介质谐振器法等离子体检测技术研究

摘要

等离子体检测技术是等离子体学科很重要的组成部分。随着近几年等离子体应用技术的飞速发展，在预言等离子体行为方面对等离子体检测技术提出了新的要求，为了满足不同应用环境，一些新的检测方法和计算方法应运而生。等离子体检测是指等离子体的各种特征参数进行测定，这些参数包括电子浓度、电子温度、等离子体谐振频率等。目前，从检测方式考虑等离子体检测方法可以分接触式检测方法和非接触式检测方法。本课题源于国内某研究所的一个横向项目，该项目对测试系统提出了体积小、质量轻、实时性、可靠性、准确性等要求。为此，本文提出了利用介质谐振器法对等离子体进行检测，并对其展开技术研究。
　　介质谐振器是一种结构简单，体积小，成本低的测试系统。利用介质谐振器法检测等离子体是一种非接触式检测方法，因此它不会对原有的体系产生干扰，减少了检测设备带来的系统误差。
　　本文首先对等离子体的基本物理知识，以及等离子体与电磁波之间的相互作用关系进行了深入研究和分析。讨论了等离子体在不同入射电磁波作用下所表现的不同特性，为介质谐振器检测模型的设计提供思路。
　　其次，根据介质谐振器理论，建立了等离子体检测模型。本文提出了一种分层测试模型，该模型通过开波导法对不同区域的电磁场进行严格的场分析，建立求解特征方程，利用谐振频率与等离子体浓度之间的关系求出电子浓度。根据理论验证，这种分层测试模型的理论计算误差大约为4.2×10-6，能够实现等离子体浓度的准确测试。
　　然后，本文研制了工作在C波段的介质谐振器，其最远工作距离大约在10mm，实现了电子浓度在1017m-3数量级的检测。用荧光灯作为等离子体源，完成了测试系统组装，并对荧光灯放电等离子体浓度进行测试。同时用MATLAB软件编写了测试软件。从测试结果观察，测试值与理论值基本吻合。
　　最后，对实验数据进行了分析，讨论了测试误差来源并提出了改善方案。总结了介质谐振器法等离子体检测存在的一些问题，为进一步研究奠定基础。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 等离子体检测技术研究现状

1.3 本文主要内容及结构安排

第二章 等离子体物理基础

2.1 德拜长度

2.2 等离子体频率

2.3 等离子体温度

2.4 等离子体温度平衡时间

2.5 等离子体判断

2.6 等离子体的微波特性

2.7 本章小结

第三章 介质谐振器法等离子体检测原理

3.1 孤立的圆柱形介质谐振器

3.2 圆柱形介质波导的介电性能

3.3 圆柱形介质谐振器检测理论

3.4 理论验证分析

3.5 本章小结

第四章 测试系统的设计与实现

4.1 介质谐振器的尺寸设计

4.2 等离子体源

4.3 介质谐振器耦合装置及移动装置

4.4 测试系统及测试流程

4.5 本章小结

第五章 实验结果与分析

5.1 实验数据

5.2 误差分析

第六章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果