基于微波透射系统的等离子体特性研究

摘要

基于微波的等离子体诊断技术是一类重要的等离子体诊断方法，其原理基于微波在等离子体中的传播，将微波作为探测波束照射等离子体，通过观察反射波或是透射波的变化来获得等离子体的相关特性。微波诊断等离子体属于非介入式诊断技术，不会污染等离子体，且具有较高的测量精度，因而在高温等离子体诊断领域应用广泛。
　　本文重点研究了微波透射法用于等离子体的诊断，分析了微波透射诊断理论，介绍了微波透射系统的原理，并将其用于实际的激波管等离子体的诊断。具体工作如下：
　　首先，本文研究了等离子体中的电磁波特性，基于解析法得到了等离子体在不同电子密度和碰撞频率下的等效介质,并由此计算出衰减常数和相位常数。推导了平面波入射到等离子体边界的反射、衰减和传播系数，并通过仿真分析了这些系数随电子密度和碰撞频率的变化。仿真结果表明：电子密度的大小决定入射波能否通过等离子体，当电子密度高于临界值时入射波的反射很大。碰撞频率的大小决定入射波在等离子体中的衰减，碰撞频率越大，电磁波的衰减也越大。
　　其次，本文采用微波透射诊断理论，通过同时测量电磁波通过等离子体的衰减和相移，结合等离子体中电磁波的传播常数，求得电子密度和碰撞频率。并通过仿真得到了微波透射诊断理论测量电子密度的范围。同时，还分析了圆柱等离子体的散射特性，推导了相关公式，得到了圆柱等离子体的前向和后向散射场的值（对应平板条件下的透射场和反射场），分析电子密度对散射场的影响，所得结果可用于圆柱等离子体的诊断。
　　再者，本文还针对实验所用到的激波管进行建模。激波管可等效成5层介质，详细推导了每层介质上的场分布，求得了入射场通过激波管的总的反射和透射系数。仿真分析了激波管情形下，电子密度对电磁波传播的影响。
　　最后，对基于本文所讨论的微波透射诊断理论所设计的微波透射测量系统进行介绍，并将微波透射测量系统用于激波管的等离子体的测量，获得了激波管等离子体的电子密度和碰撞频率的变化特性。

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第一章 绪论

1.1应用背景及意义

1.2 研究现状及动态

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 电磁波在等离子体中的传播特性

2.1 等离子体的物理特性

2.2 等离子体中的平面波

2.3微波诊断等离子体技术

2.4 本章小结

第三章 微波透射诊断技术

3.1 双频点微波透射衰减法

3.2 微波透射诊断法

3.3 激波管等离子体

3.4 本章小结

第四章 微波透射系统用于等离子体测量

4.1 微波透射测量系统

4.2 激波管实验

4.3 误差分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献