测量等离子体密度的微波标量反射计设计

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微波氢等离子体发射光谱分析实验讲义

微波氢等离子体发射光谱分析实验背景等离子体是一种由大量离化的粒子组成并呈现电中性的热力学体系。

对等离子体性能的研究能够从纯科学的角度为研究自然空间和大气现象提供重要的依据，也为涉及等离子体发展应用中遇到的技术问题提供解答。

等离子体的诊断可以分为接触式和非接触式，接触式诊断方法主要包括Langmuir探针法、阻抗测量法等，一般用于大范围均匀分布等离子体的诊断；非接触式诊断方法主要包括微波透射法、光谱法等，一般用于小尺寸等离子体的诊断。

微波氢等离子体由于采用无极放电方式，在高质量光学金刚石膜、金刚石同质外延等方面有广泛的应用。

氢等离子体的原位在线检测对于研究等离子体中各基团的物理—化学过程、改进薄膜沉积工艺具有重要意义。

发射光谱诊断技术具有无干扰、灵敏度高等优点，其原理是基于电磁辐射与物质的相互作用，是研究等离子体状态和性能较为理想的诊断方法，如利用氢原子发射光谱的相对强度测量等离子体中的电子参数，利用氢原子发射光谱的展宽测量等离子体中的电场强度等。

在空间和实验室等离子体物理的研究中，氢等离子体Balmer线系是重要的研究对象。

在实验室条件下，Balmer线系主要研究Hα、Hβ和Hγ三条谱线，他们分别是主量子数n=3、4、5向n=2的跃迁，表1为上述三条谱线的相关参数。

表1 Balmer线系的常数Balmer series Wavelength(nm)TransitionCoefficient(μs-1)Weighing ofupper levelExcitationenergies(eV)Hα(3→2)656.28 44.10 18 12.0875Hβ(4→2) 486.13 8.419 32 12.7485Hγ(5→2) 434.05 2.530 50 13.0545本实验利用压缩波导反应腔结构和热辅助激发的方式产生了可稳定运行于接近一个大气压下的微波辉光氢等离子体，研究在可见光区范围内的氢等离子体发射光谱中氢原子的Balmer线系的谱线以及谱线随实验条件的变化。

等离子体阵面吸收与反射电磁波的实验探索

等离子体阵面吸收与反射电磁波的实验探索
赵建森张芝涛，，徐晓文王加伟俞，，哲
（大连海事大学１轮机工程学院；．电场放电辽宁省重点实验室，．２强辽宁大连１６２）１０６
摘要：利用等离子体平面阵，依此研究５ｚ３Ｇｚ０ＭＨ～Ｈ电磁波入射等离子体阵面所造成的衰减和反射．究发现辉研光等离子体阵面对入射电磁波具有强吸收弱反射特性．在实验频率范围内，等离子体阵面对电磁波都有一定的吸收作用，吸收值在９９— ５６ｄ．２．Ｂ之间，但在不同频段也存在着明显的吸收峰值．同时，虽然等离子体阵面对入射电
磁波确有反射，但反射强度非常低，０３５ｄ之间．在～．Ｂ本实验对构建等离子体隐身屏障有借鉴意义．
关键词：等离子体；电磁波；相互作用；辉光放电；等离子体阵面
中图分类号：５９０３文献标志码：Ａ文章编号：０７７６（０１Ｏ —０４０１０－１２２１）１０９ —４
垂直方向的上下倾角相同，为２。实验时，先均４．首在等离子体阵面紧密贴敷一层铜箔作为参照反射器，同时分别测量附加铜箔前后频谱分析仪收到的
２２等离子体阵面对电磁波的反射实验．
等离子体阵面对电磁波反射实验装置中，发射天线和接收电线安装在等离子体阵面同一侧的同一
５０ｌ００００００３００００ｌ５２００２５００

