CN112333909A - 一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置及使用方法，实验装置包括：等离子体发生器，用于将中性气体电离产生高温等离子体；喷管，用于将等离子体利用气动力学原理进行加速，并对真空暗室内等离子体射流的截面进行塑形；等离子体诊断系统，通过非接触的方法对等离子体射流的电子密度进行实时诊断，并反馈给综合控制器，综合控制器根据实测的电子密度大小与预设的电子密度值进行比较，通过反馈调节等离子体发生器的电源输出功率实现等离子体射流的电子密度连续稳定控制。本发明产生的等离子体射流稳定可控、电子密度范围宽、碰撞频率范围宽、长度大、组分纯净，能够实现等离子体电子密度非均匀性分布的调控。

Description

一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置及使用方法

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，涉及一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置及使用方法。

背景技术

飞行器在临近空间以5马赫以上的高速飞行时，气动加热效应会将空气电离，形成一层包覆在飞行器周围的等离子鞘套，等离子鞘套由大量的自由电子、正离子和中性分子组成，会对电磁波信号产生衰减，严重时会引发通信黑障现象，而当雷达探测高速飞行器时，由于等离子鞘套的存在会使得回波信号减小或发生畸变。为在地面开展等离子鞘套下的电磁实验研究，需产生组分纯净、长时间、宽电子密度和碰撞频率参数范围、非均匀分布、且稳定可控的等离子体射流。

目前公开报道的用于开展等离子鞘套地面模拟电磁实验的装置，根据产生等离子体的工作原理可以分为热等离子体实验设备和冷等离子体实验设备。

其中热等离子体实验设备主要有激波风洞/激波管、电弧风洞和高频感应耦合等离子体风洞，其原理是产生比较接近真实飞行状态的流场或温度来激发等离子体。激波风洞/激波管采用高压气体破膜的方式产生超高声速激波，压缩实验段内的气体从而产生高温等离子体，其电子密度可以达到10¹³cm^-3，但激波风洞稳定持续时间很短，一般为几毫秒至百毫秒，难以进行天线特性测量、通信系统验证等需要长时间持续的实验；另外，其实验重复性较差；电弧风洞利用正负电极放电产生的大功率电弧将空气加热至高温高压状态，能够提供长时间稳定运行的高焓等离子体射流，但由于流场存在金属铜、离子以及其它电极粉末污染，在一定程度上改变了等离子体的电波传播特性；感应耦合等离子体风洞采用感应加热的方式产生纯净的长时间稳定运行的高焓等离子体射流，常规条件下电子数密度范围为10¹⁰~10¹³cm^-3，碰撞频率范围为10⁹~10¹⁰Hz，但是由于产生的等离子体温度很高，对等离子体的实时诊断与调控困难，导致实验重复性较差，可控性差。另外，目前的热等离子体实验设备主要应用于模拟等离子鞘套的高焓值特征，开展材料高温考核实验，实验段较小，最大约2m，电磁波反射严重，不利于开展等离子体下的电磁实验。

近年来，冷等离子体源模拟设备因其小型化、可控性、成本相对较低等优点在电波传播特性研究中被大量采用，其典型代表为利用辉光放电原理产生的大面积等离子体，但是受辉光放电原理的限制，装置只能在低气压下工作，等离子体电子密度最高只能达到10¹¹cm^-3量级，碰撞频率则小于1GHz。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，产生的等离子体射流稳定可控、电子密度范围宽、碰撞频率范围宽、长度大、组分纯净，能够实现等离子体电子密度非均匀性分布的调控，更真实地模拟临近空间高速飞行器周围形成的等离子体鞘套，开展信号传输、雷达探测等电磁实验，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置的使用方法。

本发明所采用的技术方案是，一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，包括：

等离子体发生器，用于将中性气体电离产生高温等离子体；

喷管，用于将等离子体利用气动力学原理进行加速，并对真空暗室内等离子体射流的截面进行塑形；

等离子体诊断系统，通过非接触的方法对等离子体射流的电子密度进行实时诊断，并反馈给综合控制器，综合控制器根据实测的电子密度大小与预设的电子密度值进行比较，通过反馈调节等离子体发生器的电源输出功率实现等离子体射流的电子密度连续稳定控制。

