并通过隔直电容与高频变压器的初级线圈连接，高频变压器次级线圈的一端与该谐振电感连接，另一端连接到地，谐振电感的另一端通过电极通孔连接到等离子体产生腔体的网状放电电极。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的真空装置包括：针阀、气罐、抽气泵、真空计和真空调节单元；该气罐通过该针阀与充气孔连接，该抽气泵与抽气孔连接，该真空计连接在抽气泵和抽气孔之间，真空计用于测量等离子体产生腔体内的气压，并将该测量值输出给该真空调节单元，真空调节单元将接收自控制装置的设定气压值与气压测量值进行比较，并根据差值调节抽气泵的抽气速率，使等离子体产生腔体内的气压稳定在设定气压值范围内。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的控制装置包括控制单元和接口单元；接口单元接收光电转换单元的光信号并将其转换为等离子体电子密度值输出给控制单元，控制单元将该电子密度值与预设的电子密度值进行比较，并根据差值的正负号和绝对值大小输出电压控制信号或气压控制信号给接口单元，接口单元将电压控制信号转换为光信号通过光纤传递给直流电压源，将气压控制信号转换为总线信号并通过总线传递给真空调节单元。

相比现有的地面等离子体装置，本发明具有以下优点：

1、采用控制装置实时读取诊断装置测量出的等离子体电子密度值，并对电源装置的输出功率和等离子体产生腔体的气压进行实时调节，实现了电子密度的反馈闭环控制，大大提高了等离子体电子密度的稳定性。

2、采用诊断装置直接测量等离子体电子密度，消除了由功率或电极电压间接推导电子密度引起的误差，极大地提高了等离子体电子密度的控制精度。

3、针对等离子体的电子密度主要受功率和气压影响的特性，通过控制装置控制电源装置的输出功率和真空装置的设定气压值在设定范围内连续变化，实现了等离子体电子密度的连续可调。

4、控制装置采用光纤与诊断装置和电源装置这些含有高压的部分隔离，保证了操作人员及控制装置安全。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

附图说明

附图1是现有的大面积均匀等离子体产生装置示意图；

附图2是本发明大面积均匀等离子体电子密度控制系统示意图。

具体实施方式

参照附图2，本发明的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，包括：等离子体产生腔体1、诊断装置2、电源装置3、真空装置4和控制装置5，该诊断装置2、电源装置3和真空装置4分别与等离子体产生腔体1连接，该控制装置5分别与诊断装置2、电源装置3和真空装置4连接，其中：

等离子体产生腔体1包括：圆柱形壳体114、观察窗105、活页窗106、网状放电电极101、抽气孔102、充气孔103、电极通孔104、紧固旋钮107、铰链108、密封胶垫109、绝缘胶柱110、静电探针通孔111、静电探针112和通孔113；

诊断装置2，包括测量单元201和光电转换单元202，其中测量单元采用英国HIDEN公司ESPION型号的等离子体电子密度测量模块，测量精度可达107cm-3；

电源装置3，包括直流电压源301、高频斩波电路302、隔直电容303、高频变压器304和谐振电感305，该直流电压源301的输出电压范围是150V～300V，该高频斩波电路302采用全桥电路，输出频率为30kHz，该高频变压器304的初次级电压比为1∶2；

真空装置4，包括针阀401、气罐402、抽气泵403、真空计404和真空调节单元405；

控制装置5，包括控制单元501、接口单元502、光纤503和总线504。

上述部件之间的详细连接关系如下：

所述等离子体产生腔体1的观察窗105和活页窗106分别固定于圆柱形壳体114两侧，活页窗106通过铰链108与圆柱形壳体114连接，并可以打开，系统工作时，利用紧固旋钮107将活页窗106固定在圆柱形壳体114上，并通过挤压密封胶垫109进行密封。等离子体产生腔体1的圆柱形壳体114环形外壁的上侧开有抽气孔102和静电探针通孔111，下侧开有充气孔103和电极通孔104，该抽气孔102和充气孔103分别连接到真空装置4的抽气泵403和针阀401，作为对等离子体产生腔体1抽气和充气的通孔；电极通孔104用于连接网状放电电极101和电源装置3的谐振电感305，并在连接完成后进行绝缘密封处理；静电探针通孔111上固定有一个静电探针112，该静电探针112的尖端通过静电探针通孔伸入到等离子体产生腔体1内部。等离子体产生腔体1的网状放电电极101为圆环形，与圆柱形壳体114同轴放置，并通过绝缘胶柱110固定于圆柱形壳体114内壁，与内壁间距为2～5cm，本实例为3cm。网状放电电极101在与静电探针通孔111正对的位置处设有一个直径4～10cm的通孔113，本实例为6cm，静电探针112的尖端通过该通孔113伸入到网状放电电极101内部，并与网状放电电极101保持2～5cm的间距，本实例为3cm。