微波等离子体的朗缪尔探针测量

Ｊ、，
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ｕ（ｖ）一《ｇＨ
８７６５４３２，０，
图４
伏安特性曲线
１钨丝；聚四氟乙烯套管；焊接点；２３４陶瓷管；
５铜丝；６不锈钢管；７腔体壁；８焊接件；９转接件Ａ；１０金属环；１ｌ不锈钢片；２Ｏ型圈；３转接件Ｂ１１
好不露出为宜．这样保证探针恰好位于屏蔽体内孔
①
收稿日期：００— ７—０２１０２作者简介：张宝芳（９０，，１８一）女浙江人，江苏科技大学张家港校区信息学院，助教，硕士
５２２
佳木斯大学学报（自然科学版）
２１年００
内部电极等…．这些特性使微波等离子体在薄膜沉积，表面处理，微波等离子体激光等科学技术中获得了广泛的应用［．离子体加工设备是否能２等］满足工艺要求，工艺参数是否能满足加工工艺的需要，都有赖于等离子体诊断和最后的工艺效果作出评价Ｊ本实验使用朗缪尔探针测量微波等离子．体的，特性，一并计算出等离子体电子温度，密度等参数．
—
接件底端内侧，其次对焊接件靠近腔体壁的边缘进行满焊，解决焊接件部分的真空密封问题．由此实验证明，这样安装的探针对真空室的真空度造成的影响甚微．由于不锈钢管和与之接触的孔壁都极为

金属平板前等离子体的电磁波功率反射系数计算分析

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第二层等效输入阻抗为
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图# 等离子体平板模型及其电子密度分布
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!"#" 电子数密度分布对功率反射系数的影响假设入射波垂直入射，等离子体层厚度和中部的电子数密度分别取 #(#% ) 和 ’#’! ) . - ，当电子数密度分别为线性分布、对称抛物线分布时（如图 ’），计算得到空气或真空边界处水平和垂直极化波总的功率反射系数随波频率的变化曲线如图 & 和图 ’#

微波等离子体发射光谱法 -回复

微波等离子体发射光谱法-回复微波等离子体发射光谱法（Microwave Plasma Emission Spectroscopy，简称MPES）是一种利用微波辐射产生等离子体并通过光谱分析方法进行化学元素分析的技术。