进一步的，所述等离子体发生器的出口通过注入段连接混合段，混合段的出口与喷管连接，沿等离子体的流向混合段的截面尺寸逐渐增大，碱金属注入装置通过注入口与注入段内部连通，将混合有碱金属粉末的气体注入到高温等离子体中；碱金属注入装置与综合控制器电性连接，通过反馈调节碱金属注入量实现等离子体射流的电子密度控制。

进一步的，所述喷管的出口通过磁控段与真空暗室连接，磁控段的截面与喷管的出口截面保持一致，磁控段的外壁围绕有至少两组独立激励线圈，通过磁控电源为激励线圈施加电流，任意两组激励线圈的电流流向同向或反向；磁控电源与综合控制器电性连接，控制磁控电源的输出功率，通过调节不同激励线圈的电流大小调节磁场位形，调控真空暗室内不同电子密度分布，从而调节等离子体电子密度的非均匀分布状态。

进一步的，所述真空暗室为卧式圆柱形结构，等离子体射流两侧的真空暗室侧壁开设有对称的光学窗口，光学窗口的外部安装有远红外激光等离子体诊断系统，远红外激光等离子体诊断系统的激光光路与光学窗口垂直并穿过等离子体射流中心；远红外激光等离子体诊断系统、等离子体鞘套下的传输天线分别正对等离子体射流的不同区域；远红外激光等离子体诊断系统通过非接触的方法对等离子体射流的电子密度进行实时诊断，然后根据标校过的数据得出天线实际位置处的电子密度，并反馈给综合控制器。

进一步的，所述等离子体发生器的外壁饶有螺旋线圈，螺旋线圈与高频电源连接，通过电磁感应加热的方式，在等离子体发生器中将中性气体电离产生高温等离子体，高频电源与综合控制器连接，通过反馈调节高频电源的输出功率实现等离子体射流的电子密度连续稳定控制。

进一步的，所述真空暗室的出口与扩压器连接，扩压器分为收缩段和直管段，其中收缩段是喇叭形状，喇叭形状的大口与真空暗室连接，喇叭形状的小口与直管段连接，直管段的末端与冷却器连接，扩压器用于将高温的等离子体射流进行收集，然后送入冷却器。

进一步的，所述冷却器的出口与真空泵组连接，冷却器将高温等离子体射流冷却到接近室温的温度，并还原成为未电离的普通气体，送入真空泵组；真空泵组将冷却后的气体排出到大气中，对整个装置进行抽吸，以维持低气压环境。

进一步的，所述等离子体发生器的进口与供气系统连接，用于给等离子体发生器供给纯净的中性气体；供气系统、真空泵组分别与综合控制器电性连接，综合控制器对供气系统的进气量、真空暗室内的真空度进行采集，并通过控制供气系统的进气量和真空泵组的抽速使得真空暗室内的气压达到动态平衡，模拟临近空间不同高度下的背景气压。

进一步的，所述冷却系统与等离子体发生器、注入段、混合段、喷管、磁控段、真空暗室、扩压器、冷却器的冷却管路连接，进行冷却。

一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置的使用方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤1：待真空暗室内气压低至50~100Pa时，使中性气体进入到等离子体发生器中；

步骤2：开启等离子体发生器，中性气体被电离；

步骤3：切换等离子体发生器的进气为所需的工作气体；

步骤4：设定供气流量和平衡气压，综合控制器通过读取真空暗室的真空计读数，调节真空暗室的气体流出速度，使气压稳定在设定的平衡气压范围内；

步骤5：设定电子密度值，综合控制器通过读取等离子体诊断系统得出的电子密度值，对等离子体发生器的电离程度进行调节，使电子密度稳定在设定值范围内；

步骤6：如果等离子体发生器的电源输出功率已经达到最大，仍然不能达到电子密度的设定值，则打开碱金属注入装置，注入含有碱金属的载气，电子密度会继续增大，通过调节载气流量可粗略调节电子密度的大小，再通过调节等离子体发生器的电源功率细调电子密度的大小，最终使其稳定在设定值范围内；

