CN109688687B - 微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了等离子体电子密度测量技术领域的微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置，包括控制板、信号源、示波器，待测量的等离子体在发射天线与接收天线之间发生瑞利散射，接收天线和第二功放相连后接到I/Q混频器的RF接口，I/Q混频器输出两路时变电压信号，并通过信号放大器放大后得到两路正交信号I与Q，示波器采集两路正交信号I与Q，通过示波器上的两路时变电压信号计算等离子体密度的时变特性。本发明采用非直接接触方式测量等离子体密度，提高了等离子体密度测量的有效性和真实性；适用范围更广，可以测量1011cm‑3以上的流注放电等离子体的电子密度，对等离子体放电的扰动小，具有极大的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体电子密度测量技术领域，具体涉及一种微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置。
背景技术
在等离子体物理研究和工业等离子体应用中,等离子体电子密度是一个重要参数，对等离子体的密度测量方法有很多种，如：探针法、发射光谱法和激光法等。
其中探针法有最常见的静电探针，虽然它理论成熟，但存在以下缺点：只适用于低气压，不能用于高气压；跟等离子体直接接触，从而会对等离子体产生一定的扰动。发射光谱法通过测量等离子体辐射出的光谱，不跟等离子体发生直接接触，有效地避免了因直接接触造成的扰动，但能够测定的等离子体密度的适用范围是被测量的等离子体处于热平衡状态或局部热平衡状态。激光法是利用激光束与等离子体相互作用对等离子体密度进行测量，利用等离子体中介质折射率与电子密度的关系对等离子体密度进行测量，但此方法目前适用于大尺度稠密等离子体，并不适合小尺度上的等离子体。
综上所述，测量方法较简单的探针法测量存在仅适用于低气压的限制，而测量精度较高的发射光谱法和激光法适用范围窄，特别是对于流注放电，这种大气压下小尺度的等离子体密度测量未曾涉及。
如中国专利201110064085.6公开了一种射频放电等离子体自偏置探针诊断方法，其特征在于：在等离子体中放置两根探针，探针上不加支流或交流偏执电压。虽然其克服了探针表面绝缘污染的影响，但其缺点是跟等离子体直接接触，因而对等离子体会产生一定的扰动。基于此，本发明设计了微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置，以解决上述问题。
发明内容
解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置，以解决上述背景技术中提出的现有适用范围窄、时变特性不能测量、等离子体抗扰动性差以及流注放电小尺度非平衡的等离子体密度不能测量的问题。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置，包括控制板、信号源、示波器，所述控制板分别为所述信号源提供触发信号并为所述示波器输出采集触发信号，所述信号源产生微波信号且微波信号依次经过前置功放、第一功放进行功放放大，第一功放连接功分器，所述功分器分别与发射天线和I/Q混频器LO接口连接；接收天线接收微波信号传至第二功放，
待测量的等离子体在发射天线与接收天线之间发生瑞利散射，接收天线和第二功放相连后接到I/Q混频器的RF接口，I/Q混频器输出两路时变电压信号，并通过信号放大器放大后得到两路正交信号I与Q，示波器采集两路正交信号I与Q，通过示波器上的两路时变电压信号计算等离子体密度的时变特性。
进一步地，待测等离子体在所述发射天线和接收天线之间发生的瑞利散射信号总的电压幅值为根据瑞利散射原理公式：
此后，根据示波器测定的Uplasma(t)，得出ne(t)。
进一步地，所述I/Q混频器采用无源器件，具有较高的高线性度性能和抗干扰能力。
进一步地，还包括开关电源，所述开关电源分别为第一功放、第二功放、控制板、信号源、信号放大器提供电压，且所述开关电源与所述控制板、信号源、前置功放以及信号放大器之间连接有降压模块。
进一步地，所述第一功放为20dBm功放，第二功放为15dBm功放。
进一步地，所述的发射天线和接收天线呈喇叭状，使其信号传输具有更宽的波束宽度效果，以达到精确测量。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明采用非直接接触方式测量等离子体密度，提高了等离子体密度测量的有效性和真实性；适用范围更广，可以测量1011cm-3以上的流注放电等离子体的电子密度；对等离子体放电的扰动小；被测量的等离子体在发射喇叭天线与接收喇叭天线之间发生瑞利散射，接收喇叭天线和功放相连后接到RF接口，I/Q混频器输出两路时变电压信号，并通过信号放大器放大后得到两路正交信号I与Q，示波器采集两路的正交信号，通过示波器上的两路时变电压信号来计算等离子体密度的时变特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明原理结构示意图。
图2为本发明瑞利散射原理图。
图中标号为：1-控制板，2-信号源，3-前置功放，4-第一功放，5-降压模块，6-等离子体；7-功分器，8-开关电源，9-发射天线，10-接收天线，11-示波器；12-第二功放，13-I/Q混频器、14-信号放大器、
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1，结合图1-2，一种微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置，控制板1为信号源2提供触发信号，同时为示波器11输出采集触发信号，信号源2产生微波信号且微波信号依次经过前置功放3、第一功放4后将信号放大至至12GHz，第一功放4连接功分器7，功分器7将信号分成两路，一路接到发射喇叭天线9，一路接到I/Q混频器13的LO输入端，接收天线10接收到的信号依次经过第二功放12、I/Q混频器13，I/Q混频器13输出两路时变电压信号，并通过信号放大器14放大后得到两路正交信号I和Q，信号放大器14与示波器11连接。