本文将一步一步回答关于MPES的问题，包括其原理、仪器和方法、应用以及优缺点等。

第一步：原理介绍MPES的原理基于等离子体的激发和发射原子光谱。

当一个含有微波辐射的气体通过一定的条件存在下时，气体分子会发生激发和电离，形成等离子体态。

等离子体中的高能电子与化学元素的原子碰撞，使其电子跃迁到高能级，然后又以光子的形式发射出来。

利用光谱仪检测并分析这些发射光谱，可以获得化学元素的信息。

第二步：仪器和方法介绍MPES所需的仪器主要包括微波发生器、矩形谐振腔、气体供给系统、等离子体激发区、光谱仪和数据处理系统等。

微波发生器通过接收电源信号产生并调节微波辐射的频率和功率。

矩形谐振腔是等离子体激发的关键装置，通过将微波能量输送到气体中使其产生等离子体。

气体供给系统用于提供样品气体，可以控制气体的流量和压力。

光谱仪则是用于收集和分析发射光谱的仪器，包括光栅光谱仪、CCD等。

数据处理系统对收集到的光谱数据进行处理和分析。

第三步：应用介绍MPES在化学元素分析中具有很广泛的应用。

首先，MPES可用于环境监测领域，如水中重金属元素的检测和空气中有毒有害物质的监测等。

其次，MPES在冶金、石油、化工等行业的质量控制和生产过程中也具有重要的应用价值。

此外，MPES还可用于地球化学研究中，如研究岩石、土壤、矿石中元素的含量和分布等。

第四步：优缺点分析MPES作为一种化学分析技术，具有以下优点：首先，MPES操作简单、快速，可以同时检测多种元素，具有较高的分析速度和灵敏度。

其次，MPES对样品的前处理要求较低，适用于复杂和非均匀样品。

第三，MPES 采用非接触性分析方式，不会产生样品污染。

然而，MPES也存在一些缺点。

基于反射计法提高微波阻抗测量准确度的措施

毕文辉
（辽宁葫芦岛９４３队８２９部９分队，辽宁葫芦岛１５０）２００
摘要：反射计法是测量微波阻抗最常用的方法之一。本文介绍了采用信号源的隔离或去耦、信号源输出信号的稳幅和解决测量电路（硬件）理想非
等三种方法来提高用反射计法测量微波阻抗的准确度，并分析了三种方法的工作原理。
所以Ｓ２３＝Ｊ１０１＝Ｓ３ｓ＝ｌ
、Ｐ／
＝Ｏ（）１× ｌｇ１Ｐ＝０ｌ＋
（）３
由ｐｐ，有Ｉ、１）Ｐ，于△／《１所以ｎ＋Ｐ代人式（（３）
得 △４招）．３（＝４３４
Ｐ
（）４
图３功分器示惹图
或＝０２Ａ（）．３Ａ
（）５
出幅度减小时，电控衰减器的衰减量减小，信号源的输使
毕文辉：于反射计法提高微波阻抗测量准确度的措施基
出幅度增大，而达到自动稳幅的目的。从
耦合器主线驻波比为１０，．３相应的ｌ２ｌ．１；０Ｂ耦２：００５２ｄｓ合度的定向耦合器，Ｓ１＝Ｏ９５定向耦合器方向性为Ｊ２｝．９；
定度。在测量中，信号源外稳幅环路起两个作用。第一，能保证信号源输出信号幅度的稳定，而且可以使稳幅输出端口尽可能地设置在测量点附近，以便在信号源输出端口与ｉ量点之问所包含的电缆、换接头等元件的插入贝６转
损耗变化和失配都可在稳幅环路中补偿掉。第二，提可

微波干涉法测量等离子体密度试验

微波干涉法测量等离子体密度（弦平均密度eN ）姓名：谢新华学号：PB09203247实验目的：1．掌握微波干涉法测量等离子体密度的基本原理2．了解基本微波器件（功能，使用方法）3．观察热灯丝放电等离子体密度与等离子体电流之间的关系： ~e plasma N I实验原理：电磁波在等离子体中转播，色散关系为： ()1/2()1pe k c i ωωωωωυ⎡⎤=-⎢⎥-⎣⎦其中，υ — 碰撞频率；pe ω — 电子等离子体频率（朗缪尔频率）21/200()pe en e m ωε= ；ω — 入射微波的频率。

波数可以分解为传播系数，衰减系数之和：k i αβ=+其中，α — 传播系数，相位变化；β — 衰减系数，幅度变化。

由上两个式得，1/21/22222222222222111122pe pe pe c ωωωωυαωυωυωωυ⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪⎢⎥=-+-+ ⎪ ⎪ ⎪⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪+++⎢⎥⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎩⎭ 假定，无碰撞等离子体：,pe υωω 得到，1/2221pe c ωωαω⎛⎫≈- ⎪ ⎪⎝⎭=plasma α ，o c ωα= 假定，各向同性的等离子体，厚度 20L cm =。

电磁波通过等离子体的相位移动，φ∆：()L plasma o dx φαα∆=--⎰ = ()202Le o e e n x dx m c εω⎰ 定义，弦平均密度，01()L e e n n x dx L =⎰ 。

0L e L e L L cm ⎰实验设计：马赫贞德干涉仪：试验装置：a.微波源：输出9.37GHz 方波信号b.隔离器：防止反射信号损毁微波源c.金属波导管：矩形d.衰减器：调解微波信号的幅度（能量）移相器：调解微波信号相位e.喇叭天线：f.晶体检波器：将微波干涉信号转化为电信号g.示波器：观察干涉信号实验步骤：1．等离子体发生装置和微波诊断装置。