所述诊断装置2的测量单元201通过屏蔽电缆与等离子体产生腔体1的静电探针112连接；测量单元201通过静电探针112对等离子体的电子密度值进行测量，并将该测量值输出给光电转换单元202，光电转换单元202将等离子体的电子密度值转换为光信号，并通过光纤503传递给控制装置5的接口单元502。

所述电源装置3的直流电压源301根据控制装置5的电压设定值输出直流电压，为高频斩波电路302供电，高频斩波电路302将直流电压转换为高频方波，并通过隔直电容303与高频变压器304的初级线圈连接，高频变压器304次级线圈的一端与该谐振电感305连接，另一端连接到地，谐振电感305的另一端通过电极通孔104连接到等离子体产生腔体1的网状放电电极101。

所述真空装置4的气罐402通过针阀401与等离子体产生腔体1的充气孔103连接，抽气泵403与等离子体产生腔体1的抽气孔103连接，真空计404连接在抽气泵403和抽气孔103之间，真空计404用于测量等离子体产生腔体1内的气压，并将该测量值输出给真空调节单元405，真空调节单元405将接收自控制装置5的设定气压值与气压测量值进行比较，并根据差值调节抽气泵403的抽气速率，使等离子体产生腔体1内的气压稳定在设定气压值范围内，设定气压值范围为15Pa～100Pa。

所述控制装置5的接口单元502接收光电转换单元202的光信号并将其转换为等离子体电子密度值输出给控制单元501，控制单元501将该电子密度值与预设的电子密度值进行比较，并根据差值的正负号和绝对值大小输出电压控制信号或气压控制信号给接口单元502，接口单元502将电压控制信号转换为光信号通过光纤503传递给直流电压源301，将气压控制信号转换为总线信号并通过总线504传递给真空调节单元405，其中电子密度的预设值范围为108cm-3～1012cm-3。

本发明的工作原理如下：

首先，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，控制装置5设定真空调节单元405维持气压为20Pa，抽气泵403被打开，开始抽气，真空计404显示等离子体产生腔体1内的气压值，当气压稳定在20Pa时，打开针阀401，向等离子体产生腔体1内充入惰性气体，此时气压开始上升，继续抽气，使腔体内充满惰性气体；当气压再次维持在20Pa时，控制装置5设定直流电压源301输出300V直流电压；此时，网状放电电极101和圆柱形壳体114内壁可等效为一个电容，与谐振电感305一起工作，使网状放电电极101和圆柱形壳体114内壁之间的电压迅速升高，并形成径向的电场，气体中少量的自由电子被该电场加速，并与气体中的原子和分子发生碰撞，将自身的动能传递给原子、分子，使其电离出自由电子和正离子来，从而使电子密度增加，电子密度的增加同时也会增大电子与离子复合的速率，最终，电子的产生速率和消失速率达到平衡，电子密度稳定下来。此时，等离子体产生腔体1内的气体被电离，实现了辉光放电。由于等离子体产生腔体1内气压很低，电子自由程很长，电子会通过网状放电电极101的网孔扩散到环形网状放电电极101内部，形成大面积均匀等离子体。

在工作过程中，诊断装置2每间隔一秒钟向控制装置5传输一次测得的电子密度值，控制装置5将该电子密度测量值与预设值进行比较，若电子密度测量值小于预设值，则提高直流电压源301的输出电压，若直流电压源的输出电压已经最高，则降低等离子体产生腔体1内的气压；反之，则降低直流电压源301的输出电压，若直流电压源301的输出电压已经最小，则提高等离子体产生腔体1内的气压；直到电子密度值稳定在预设值的容差范围内时停止调节。

系统中，通过控制装置5对等离子体的电子密度进行实时控制，电子密度的控制精度可以达到107cm-3，并能长时间稳定，同时等离子体产生腔体1的观察窗105、活页窗106和空腔一起构成了电磁波传输路径，中间没有金属介质阻挡，因此可用于进行电磁波在不同电子密度等离子体中的传播实验。

以上实例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制。

Claims (9)

