CN104244554A - 一种利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的新方法 - Google Patents

Abstract

一种利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的新方法，属于等离子诊断领域。诊断装置包括准光学谐振腔和矢量网络分析仪，其中准光学谐振腔为对称双凹腔或平凹腔。测试信号经同轴线，耦合输入孔进入谐振腔；信号穿过谐振腔后经耦合输出孔、同轴线传回矢量网络分析仪。用两台或更多台矢量网络分析仪选取不同频率进行点频测试(CW Sweep)，根据测量结果计算出等离子体的参数。本发明适用于诊断如飞行尾迹类的等离子体，具有快速、准确和测量范围宽的优点。

Description

一种利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的新方法

技术领域

本发明属于等离子体诊断领域，涉及微波，毫米波频段介质材料复介电常数测试用准光学谐振腔。

背景技术

等离子体微波诊断方法主要包括静电探针法和微波诊断法。静电探针法常用于低温等离子体的诊断，微波诊断法则常用于高温等离子体的诊断。微波诊断法又分为微波探针诊断法，微波腔诊断法，等离子体辐射诊断法。微波腔诊断法中的开腔诊断法常用于毫米波频段的等离子体诊断中。

准光学谐振腔，简称准光腔。常用的准光腔结构有两种：一种是对称双凹腔结构，由两个凹面镜正对放置而成；另一种是平凹腔结构，由一个平面镜和一个凹面镜正对放置而成。传统开腔诊断方法适用于等离子体在一段时间内可以保持稳定的情况，不适用于诊断类似飞行尾迹之类的瞬态等离子体。微波干涉仪诊断技术是一种可以快速实时测量等离子体的方法，但是该方法的测量精度和测量范围往往不能达到要求。本发明将准光学谐振腔运用于类似飞行尾迹之类的非稳定等离子体诊断中，利用了准光学谐振腔对微扰极其敏感的特性；诊断装置结构简单，操作方便

发明内容

本发明对数据的测量采用点频测试(CW Sweep)，数据测量和提取十分迅速，可以跟上非稳定等离子体的变化速度。

本发明提供的利用准光学谐振腔快速诊断等离子体的方法，运用两台或更多台矢量网络分析仪进行点频测试(CW Sweep)，测量等离子体经过准光学谐振腔时信号的幅值和相位，利用测得的两个或多个频率点的数据计算出等离子体的电子浓度和电子温度。

附图说明

图1是本发明提供的基于准光学谐振腔的快速实时诊断等离子体装置结构示意图，左侧是准光学谐振腔为对称双凹腔的结构示意图，右侧是准光学谐振腔为平凹腔的结构示意图。

图2是对称双凹腔的结构示意图。

图3是平凹腔的结构示意图。

图4是对称双凹腔中凹面镜示意图

图5是平凹腔中凹面镜示意图。

图1至图5中：1是准光学谐振腔，2是矢量网络分析仪；11是对称双凹腔中第一凹面镜或平凹腔中凹面镜，12是对称双凹腔中第二凹面镜，111、112是对称双凹腔中第一凹面镜中心的输入能量耦合孔或平凹腔中凹面镜中心附近的输入能量耦合孔，121、122是对称双凹腔中第二凹面镜中心的输出能力耦合孔或平凹腔中凹面镜中心附近的输出能量耦合孔。

具体实施方式

一种利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的新方法，装置如图1所示，包括准光学谐振腔1和矢量网络分析仪2。所述准光学谐振腔1可为对称双凹腔或平凹腔。对于准光学谐振腔为对称双凹腔的装置而言，第一台矢量网络分析仪产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过对称双凹腔中位于凹面镜11中心的输入耦合孔111后耦合入对称双凹腔；信号穿过对称双凹腔后，经对称双凹腔中位于凹面镜12中心的输出耦合孔121耦合入另一段同轴线传回至矢量网络分析仪。第二台矢量网络分析仪产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过对称双凹腔中位于凹面镜11中心的输入耦合孔112后耦合入对称双凹腔；信号穿过对称双凹腔后，经对称双凹腔中位于凹面镜12中心的输出耦合孔122耦合入另一段同轴线传回至矢量网络分析仪。为了提高测量精度，可增加准光学谐振腔的耦合孔数量以连接更多的矢量网络分析仪进行测量。