步骤7：在进行电子密度的非均匀分布电磁实验时，通过控制磁控电源的输出功率，通过调节不同激励线圈的电流大小调节磁场位形，从而调节等离子体的电子密度分布。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够模拟产生电子密度最高达3×10¹³cm^-3、等离子体长度大于1m且组分纯净的等离子体射流，调节碰撞频率从几十MHz到几十GHz变化。

2、本发明能够实时诊断等离子体电子密度，进而通过反馈调节等离子体发生器的参数，实现等离子体的连续稳定控制。

3、本发明能够实现等离子体电子密度非均匀性分布的调控，更真实地模拟临近空间高速飞行器周围形成的等离子体鞘套，以开展非均匀等离子体与电磁波的相互作用实验。

4、本发明降低了实验段背景电磁波反射，提高了电磁实验的可靠性，能够用于通信黑障的地面复现研究和等离子体包覆目标的电磁散射特性研究。

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是本发明实施例等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置示意图。

图2是本发明实施例中磁控段的结构示意图。

图3是本发明实施例中注入段的结构示意图。

图4是本发明实施例中混合段的结构示意图。

图中，1.等离子体发生器，2.注入段，3.混合段，4.喷管，5.磁控段，6.扩压器，7.冷却器，8.供气系统，9.真空泵组，10.综合控制器，11.高频电源，12.碱金属注入装置，13.磁控电源，14.远红外激光等离子体诊断系统，15.冷却泵组，16.真空暗室，18.激励线圈，17.注入口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明实施例一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，如图1所示，包括：

等离子体发生器1，用于将中性气体电离产生高温等离子体；

喷管4，用于将等离子体利用气动力学原理进行加速，并对真空暗室16内等离子体射流的截面进行塑形；

等离子体诊断系统，通过非接触的方法对等离子体射流的电子密度进行实时诊断，并反馈给综合控制器10，综合控制器10根据实测的电子密度大小与预设的电子密度值进行比较，通过反馈调节等离子体发生器1的电源输出功率实现等离子体射流的电子密度连续稳定控制；综合控制器为PLC，型号为西门子6ES7315。

等离子体发生器1的出口通过注入段2连接混合段3，混合段3的出口与喷管4连接，沿等离子体的流向混合段3的截面尺寸逐渐增大，碱金属注入装置12通过注入口17与注入段2内部连通，将混合有碱金属粉末的空气注入到高温等离子体中，保证气体组分与主气源相同；在混合段3中，混合有碱金属粉末的气体与高温等离子体发生充分混合，同时还起到等离子体截面变换的作用，从注入段2出口截面形状转换成喷管入口形状；碱金属注入装置12与综合控制器10电性连接，通过反馈调节碱金属注入量实现等离子体射流的电子密度控制。

碱金属元素的电离能远小于普通气体的电离能，利用“热”进行电离的等离子体；因此在相同的能量条件下更容易电离，利用这一原理，在注入段2将含有碱金属元素的载气注入到高温等离子体射流中，可以在相同电源功率下，将电子密度提高2~3倍，实现更高的电子密度；载气具体为空气，碱金属元素具体为Na、K等，如Ka₂CO₃粉末，与真实等离子体鞘套更接近，提高模拟效果。本发明等离子体鞘套地面模拟电磁装置属于半开放型，一边进气，一边出气，所以不能采用有毒的汞蒸气。

现有模拟试验中大部分为基于气动原理自然形成的非均匀分布，受进气量、气压、功率大小影响，因此在改变工作参数时，非均匀分布也就自然发生改变，不能独立调控；本发明通过增加的磁控段可以独立于工作参数对电子密度的分布进行调控。

