一种基于微波谐振腔的大气压低温等离子体射流诊断装置

摘要

本发明提出了一种基于微波谐振腔的大气压低温等离子体射流诊断装置，属于等离子体和微波技术领域。解决了测量大气压等离子体射流的电子密度的问题。它包括所述谐振腔放置在试验台上，所述谐振腔内部由金属铜箔全面覆盖，所述谐振腔上开设有放置孔，所述放置孔内放置射流放电玻璃管，所述射流放电玻璃管内设置射流等离子体并连接电极，所述第一探测天线和第二探测天线对称设置在谐振腔的腔体内，所述第一探测天线和第二探测天线分别连接频谱分析仪的输入端和输出端。它主要用于具有较低电子密度的低温常压等离子体。

说明书

技术领域

本发明属于等离子体和微波技术领域，特别是涉及一种基于微波谐振腔的大气压低温等离子体射流诊断装置。

背景技术

等离子体的电子密度是等离子体最重要的特征之一，对于大气压下的低温等离子体来说，等离子体的电子密度可以非常低(约为10

利用电磁波与等离子体的相互作用的方法可以测量等离子体电子密度。目前，利用不同频段的无线电波探测技术对电离层和不同类型的气体放电等离子体已有大量的研究，然而，用这种方法研究低温大气压等离子体的研究还很少，这意味着需要开发用于诊断低温等离子体的新方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于微波谐振腔的大气压低温等离子体射流诊断装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于微波谐振腔的大气压低温等离子体射流诊断装置，它包括第一探测天线、第二探测天线、谐振腔、放置孔、频谱分析仪、试验台和射流放电玻璃管，所述谐振腔放置在试验台上，所述试验台可沿谐振腔横向移动，所述谐振腔内部由金属铜箔全面覆盖，所述谐振腔上开设有放置孔，所述放置孔内放置射流放电玻璃管，所述射流放电玻璃管内设置射流等离子体并连接电极，所述第一探测天线和第二探测天线对称设置在谐振腔的腔体内，所述第一探测天线和第二探测天线分别连接频谱分析仪的输入端和输出端。

更进一步的，所述放置孔数量为两个，两个放置孔对称开设在谐振腔上。

更进一步的，所述谐振腔为圆柱形结构并通过支架固定。

更进一步的，所述谐振腔直径为152mm，长度为480mm。

更进一步的，所述第一探测天线和第二探测天线长度相等。

更进一步的，所述第一探测天线和第二探测天线长度均为30mm。

更进一步的，所述射流放电玻璃管外径为8mm，壁厚为1.5mm。

更进一步的，所述频谱分析仪型号为Rigol DSA815-TG。

更进一步的，所述频谱分析仪的最高运行频率范围为9kHz-1.5GHz。

更进一步的，所述诊断装置电源为正弦电压源，频率为28kHz，幅度为3kV。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了测量大气压等离子体射流的电子密度的问题。本发明提供了用于诊断稳定和不稳定大气压放电等离子体的可能性。可用于具有较低电子密度的低温常压等离子体，描述和测试了圆柱谐振腔的实验装置，通过众所周知的扰动理论以及等离子体的介电常数和电导率表达式，确定等离子体的平均电子密度和电子碰撞的频率，获得的值在数量级上与文献中的已知数据一致。为研究大气压下等离子体射流诊断提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于微波谐振腔的大气压低温等离子体射流诊断装置结构示意图；

图2为本发明所述的氦气流射流放电的等离子体在谐振腔中的位置图；

图3为本发明所述的谐振腔中放电室布局为图2位置时氦气流射流放电等离子体电子密度的时间依赖性；

图4为本发明所述的氦气流射流放电的等离子体在谐振腔中的位置图；

图5为本发明所述的谐振腔中放电室布局为图4位置时氦气流射流放电等离子体电子密度的时间依赖性。

1-第一探测天线，2-第二探测天线，3-谐振腔，4-放置孔，6-频谱分析仪，7-试验台。

具体实施方式

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、完整地阐述。

参见图1说明本实施方式，一种基于微波谐振腔的大气压低温等离子体射流诊断装置，它包括第一探测天线1、第二探测天线2、谐振腔3、放置孔4、频谱分析仪6、试验台7和射流放电玻璃管，所述谐振腔3放置在试验台7上，所述谐振腔3内部由金属铜箔全面覆盖，所述谐振腔3上开设有放置孔4，所述放置孔4内放置射流放电玻璃管，所述射流放电玻璃管内设置射流等离子体并连接电极，所述第一探测天线1和第二探测天线2对称设置在谐振腔3的腔体内，所述第一探测天线1和第二探测天线2分别连接频谱分析仪6的输入端和输出端。

本实施例谐振腔3腔体距边缘长度的四分之一处设置第一探测天线1和第二探测天线2，另一侧谐振腔3腔体边缘长度的四分之一处设置射流等离子体。放置孔4数量为一个或两个，两个放置孔4对称开设在谐振腔3上，谐振腔3为圆柱形结构并通过支架固定，谐振腔3直径为152mm，长度为480mm，射流放电玻璃管外径为8mm，壁厚为1.5mm，用来观察射流等离子体的状态。第一探测天线1和第二探测天线2长度相等均为30mm，频谱分析仪6型号为Rigol DSA815-TG，最高运行频率范围为9kHz-1.5GHz。诊断装置电源为正弦电压源，频率为28kHz，幅度为3kV。频谱分析仪6包含两个连接器，一个用于输入，另一个用于跟踪发生器的输出，输入和输出端分别与第一探测天线1、第二探测天线2相连，因此，一根天线充当发射器并在一定带宽内激发本征模式，而另一根成为接收器并记录受激本征模式的频谱。

本实施例中距离圆柱形谐振腔3腔壁120mm处，有两个直径各为10mm的放置孔4，通过这两个放置孔4进行射流等离子体的放置。该圆柱形谐振腔3的前三个本征模TE111、TE112和TE113的频率在1-1.5GHz的范围内，本实验利用的是圆柱形谐振腔3的TE112本征模。首先，需要研究没有等离子体的情况下测量圆柱形谐振器3的波谱特性，并用频谱分析仪6进行记录，以便观察圆柱形谐振器3的本征模的TE112波谱。该本征模式具有沿着圆柱形谐振器3的电场的径向分量的两个最大值，其距圆柱谐振腔3的两个端壁的每一个的距离等于圆柱形谐振腔3的长度的四分之一。调谐频谱分析仪6后，需要确定圆柱形谐振腔3的TE112的本征模的频率和品质因数Q。然后，通过放置孔4安装研究的等离子体，并确定TE112模式的频率和品质因数Q的变化。根据TE112模式的频率和品质因数Q的变化，可以使用众所周知的扰动理论以及等离子体的介电常数和电导率表达式确定腔体内等离子体的平均电子密度和电子碰撞的频率。在研究长度不均匀的放电或等离子体射流时，可移动射流放电玻璃管将所研究的等离子体逐渐推入谐振腔3，并在每一步测量TE112模式的频率和品质因数Q的变化。电子密度随时间的变化而产生的噪声有两个原因，第一个原因是，在短时间内一些故障，第二个原因与实验装置的灵敏度有关。尽管给出的测量结果在一定程度上有估计的性质，但是获得的等离子体电子密度与氦气中阻挡放电射流的已知数据一致。实验的结果证实了指定技术成果的实现，装置能够测量稳定和不稳定放电等离子体中的电子密度，以及测量沿大气压的低温等离子体射流的电子浓度分布。

以上对本发明所提供的一种基于微波谐振腔的大气压低温等离子体射流诊断装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。