热灯丝放电，四根灯丝，分子泵抽真空，本底气压π210P p α-≤，器壁与灯丝之间的偏压40V （晶体管稳压电源提供）。

用PLRC-FDTD法计算微波在激光等离子体中的反射和透射系数

波传输特性的影响。应用该方法计算了微波的反射和透射系数。结果表明：于均匀等离子对体，离子体频率越大，等反射系数越大，透射系数越小；反射系数几乎为ＯｄＢ的带宽随等离子体
频率的增加而增加；电子碰撞频率越高，反射系数越小，透射系数越大；非均匀等离子体不利于
强反射的实现。研究结果为激光等离子体隐身技术提供了理论支持。关键词：分段线性递归卷积；时域有限差分；激光等离子体；波微
中图分类号：３Ｏ５９文章编号：０５— ８０２１）２— ２７— ５１０９３（００００５０
ＰＬＲＣ．ＦＤＴＤｉｕａｉｎｏｉｒｗａｅＲｅｅｔｏｎａｓｉｓｏＳｍｌｔｏｆＭｃｏｖｆｃｉｎａｄＴｒｎｍｓｉｎｌ
２ＢｉｎｅｏａｔａＴｃｎｌｇｅｅｒｈＣｎｅ，Ｂｉｎ００６Ｃｉａ．ｅｉｇＡｒｎｕｉｌｅｈｏｙＲｓａｅｔｊｃｏｃｒｅｉｇ１０７，ｈｎ）ｊ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｈｆｃｆｌｓｒｉｕｃｄｐａｍａｏｃｏｖｒｎｍｉｓｏｈｒｃｅｉｔｃｉｔｄｅ－ｅｅｆｔｏａｅ．ｎｄｅ — ｌｓｎｍｉｒｗａｅｔａｓｓｉｎｃａａｔｒｓｉｓｓｕｉｄＵｅ
ａｄｔｅｂｎｗｄｈｏｈｅｅｔｎｃｅｃｅｔａＢｉｃｅｓｓｗｉｈｔｅｉｃｅｓｆｔｅｐａｍａｆｅｎｈａｄｉｔｆｔｅｒｆｃｉｏｆｉｎｔ０ｄｎｒａｅｔｈｎｒａｅｏｈｌｓｒ — ｌｏｉｑｅｃ．Ｔｈｎｃｅｓｎｏｌｓｏｒｑｅｃｅｕｔｎｔｅｒａｉｇｒｆｅｔｏｏｆｃｅｔａｄｔｅｉ — ｕｎｙｅｉｒａｉｇｃｌｉｎｆｅｕｎｙｒｓｌｓｉｈｅｄｃｅｓｎｅｌｃｉｎｃｅｆｉｎｎｈｎｉｉｃｅｉｇｔａｓｓｉｎｃｅｃｅｔ１ｅｓｒｎｅｅｔｎｉｉｃｌｔｅｌｚｎｉｈｍｏｅｅｕｌｓ．ｒａｎｒｎｍｉｓｏｏｆｉｎ．１ｈｔｏｇｒｆｃｉｓｄｆｕｔｏｒａｉｅｉｎｏｇｎｏｓｐａｍａｓｉｌｏｉｆＴｈｅｕｔｒｖｄｈｏｅｉａａｉｏａｅ．ｎｕｅ — ｌｓｔａｔｅｒｓｌｓｐｏｉｅａｔｅｒｔｃｌｂｓｓｆｒｌｓｒｉｄｃｄｐａｍａｓｅｌｈ．Ｋｅｙｗｏｒｓ：ｐｉｃｗｉｅｌｎａｅｕｓｖｃｎｏｕｉｎ；ｆｔｄｆｅｅｃｉｏｉｄｅｅｓｉｅｒｒｃｒｉｅｏｖｌｔｏｉｅｉｒｎｅｔｍｅｄｍａｎ；ｌｓｒｉｄｃｄ－ｎｉｆａｅ・ｎｕｅ