1.一种大面积均匀等离子体电子密度控制系统，包括：等离子体产生腔体(1)、电源装置(3)和真空装置(4)，电源装置(3)和真空装置(4)分别与等离子体产生腔体(1)连接，真空装置(4)用于对等离子体产生腔体(1)进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源装置(3)用于对等离子体产生腔体(1)内的气体做功，产生等离子体，其特征在于，还包括一个诊断装置(2)和一个控制装置(5)，该诊断装置(2)与等离子体产生腔体(1)连接，该控制装置(5)分别与诊断装置(2)、电源装置(3)和真空装置(4)连接；诊断装置(2)用于测量出等离子体产生腔体(1)内部的等离子体电子密度值，并将该测量值输出给控制装置(5)；控制装置(5)将等离子体电子密度值与预设的电子密度值比较，并根据比较的差值正负号和绝对值大小，输出电压或气压控制信号，调节电源装置(3)的输出功率或真空装置(4)的设定气压值，使等离子体电子密度稳定在预设值范围内。

2.根据权利要求1所述的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其特征在于等离子体产生腔体(1)包括：圆柱形壳体(114)、观察窗(105)、活页窗(106)和网状放电电极(101)；

该观察窗(105)和活页窗(106)分别固定于该圆柱形壳体(114)两侧；

该网状放电电极(101)为圆环形，与圆柱形壳体(114)同轴放置，并通过绝缘胶柱(110)固定于圆柱形壳体(114)内壁，与内壁间距为2～5cm。

3.根据根据权利要求2所述的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其特征在于活页窗(106)采用铰链(108)和紧固旋钮(107)与圆柱形壳体(114)固定，并通过挤压密封胶垫(109)进行密封。

4.根据权利要求1或2所述的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其特征在于圆柱形壳体(114)开有抽气孔(102)、充气孔(103)、电极通孔(104)和静电探针通孔(111)；

该抽气孔(102)和充气孔(103)分别位于圆柱形壳体(114)环形外壁相对的两侧，并分别连接到真空装置(4)，作为对等离子体产生腔体(1)抽气和充气的通孔；

该电极通孔(104)用于连接网状放电电极(101)和电源装置(3)的高压输出 端；

该静电探针通孔(111)上固定有一个静电探针(112)，该静电探针(112)的尖端通过静电探针通孔伸入到等离子体产生腔体(1)内部。

5.根据权利要求2或4所述的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其特征在于，网状放电电极(101)在与静电探针通孔(111)正对的位置处设有一个通孔(113)，静电探针(112)的尖端通过该通孔(113)伸入到网状放电电极(101)内部，并与网状放电电极(101)保持2～5cm的间距。

6.根据权利要求1所述的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其特征在于，诊断装置(2)包括测量单元(201)和光电转换单元(202)，该测量单元(201)通过屏蔽电缆与静电探针(112)连接；测量单元(201)通过静电探针(112)对等离子体的电子密度值进行测量，并将该测量值输出给该光电转换单元(202)，光电转换单元(202)将等离子体的电子密度值转换为光信号，通过光纤(503)传递给控制装置(5)。

7.根据权利要求1所述的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其特征在于电源装置(3)包括：直流电压源(301)、高频斩波电路(302)、隔直电容(303)、高频变压器(304)和谐振电感(305)；

该直流电压源(301)根据控制装置(5)的电压设定值输出直流电压，为高频斩波电路(302)供电，高频斩波电路(302)将直流电压转换为高频方波，并通过隔直电容(303)与高频变压器(304)的初级线圈连接，高频变压器(304)次级线圈的一端与该谐振电感(305)连接，另一端连接到地，谐振电感(305)的另一端通过电极通孔(104)连接到等离子体产生腔体(1)的网状放电电极(101)。

8.根据权利要求1或4所述的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其特征在于真空装置(4)包括：针阀(401)、气罐(402)、抽气泵(403)、真空计(404)和真空调节单元(405)；该气罐(402)通过该针阀(401)与充气孔(103)连接，该抽气泵(403)与抽气孔(103)连接，该真空计(404)连接在抽气泵(403)和抽气孔(103)之间，真空计(404)用于测量等离子体产生腔体(1)内的气压，并将该测量值输出给该真空调节单元(405)，真空调节单元(405)将接收自控制装置(5)的设定气压值与气压测量值进行比较，并根据差值调节抽气泵(403)的抽气速率，使等离子体产生腔体(1)内的气压稳定在设定气压值范围内。 

9.根据权利要求1所述的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其特征在于，控制装置(5)包括控制单元(501)和接口单元(502)；接口单元(502)接收光电转换单元(2)的光信号并将其转换为等离子体电子密度值输出给控制单元(501)，控制单元(501)将该电子密度值与预设的电子密度值进行比较，并根据差值的正负号和绝对值大小输出电压控制信号或气压控制信号给接口单元(502)，接口单元(502)将电压控制信号转换为光信号通过光纤(503)传递给直流电压源(301)，将气压控制信号转换为总线信号并通过总线(504)传递给真空调节单元(405)。 

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