进一步地，还包括开关电源8，开关电源8接通市电，15V输出的开关电源8分别为第一功放4、第二功放12、控制板1、信号源2、信号放大器14提供电压，且开关电源8与控制板1、信号源2、前置功放3以及信号放大器14之间连接有降压模块5。
进一步地，第一功放4为20dBm功放，第二功放12为15dBm功放。
进一步地，I/Q混频器13采用无源器件，具有较高的高线性度性能和抗干扰能力。
进一步地，发射天线9和接收天线10呈喇叭状，使其信号传输具有更宽的波束宽度效果，以达到精确测量，且发射天线9和接收天线10的摆放角度成90°，待测的电离波需要处于入射波束的正中央，且纵向平行于电场E的方向，位置可根据待测等离子体6放电装置的大小进行调节。
待测等离子体6在两个发射天线9和接收天线10之间发生瑞利散射，根据瑞利散射原理计算电子密度时变曲线需要事先标定装置参数，该方法包括以下步骤：
①提供相对介电常数为3.8的石英介质棒，石英棒的直径为3mm，长度分别为5mm,10mm,15mm,20mm,25mm,30mm,35mm,40mm,45mm和50mm。标定时，需将石英棒沿着电场E方向放置在微波波束场正中央，实际做法为使用一个介质平台，在距离发射天线9和接收天线10下沿30mm左右处的平台平面上放置石英棒。
由于介质平台的存在有散射信号进入接收天线10，而且I/Q混频器13也做不到绝对的零输出电压，所以即使散射区不放置任何散射体，I和Q的电压也不为零。因此，实际处理过程是：测定放置石英棒的I/Q电压值和移去石英棒的I/Q电压值，依次记录，每个石英棒记录4个电压值，共记录40个电压值；最后，每个石英棒的I/Q电压值各自做差，得到根号下差平方和的U值。
②然后，利用最小二乘法十个数据点拟合直线Y轴是电压U，X轴是石英棒的长度；一般拟合的直线不是过坐标原点的石英棒没能都在波束的正中对称，需要平移拟合直线过坐标原点。
③最后，取X＝25mm对应的U值，带入公式算出A系数。根据电离波的形状半径r0和长度l0和碰撞频率，计算公式分别是：
此后，根据示波器测定的Uplasma(t)，得出ne(t)。
需要注意的是，上面公式中：uout是微波瑞利散射信号总的电压幅值，单位为伏特；v是体积，单位为立方米；ε0＝8.854E-12F/m；ε是介质常数；ω＝6.28*12E9Hz；me＝9.11E-31kg；e＝1.6E-19C。
本发明采用非直接接触方式测量等离子体密度，提高了等离子体密度测量的有效性和真实性；适用范围更广，可以测量1011cm-3以上的流注放电等离子体的电子密度；对等离子体放电的扰动小；被测量的等离子体在发射喇叭天线与接收喇叭天线之间发生瑞利散射，接收喇叭天线和功放相连后接到RF接口，I/Q混频器输出两路时变电压信号，并通过信号放大器放大后得到两路正交信号I与Q，示波器采集两路的正交信号，通过示波器上的两路时变电压信号来计算等离子体密度的时变特性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (1)
1.微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置，包括控制板(1)、信号源(2)、示波器(11)，所述控制板(1)分别为所述信号源(2)提供触发信号并为所述示波器(11)输出采集触发信号，其特征在于：所述信号源(2)产生微波信号且微波信号依次经过前置功放(3)、第一功放(4)及功分器(7)，所述功分器(7)分别与发射天线(9)和I/Q混频器(13)LO接口连接，接收天线(10)接收微波信号传至第二功放(12)；
待测量的等离子体(6)在发射天线(9)与接收天线(10)之间发生瑞利散射，接收天线(10)和第二功放(12)相连后接到I/Q混频器(13)的RF接口，I/Q混频器(13)输出两路时变电压信号，并通过信号放大器(14)放大后得到两路正交信号I与Q，示波器(11)采集两路正交信号I与Q，通过示波器(11)上的两路时变电压信号计算等离子体(6)密度的时变特性；
还包括开关电源(8)，所述开关电源(8)分别为第一功放(4)、第二功放(12)、控制板(1)、信号源(2)、信号放大器(14)提供电压，且所述开关电源(8)与所述控制板(1)、信号源(2)、前置功放(3)以及信号放大器(14)之间连接有降压模块(5)；
根据瑞利散射原理计算电子密度时变曲线需要事先标定装置参数，该方法包括以下步骤：
提供相对介电常数为3.8的石英介质棒，石英棒的直径为3mm，长度分别为5mm,10mm,15mm,20mm,25mm,30mm,35mm,40mm,45mm和50mm；标定时，使用一个介质平台，在距离发射天线(9)和接收天线(10)下沿30mm左右处的平台平面上放置石英棒，将石英棒沿着电场E方向放置在微波波束场正中央；
测定放置石英棒的I/Q电压值和移去石英棒的I/Q电压值，依次记录，每个石英棒的I/Q电压值各自做差，得到根号下差平方和的U值；
利用最小二乘法十个数据点拟合直线，Y轴是电压U，X轴是石英棒的长度；对于拟合的直线不是过坐标原点的，需要平移拟合直线过坐标原点；
取X＝25mm对应的U值，带入公式算出A系数；根据电离波的形状半径r0和长度l0和碰撞频率，计算公式分别是：
此后，根据示波器测定的Uplasma(t)，得出ne(t)；
上面公式中：V是体积，单位为立方米；ε0＝8.854E-12F/m；ε是介质常数；ω＝6.28*12E9Hz；me＝9.11E-31kg；e＝1.6E-19C；
所述I/Q混频器(13)采用无源器件；
所述第一功放(4)为20dBm功放，第二功放(12)为15dBm功放；
所述发射天线(9)和接收天线(10)呈喇叭状。
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