微波法等離子體診斷的原理分析

曹虹+李瑞

摘要：等離子體診斷技術(shù)是一種探測等離子體特性的技術(shù)，本文對(duì)微波法等離子體探測的原理進(jìn)行理論分析，主要包括自由傳播法和空腔法，并對(duì)該方法的特點(diǎn)進(jìn)行討論。本討論對(duì)等離子體光譜診斷具有一定參考意義和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：微波法；等離子體診斷；原理分析

一、引言

在自然物質(zhì)中，除了固體、液體和氣體這三種基本形態(tài)之外，還有第四大基本形態(tài)——等離子體。如今，等離子體已成為物理學(xué)科學(xué)研究中的重要組成部分。等離子體技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域有了顯著的發(fā)展。

等離子體是多粒子體系，由處在非束縛態(tài)的帶電粒子組成，泛指那些電離后氣體。等離子體與普通的氣體不同，它不僅含有中性的分子和原子，還有大量的電子及離子，所以具有很好的導(dǎo)電性。另外，因?yàn)榈入x子體中的正負(fù)電荷量是相等的，所以等離子體整體對(duì)外是顯示中性的，因此稱為等離子體。

等離子體在宇宙中占據(jù)絕大多數(shù)。它的出現(xiàn)通常會(huì)有華麗的光芒和色彩，形成宏偉、神秘的自然奇觀。生活中的雷電、極光等現(xiàn)象是我們常見的天然等離子體。除此之外，還有白熾燈、熒光燈燈管中的氣體、電焊時(shí)的高溫電弧以及等離子顯示器。在外太空存在著大量的等離子體，如太陽風(fēng)、星際介質(zhì)、星云等。

等離子體特性診斷是利用物理規(guī)律和現(xiàn)象測定等離子體特性的一種方法。根據(jù)測量要求和實(shí)驗(yàn)條件選取不同的診斷方法。常用的方法包括光譜法、探針法和微波法。在常見等離子體特性診斷中，需要測得的參數(shù)主要有電子的溫度、電子數(shù)密度和離子溫度等。本文主要對(duì)微波法的具體原理進(jìn)行分析討論。

二、微波法等離子體診斷的基本原理

等離子體如果遇到微波，二者就會(huì)產(chǎn)生相互作用。微波法就是利用二者的相互作用產(chǎn)生的可視變化，得到描述等離子體特征參量的方法。等離子體中有微波通過時(shí)，微波器件會(huì)有一系列的變化，微波在等離子體中也會(huì)表現(xiàn)出相位移動(dòng)、微波折射、反射等物理現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中，我們可以測得微波在等離子體中的位移量、衰減量等相關(guān)物理量；再通過理論分析，可以推測出等離子體中粒子的碰撞頻率和電子密度等參量，從而確定等離子體的特性。

通過微波在等離子體中通過產(chǎn)生的物理現(xiàn)象測量數(shù)據(jù)并推測等離子體特性的診斷過程稱為微波傳輸?shù)臏y量。此測量過程可使用兩種方法，自由傳播法和空腔法。自由傳播法還可以細(xì)分為微波反射測量、衰減測量、相位移動(dòng)測量等基本方法。

微波法除微波傳輸?shù)臏y量之外，還有一種可以診斷等離子體特性的方法，即等離子體微波輻射的測量。等離子體微波輻射測量的基本原理與微波傳輸測量有些差別，等離子體微波輻射不用借助外來電磁波譜，而是直接測量等離子體本身的黑體輻射、相干輻射、回旋輻射等物理量，通過測得等離子體輻射發(fā)出的電磁波的參數(shù)判斷等離子體特性。

三、微波法常用測試設(shè)備

1.微波諧振腔

微波諧振腔是一個(gè)金屬腔，這個(gè)金屬腔可以傳輸微波的諧振和波導(dǎo)。腔內(nèi)有封閉的等離子體，當(dāng)腔內(nèi)等離子體有微波穿過時(shí)，諧振腔的狀態(tài)就會(huì)根據(jù)等離子體特性的不同而有不同的表現(xiàn)。由擾動(dòng)分析等方法，結(jié)合數(shù)據(jù)能得到諧振頻率的移動(dòng)、諧振腔品質(zhì)因數(shù)與等離子體特性的關(guān)系，根據(jù)得到的關(guān)系式及測得的數(shù)據(jù)就可以推算出描述等離子體特性的參數(shù)，如電子密度、電子溫度、電導(dǎo)率等?？涨环ㄖ贿m用于電子密度不高、體積適中的等離子體特性診斷。

2.微波干涉儀

微波干涉儀是一套微波裝置，該裝置可以利用微波相位的移動(dòng)檢測等離子體特性參量。微波傳輸測量中自由傳播法常用到微波干涉儀，微波干涉儀可以測量出傳輸信號(hào)的衰減，并在瞬變等離子體的觀測中得到了廣泛應(yīng)用。在微波干涉儀中，微波信號(hào)在內(nèi)部分成兩部分，一部分從被測等離子體中通過，這一部分微波信號(hào)的相位隨著等離子體特性參數(shù)的變化而產(chǎn)生變化；另一部分稱為參考路徑，這部分微波信號(hào)的相位是不會(huì)發(fā)生移動(dòng)的。在微波干涉儀內(nèi)分開的這兩部分信號(hào)通過了相應(yīng)的路徑后，會(huì)在耦合器等微波器件中再次相遇，并疊加起來產(chǎn)生微波干涉現(xiàn)象。相位的移動(dòng)和振幅的衰減都會(huì)影響干涉儀的響應(yīng)。被測等離子體的電子密度、溫度以及電子碰撞的頻率都可以由微波干涉儀測出。

四、微波法診斷特點(diǎn)

微波法診斷等離子體特性是實(shí)際診斷中常用的方法。在微波法診斷等離子體特性時(shí)，被診斷的等離子體特性不會(huì)被微波所干擾，故測得的數(shù)據(jù)比較精確。但微波法的使用是有局限性的，微波法測量的動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較小，空間響應(yīng)能力不強(qiáng)。故微波法要在適合的情況下使用才能發(fā)揮優(yōu)勢。

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