本发明实施例喷管4的出口通过磁控段5与真空暗室16连接，磁控段5的截面与喷管4的出口截面保持一致，磁控段5的器壁设有冷却夹层，冷却夹层与冷却管路连接；磁控段5的外壁围绕有至少两组独立激励线圈18，通过磁控电源13为激励线圈18施加电流，磁控电源13与综合控制器10电性连接，控制磁控电源13的输出功率，通过调节不同激励线圈18的电流大小调节磁场位形。本发明采用ICP放电方式，等离子体喷出石英管外，磁控段5靠近真空暗室16，利用激励线圈18产生的磁场对等离子体作用之后的惯性作用，对真空暗室16内的等离子体密度分布进行调节，影响真空暗室16内等离子体射流中的电子密度非均匀分布特性，从而调节真空暗室16内等离子体电子密度的非均匀分布状态，更真实地模拟临近空间高速飞行器周围形成的等离子体鞘套。

激励线圈18为环形，一个环形线圈在通电流后，可以形成一个“马鞍形”的轴对称磁场位形，通过的电流越大，则整体的磁场强度会等比例增大；两个环形线圈平行布置后，两个环形线圈形成的磁场就会交叠融合成一个新的磁场位形，此时，通过调节两个线圈中的电流大小，融合形成的磁场位形也会跟着改变。磁场位形的改变意味着磁力线的分布会发生改变，根据电子会受到磁场约束的原理，电子将会近似沿着磁力线运动，所以改变磁场位形就会改变电子的运动方向，进而影响电子密度的分布。本发明通过调整两组激励线圈中的电流大小，构建具有不同位形的磁场。若只布置一组线圈，则只能改变磁场大小，磁场位形不会变化；若布置多组激励线圈，则会因线圈体积过大，导致等离子体在磁控段的通过距离延长，电子密度衰减过大。两组激励线圈18的电流流向可以同向，也可以反向，从而构造不同的磁场位形。

真空暗室16的出口与扩压器6连接，扩压器6分为收缩段和直管段，其中收缩段是喇叭形状，喇叭形状的大口与真空暗室16连接，喇叭形状的小口与直管段连接，直管段的末端与冷却器7连接，扩压器6用于将高温的等离子体射流进行收集，然后送入冷却器7。等离子体射流由真空暗室16的入口流出，然后高速流向扩压器6，从而在真空暗室16的中轴线上形成一段具有一定长度和直径的等离子体射流，用于开展电磁实验。

冷却器7的出口与真空泵组9连接，冷却器7将高温等离子体射流冷却到接近室温的温度，并还原成为未电离的普通气体，送入真空泵组9；真空泵组9将冷却后的气体排出到大气中，对整个装置进行抽吸，以维持低气压环境。

等离子体发生器1的进口与供气系统8连接，用于给等离子体发生器1供给纯净的中性气体，中性气体为纯净的空气；等离子体发生器1的外壁饶有螺旋线圈，螺旋线圈与高频电源11连接，通过电磁感应加热的方式，在等离子体发生器1中将中性气体电离产生高温等离子体，高频电源11与综合控制器10连接，通过反馈调节高频电源11的输出功率实现等离子体射流的电子密度连续稳定控制；其中高频电源11为MW级高频电源。

供气系统8、真空泵组9分别与综合控制器10电性连接，综合控制器10对供气系统8的进气量、真空暗室16内的真空度进行采集，并通过控制供气系统8的进气量和真空泵组9的抽速使得真空暗室16内的气压达到动态平衡，模拟临近空间不同高度下的背景气压。

本发明实施例中等离子体诊断系统采用远红外激光等离子体诊断系统14，真空暗室16为卧式圆柱形结构，内径至少为7m，长度为至少为3m，等离子体射流两侧的真空暗室16侧壁开设有对称的一对光学窗口，该光学窗口与中轴线平行，对等离子体的电子密度大小进行诊断；远红外激光等离子体诊断系统14安装于光学窗口的外部，远红外激光等离子体诊断系统14的激光光路与光学窗口垂直并穿过等离子体射流中心，远红外激光等离子体诊断系统14发射的远红外激光可通过窗口穿透等离子体射流。远红外激光等离子体诊断系统14的激光对光路要求十分精密，而大型（内径为7m，长度为3m）的真空暗室16在真空状态下，容易发生形变，使得激光光路偏折进而影响诊断精度。这样圆柱形结构的真空暗室16形变相对较小，另一方面由于激光光路与窗口垂直，即使有一定的形变，也对光路影响较小。