微波测量实验实验三

实验三复反射系数（复阻抗)测量121180166 赵琛一、实验目的1、了解测量线的基本结构和调谐方法，掌握微波晶体检波律的校准方法2、了解驻波测量与阻抗测量的意义与相互关系，熟练掌握用测量线测量反射系数，即复阻抗的基本方法。

3、熟悉Smith阻抗圆图的应用4、了解阻抗调配器作用及阻抗调配方法二、实验原理参看序言1。

3有关部分,1。

5。

2谐振式波长计，讲义第四部分YM1124单频点信号发生器，YM3892/YM3892A选频放大器使用说明. 测试框图：三、实验要求与步骤1 在测量线后接短路片。

按仪器使用说明正确调试微波信号源，放大器等.在调试中，一般测量线的探针调节旋钮无需调动，将信号调至最大，并用波长计测出信号源工作频率f，由此计算导波长λg。

2 在测量线后接短路片，用交叉读数法测出各最小点位置Dmin，求导波长λg,并与上面计算得到λg做比较。

3 在测量线后接匹配负载，用直接法测出其驻波系数。

4 在测量线后接膜片+匹配负载,用直接法、二倍最小法、功率衰减法测量其驻波系数，并测出最小点位置，计算该负载的输入阻抗及输入导纳。

功率衰减器的刻度通过查表得到衰减量。

5 取下负载，测量线开口,测一下此时驻波系数ρ及Dmin，计算终端开口时的等效阻抗值。

6 在测量线后接短路片，测量晶体检波律。

四、实验数据与实验分析1 用频率计算λg。

波长计示数为8。

45，波长计型号为9507，查表可得,此时f=9.3735GHza=2.286cm,带入公式可求得，λg=44.7mm2 短路法测导波长λg最小读数法读数：(单位：mm)与计算得到λg对比：由数据可见,最小读数法测得的λg稍大于计算频率得到的λg，这个是符合预期的，因为这是由于测量线上开槽线的影响,使得在测量线中测得的导波长比不开槽的相同截面举行波导中的导波长要稍微长一点。