对于准光学谐振腔为平凹腔的装置而言，第一台矢量网络分析仪产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过平凹腔中位于凹面镜11中心附近的输入耦合孔111后耦合入平凹腔；平凹腔所产生的输出信号穿过平凹腔中位于凹面镜11中心附近的输出耦合孔121后经另一段同轴线传回至矢量网络分析仪。第二台矢量网络分析仪产生的测试信号通过一段同轴线传输，穿过平凹腔中位于凹面镜11中心附近的输入耦合孔121后耦合入平凹腔；平凹腔所产生的输出信号穿过平凹腔中位于凹面镜11中心附近的输出耦合孔122后经另一段同轴线传回至矢量网络分析仪。为了提高测量精度，可增加准光学谐振腔的耦合孔数量以连接更多的矢量网络分析仪进行测量。

利用准光学谐振腔诊断等离子体时，首先利用网络分析仪2测出准光学谐振腔1空腔时的谐振频率f₀和品质因素Q₀。选取f₀附近的两个频率点f₁和f₂，用矢量网络分析仪进行点频测试(CW Sweep)。两台矢量网络分析仪中任选一台测量f₁频率信号的幅值和相位，另一台测量f₂频率的信号幅值和相位。由于谐振腔内有等离子体时，谐振频率将增大，所以选取的测试频率f₁和f₂一般大于f₀。为了提高精度，可以增加矢量网络分析仪，选取更多频率点进行测量。

对矢量网络分析仪测得的数据进行分析，令|H(f₁)|表示f₁频率的信号幅值，表示f₁频率信号的相位；|H(f₂)|表示f₂频率信号的幅值，表示f₂频率信号的相位。

对于谐振系统，有

$H\left(f\right)=\frac{1}{1+\mathrm{iQ}(\frac{f}{f_0}-\frac{f_0}{f})}$     (1)

    (2)

其中，H(f)表示信号，表示信号的相位，Q表示品质因数，f₀表示谐振频率，f表示信号的频率。

利用测量数据和得到方程：

    (3)

    (4)

其中Q_p表示等离子体经过准光学谐振腔时谐振腔的品质因数，f_p表示等离子体经过准光学谐振腔时谐振腔的谐振频率。联立(3)(4)，即可解出Q_p和f_p。可以参考测得的|H(f₁)|和|H(f₂)|对Q_p和f_p进行略微的调整。当有两台以上的矢量网络分析仪参与测量时，可从中选取较好的数据计算Q_p和f_p，也可计算多个Q_p和f_p值取平均，以提高测试精度。

令v为电子碰撞频率，ω为电磁波频率，ω_p为等离子体频率。在v²＜＜ω²且条件下，存在关系式：

ω₀＝2πf₀    (5)

$\frac{f_p-f_0}{f_0}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}$     (6)

$\frac{Q_0-Q_p}{Q_0{Q}_p}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\·\frac{{\mathrm{\ω}}_p^{2}v}{{\mathrm{\ω}}_0^3}$     (7)

其中L为准光学谐振腔长度，ΔL为等离子体轴向长度。

等离子体参数有如下关系：

${\mathrm{\ω}}_p=\sqrt{\frac{N_e\·e^2}{m_e\·{\mathrm{\ϵ}}_0}}$     (8)

$\frac{1}{v}=\frac{\sqrt{117\·m_e}\·T_e^{\frac{3}{2}}}{80\·\mathrm{\π}\·N_e\·e^4}$     (9)

其中N_e为等离子体电子浓度，m_e为电子质量，e为电子电荷，T_e为等离子体电子温度。

联立方程(5)(6)(7)(8)(9)，即可计算出等离子体的电子浓度N_e和电子温度T_e。

Claims (3)

1.一种利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的新方法，诊断装置包括准光学谐振腔(1)和矢量网络分析仪(2)。

2.根据权利要求1所述的利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的方法，其特征在于：对于准光学谐振腔(1)而言，矢量网络分析仪(2)产生的测试信号通过同轴线、耦合孔进入谐振腔；谐振腔产生的输出信号经另一耦合孔、同轴传输线传回至矢量网络分析仪(2)。

3.根据权利要求1或2所述的利用准光学谐振腔快速实时诊断等离子体的方法，其特征在于：用两台或更多台矢量网络分析仪选取不同频率进行点频测试(CW Sweep)，测量等离子体经过准光学谐振腔时信号的幅值和相位，利用测得的两个或多个频率点信号的幅值和相位计算出等离子体的电子浓度和电子温度。