远红外激光等离子体诊断系统14采用非接触的方法对等离子体射流的电子密度进行实时诊断，并反馈给综合控制器10，由于真空暗室16的容积很大，气压变化缓慢，在ms级时间变化，等离子体的电子密度与功率成正相关关系，因此综合控制器10可根据实测的电子密度大小与预设的电子密度值进行比较，通过反馈调节高频电源11的输出功率实现等离子体射流的电子密度稳定。

在进行等离子体鞘套下的传输实验时，天线也需要布置于等离子体射流的两侧，天线将会对远红外激光等离子体诊断系统14的激光产生遮挡；本发明实施例的远红外激光等离子体诊断系统14、等离子体鞘套下的传输天线分别正对等离子体射流的不同区域；比如远红外激光等离子体诊断系统14正对等离子体射流的上游区域（尽可能靠近真空暗室16的入口），等离子体鞘套下的传输天线正对等离子体射流的下游区域，远红外激光等离子体诊断系统14通过非接触的方法对等离子体射流的电子密度进行实时诊断，然后根据经验或者前期标校过的数据得出天线实际位置处的电子密度，并反馈给综合控制器10，综合控制器10根据实测的电子密度大小与预设的电子密度值进行比较，通过反馈调节高频电源11的输出功率实现等离子体射流的电子密度连续稳定控制。

标校数据的方法：

步骤1：利用远红外激光测量贴近真空暗室入口处的电子密度，同时利用微波法测量天线正对等离子体区域的电子密度；

步骤2：调整装置工作参数（如功率、气压等），获得不同装置工作参数下的多组远红外激光测量结果与微波法测量结果；

步骤3：在实际实验时，利用远红外激光等离子体诊断系统14测量的结果，结合装置工作参数，通过查表法，得出天线正对等离子体区域的电子密度。

综合控制器10对供气系统的进气量、真空暗室16内的真空度、远红外激光等离子体诊断系统14得出的等离子体的电子密度等装置参数进行采集，然后通过控制供气系统8的进气量和真空泵组9的抽速可以使得真空暗室16内的气压达到动态平衡，模拟临近空间不同高度下的背景气压，进而调节碰撞频率从几十MHz到几十GHz变化；通过控制高频电源11的输出功率、碱金属注入装置12对碱金属注入量的大小来调节电子密度在10⁹~3×10¹³cm^-3之间变化；通过控制磁控电源13的输出功率，调节磁场强度，进而调节等离子体电子密度的非均匀分布状态。

真空暗室16的壁面采用夹层水冷结构，同时由于距离等离子体射流远，温度较低，因此选用耐高温的吸波橡胶材料铺设到壁面上，从而有效降低电磁波的反射；其中扩压器6和真空暗室16入口之间的间距大于1m，远大于电磁波的波长，从而大大降低了电磁波在喷管4和扩压器6上的反射；内径7m的大型真空暗室16，可以满足微波测量的远场条件，从而进行等离子体覆盖目标的雷达测量实验；冷却系统与等离子体发生器1、注入段2、混合段3、喷管4、磁控段5、真空暗室16、扩压器6、冷却器7等设备的冷却管路连接，对其进行冷却。

本发明实施例的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置的使用方法：

步骤0：开启远红外激光等离子体诊断系统14，进行预热；

步骤1：关闭供气系统8的供气阀门，并开启冷却系统；

步骤2：打开真空泵组9；

步骤3：待真空暗室16内气压低至100Pa时，打开供气系统8，使氩气进入到等离子体发生器1中；

步骤4：打开高频电源11，开始点火，等离子体发生器1中的气体被电离；

步骤5：切换进气为所需的工作气体，如干燥空气；

步骤6：设定供气流量和平衡气压，综合控制器10通过读取真空暗室16上的真空计读数，调节真空泵组9的抽速，使气压稳定在设定的平衡气压范围内；

步骤7：设定电子密度值，综合控制器10通过读取远红外激光等离子体诊断系统14得出的电子密度值，对高频电源11的输出功率进行调节，使电子密度稳定在设定值范围内；

步骤8：如果高频电源11输出功率已经达到最大，仍然不能达到电子密度的设定值，则打开碱金属注入装置12，注入含有碱金属的载气，电子密度会继续增大，通过调节载气流量可粗略调节电子密度的大小，再通过调节高频电源11的电源功率细调电子密度大小，最终使其稳定在设定值范围内；