因此,测量线测得的波长稍高于波长计测得的波长。

3 用直接法测阻抗匹配时的驻波系数：分析：可以看出，由于此时阻抗匹配，ρ近似等于1。

反射计的原理

反射计的原理
反射计是一种测量物体位置、距离或速度的仪器。

它基于光的反射原理，通过发射一束光并接收反射的光来确定物体的位置或运动状态。

反射计有多种类型，包括简单的反射计、雷达反射计、激光反射计等。

不同类型的反射计有不同的原理，下面就简要介绍一些常见的反射计的原理。

一、简单反射计
简单反射计工作原理如下：发射器发出一束光，在光路上设置一个反射镜，反射器可以测量光线的发射和接收时间，并计算出光线的行驶距离。

通过计算行驶距离和光速之间的关系，就可以确定测量对象的距离。

其原理如图1所示：
图1 简单反射计示意图
二、雷达反射计
雷达反射计主要是通过电磁波来测量物体的位置和速度。

雷达反射计发射一束电磁波（通常是微波），当这束电磁波碰到物体表面时就会反射回来。

雷达反射计通过检测这个反射波的时间延迟和频率变化来确定物体的位置和速度。

雷达反射计的原理如图2所示：
图2 雷达反射计示意图
三、激光反射计
激光反射计是一种高精度的反射计，它使用激光束来测量物体的位置和距离。

激光反射计的工作原理与简单反射计类似，只是想比简单反射计更加精确。

激光反射计通过发射一束激光束，然后测量激光束在空气中的传播时间，计算出距离。

激光反射计的原理如图3所示：
图3 激光反射计示意图
总之，反射计是一种基于光、电磁波等原理的测量器，其使用的原理根据不同类型的反射计而有所差异。

通过测量物体反射的光或电磁波信号的时间，反射计可以确定物体的位置、距离或速度等参数。

L微波等离子体发射光谱法测定固体样品中痕量宗

0
有银丝收集管，以除去录.
仪器参数微波发生器输出功率刷创 8 OW; 反射功率小于 5W; 工作频率邱 24 刽 4 圳Hz 5 引;寻 λ
圆柱形镀银谐振腔$石英等离子体管:长 250111m、外径 4.5 皿m、内径 1m皿:测寇波长为
253.7nm; 狭缝 0.03 皿皿;光栅及光电倍增管采用 WXY-2 型原子吸收分光光度计中的光栅和光电倍增管;直流放大器自制;氧气流速为 150 mL/皿in.
(分析纯，北京化工厂)配成 10% 硝酸溶液.
0.1μg/mL 稀家标准洛液:此储备液用 5%
1983 年 6 月 3 日收到.
化
报学学
A
。
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8
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L 微波等离子体发射光谱法测定固体样品中痕量宗
韩恒斌倪哲明
(中国科学院环境化学研究所 p 北京〉
来及其化合物具有毒性，为防止其目染环境，危害人体健康 p 近年来人们对未污染地区的
检出限为 0.001 丑g) ，其设备简单，易于普及，但目前国内尚未见报道. 本文介绍常压微波氧气等离子体发射光谱系统;研究了该系统中各参数对京测定的影响 3
找出了测定柔最佳参数条件:同时采用直接加热团体样品而挥发分离京的技术时， 161，探讨了
在加或不加拧攘酸情况下，标准样中京的挥发与温度关系.最后测定了湘江底泥、高井电厂煤
放大器放大，最后在记录仪上记录峰高.微波
发生器 WB-2 型(江苏宝应无线电厂);常压微波氧气等离体谐振腔(本所加工);束蒸气
发生器(本所加工)其体积约 30 皿L;XWT204 型双笔记录仪(上海大华仪表厂);
2.5-14D 型高温电阻炉，附 DRZ-叫6 型温度
控制器(天津实验电炉厂).

用于等离子体密度分布测量的反射仪—干涉仪组合系统

用于等离子体密度分布测量的反射仪—干涉仪组合系统Brow.,DL;周艳
【期刊名称】《国外核聚变》
【年(卷),期】2000(000)002
【摘要】本文描述了ＴＥＸＴ－Ｕ上实现的干涉仪－反射仪组合系统的实验结果。

在系统有空间重叠的等离子体区域，观察到独立测得的电子密度分布之间相当吻合。

为获得优化的总密度分布，将干涉仪－反射仪数据结合了起来。

通过移动干涉仪的测量弦，人们可以探索当通道数减少和间隔变化时，如何来兼顾分辨率。

根据预计的分布形状（平的或峰化的），人们能够设计出一种采用最小弦数而仍能提供关键分布信息的干涉仪－反射仪组合系统。

【总页数】7页(P15-21)
【作者】Brow.,DL;周艳
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TL631.24
【相关文献】
1.用于等离子体电子密度瞬时测量的改进型Ashby—Jephcott干涉仪 [J], 甘德晶
2.多道HCN激光干涉仪在HL-1装置上的电子密度分布测量 [J], 邓中朝
3.用于KT-5C托卡马克等离子体电子密度测量的多道HCN激光干涉仪 [J], 邓必
河
4.用于位相缺陷检测的反射式剪切点衍射干涉仪 [J], 马云;陈磊;刘一鸣;朱文华
5.Fabry－Perot干涉仪用于托卡马克等离子体氢氘比测量 [J], 林晓东;魏乐汉;谢纪康
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微波反射法在测量等离子体密度中的应用

利用脉冲压缩雷达反射法测量复杂背景等离子体密度剖面李斌，陈志鹏，李弘，罗辰，王慧慧，耿松，冯雷，刘秋艳，刘万东1中国科学院基础等离子体物理重点实验室，中国科学技术大学近代物理系，安徽合肥 230026 摘要本文利用脉冲压缩雷达反射法对复杂背景等离子体目标进行了具备高空间分辨能力的密度测量。