步骤9：在进行电子密度的非均匀分布电磁实验时，通过磁控电源13在两组线圈施加电流，调整施加在等离子体中的磁场分布，进而调节等离子体的电子密度分布。

本发明的优势：

本发明改进了装置的整体结构关系，增加了注入段2，在等离子体发生器1的下游注入碱金属，提升了系统的电子密度模拟能力上限，同时避免注入系统对原等离子体放电系统的影响；高频等离子体的温度很高，传统的静电探针诊断方法或者微波诊断方法都需要在靠近等离子体的空间范围内搭建复杂的测试系统，难以作为长时间的常规性诊断，因此也就难以实现等离子体的闭环控制，本发明采用远红外激光等离子体诊断系统14，通过远红外激光的方式，可以在远离等离子体的区域内对等离子体进行连续不断的实时诊断，因此可以实现对等离子体电子密度的实时监控与反馈，进而达到电子密度闭环控制的目的；增加了磁控段5，可以通过磁控电源13在两组线圈施加电流，调整施加在等离子体中的磁场分布，进而调节等离子体的电子密度分布；采用大型的真空暗室16，同时在器壁上贴附耐高温吸波材料，构造了较为纯净的电磁实验环境，避免了小尺寸实验段内各种金属设备对电磁测量造成的干扰问题。

因为等离子体设备在长时间工作过程中，伴随着各种参数如气压、温度的变化，会影响形成的等离子体电子密度，通过闭环控制可以对其进行稳定，从而能够长时间产生稳定可控的等离子体射流；等离子体温度很高，无法连续采用接触式方法进行诊断，非接触式的方法又会影响电磁波传播实验。本发明采用了在等离子体上游用远红外激光诊断，并利用经验或标定结果推算实验区域等离子体密度的方法，远红外激光是非接触式诊断方法，因此可以连续实时诊断，且其光路窄，不需要在真空暗室内放置天线等金属设备，从而避免了对电磁波传播实验的影响。

现有技术手段受实验段长度（总长2m，实际试验区域只有几十cm）的影响，无法实现1m长度的等离子体；本发明实施例中真空暗室16内径至少为7m、长度为至少为3m，暂无固定的调试步骤，本发明经过了大量实验，通过综合控制器10对工作参数进气量、功率、气压等进行匹配实现了大于1m长度的等离子体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，包括：

等离子体发生器（1），用于将中性气体电离产生高温等离子体；

喷管（4），用于将等离子体利用气动力学原理进行加速，并对真空暗室（16）内等离子体射流的截面进行塑形；

等离子体诊断系统，通过非接触的方法对等离子体射流的电子密度进行实时诊断，并反馈给综合控制器（10），综合控制器（10）根据实测的电子密度大小与预设的电子密度值进行比较，通过反馈调节等离子体发生器（1）的电源输出功率实现等离子体射流的电子密度连续稳定控制。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，所述等离子体发生器（1）的出口通过注入段（2）连接混合段（3），混合段（3）的出口与喷管（4）连接，沿等离子体的流向混合段（3）的截面尺寸逐渐增大，碱金属注入装置（12）通过注入口（17）与注入段（2）内部连通，将混合有碱金属粉末的气体注入到高温等离子体中；碱金属注入装置（12）与综合控制器（10）电性连接，通过反馈调节碱金属注入量实现等离子体射流的电子密度控制。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，所述喷管（4）的出口通过磁控段（5）与真空暗室（16）连接，磁控段（5）的截面与喷管（4）的出口截面保持一致，磁控段（5）的外壁围绕有至少两组独立的激励线圈（18），通过磁控电源（13）为激励线圈（18）施加电流，任意两组激励线圈（18）的电流流向同向或反向；磁控电源（13）与综合控制器（10）电性连接，控制磁控电源（13）的输出功率，通过调节不同激励线圈（18）的电流大小调节磁场位形，调控真空暗室（16）内不同电子密度分布，从而调节等离子体电子密度的非均匀分布状态。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，所述真空暗室（16）为卧式圆柱形结构，等离子体射流两侧的真空暗室（16）侧壁开设有对称的光学窗口，光学窗口的外部安装有远红外激光等离子体诊断系统（14），远红外激光等离子体诊断系统（14）的激光光路与光学窗口垂直并穿过等离子体射流中心；远红外激光等离子体诊断系统（14）、等离子体鞘套下的传输天线分别正对等离子体射流的不同区域；远红外激光等离子体诊断系统（14）通过非接触的方法对等离子体射流的电子密度进行实时诊断，然后根据标校过的数据得出天线实际位置处的电子密度，并反馈给综合控制器（10）。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，所述等离子体发生器（1）的外壁饶有螺旋线圈，螺旋线圈与高频电源（11）连接，通过电磁感应加热的方式，在等离子体发生器（1）中将中性气体电离产生高温等离子体，高频电源（11）与综合控制器（10）连接，通过反馈调节高频电源（11）的输出功率实现等离子体射流的电子密度连续稳定控制。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，所述真空暗室（16）的出口与扩压器（6）连接，扩压器（6）分为收缩段和直管段，其中收缩段是喇叭形状，喇叭形状的大口与真空暗室（16）连接，喇叭形状的小口与直管段连接，直管段的末端与冷却器（7）连接，扩压器（6）用于将高温的等离子体射流进行收集，然后送入冷却器（7）。

7.根据权利要求6所述的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，所述冷却器（7）的出口与真空泵组（9）连接，冷却器（7）将高温等离子体射流冷却到接近室温的温度，并还原成为未电离的普通气体，送入真空泵组（9）；真空泵组（9）将冷却后的气体排出到大气中，对整个装置进行抽吸，以维持低气压环境。

8.根据权利要求7所述的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，所述等离子体发生器（1）的进口与供气系统（8）连接，用于给等离子体发生器（1）供给纯净的中性气体；供气系统（8）、真空泵组（9）分别与综合控制器（10）电性连接，综合控制器（10）对供气系统（8）的进气量、真空暗室（16）内的真空度进行采集，并通过控制供气系统（8）的进气量和真空泵组（9）的抽速使得真空暗室（16）内的气压达到动态平衡，模拟临近空间不同高度下的背景气压。

9.根据权利要求6所述的一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置，其特征在于，所述冷却系统与等离子体发生器（1）、注入段（2）、混合段（3）、喷管（4）、磁控段（5）、真空暗室（16）、扩压器（6）、冷却器（7）的冷却管路连接。

10.如权利要求1-9任意一项所述一种等离子体鞘套地面模拟电磁实验装置的使用方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤1：待真空暗室（16）内气压低至50~100Pa时，使中性气体进入到等离子体发生器（1）中；

步骤2：开启等离子体发生器（1），中性气体被电离；

步骤3：切换等离子体发生器（1）的进气为所需的工作气体；

步骤4：设定供气流量和平衡气压，综合控制器（10）通过读取真空暗室（16）的真空计读数，调节真空暗室（16）的气体流出速度，使气压稳定在设定的平衡气压范围内；

步骤5：设定电子密度值，综合控制器（10）通过读取等离子体诊断系统得出的电子密度值，对等离子体发生器（1）的电离程度进行调节，使电子密度稳定在设定值范围内；

步骤6：如果等离子体发生器（1）的电源输出功率已经达到最大，仍然不能达到电子密度的设定值，则打开碱金属注入装置（12），注入含有碱金属的载气，电子密度会继续增大，通过调节载气流量可粗略调节电子密度的大小，再通过调节等离子体发生器（1）的电源功率细调电子密度的大小，最终使其稳定在设定值范围内；

步骤7：在进行电子密度的非均匀分布电磁实验时，通过控制磁控电源（13）的输出功率，通过调节不同激励线圈（18）的电流大小调节磁场位形，从而调节等离子体的电子密度分布。

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