其测量原理是利用不同中心频率的宽频微波脉冲入射到非均匀等离子体中，研究其反射特性，即可得到等离子体密度剖面信息。

这种反射法通过时域数据分析可彻底地消除背景反射信号对测量的影响。

脉冲压缩雷达反射法的空间分辨率和脉冲波包的频宽相关。

实验结果表明，脉冲压缩雷达反射法的测量结果与朗缪尔探针的测量结果一致。

关键词等离子体；微波；脉冲压缩；反射法1、引言在等离子体物理研究和工业等离子体处理中，等离子体电子密度是一个很重要的参数。

目前比较成熟的测量电子密度的微波方法有干涉法[1]和反射法[2]。

反射法的测量原理是利用一定频率c f 正入射的电磁波在电子密度e c n n =处的截止层发生的全反射现象，截止密度220(2)/c e c n m f e επ=，其中e m 、e 分别为电子的质量和电荷量，0ε为真空介电常数。

针对密度剖面单调上升的非均匀等离子体，利用不同频率的电磁波入射到等离子体中，测得相应反射波的时间延迟，通过阿贝尔变换即可得出电子密度及其分布：200()(2c c f f c c c c r f f τππ==⎰⎰ （1）上式中，c r 是截止频率c f 所对应截止层的空间位置，()f τ是频率为f 的电磁波在等离子体中传播的时间延迟。

需要指出的是，由于反射法信号源频率范围有限，所以在阿贝尔变换时必须对时间延迟τ做外推插值，其外插值多以其它诊断工具测得的密度剖面数据为依据。

目前反射法的类型有宽带扫频反射法、多道窄带扫频反射法、幅度调制反射法等[3]，这几种反射法均存在杂波干扰不易彻底排除的问题，不适用于复杂背景等离子体的 1 Email ：wdliu@诊断。

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测量等离子体密度的微波标量反射计设计
【摘要】本文计算了不同频率电磁波在等离子体表面的反射率和等离子体碰撞频率对电磁波反射率的影响。

当电磁波频率取等离子体截止频率上下限的中间值时，反射率较大且随着密度的改变反射率的变化也较大，适合作为反射计的工作频率。

最后结合反射率变化曲线设计了一种用于测量等离子体密度的标量微波反射计，克服了常规微波反射计结构复杂需要宽带扫频源等难点。

【关键词】等离子体；密度测量；微波反射计
1.引言
微波测量方法是将电磁波作为探测束入射到等离子体中，对等离子体特性进行探测，不会对等离子体造成污染[1-2]。

常规微波反射计[3-6]也是通过测量电磁波在等离子体截止频率时的反射信号相位来计算等离子密度。

当等离子密度较高且范围较大时，需要宽频带的信号源进行扫频，这给反射计的设计带来的巨大的困难。

本文通过分析不同频率时电磁波的反射率和等离子体碰撞频率对电磁波反射率的影响，设计了一种标量的反射计，反射计结构简单且不需扫频即可测量大范围的等离子体密度。

2.电磁波在等离子体上的反射
研究等离子体波的问题归结于求色散关系[7]。

电磁波以任意角度入射到不同煤质分界面上称为斜入射，在这种情况下，入射波、反射波和透射波的传播方向都不垂直于分界面。

若入射波的电场垂直于入射平面，则称为垂直极化波。

当垂直极化电磁波在等离子表面垂直入射时可以求得电磁波在等离子体表面的反射系数。

本文主要对等离子体密度大小为1013～1014/cm3，碰撞频率为1010到1012，等离子体大小80mm到300mm的等离子经行分析。

通过编程计算可以得到不同频率电磁波在不同密度和碰撞频率等离子体表面的反射系数变化，如图1、图2、图3所示。

当等电磁波频率取100GHz时，因为在等离子体密度范围为1013～1014/cm3时，最大的截止频率为89.8GHz，所以当用100GHz电磁波入射等离子体时，电磁波将大部分穿过等离子，反射率很小。

从图3可以看出在电磁波的反射率在0到0.14之间逐步增大。

图1为电磁波频率去58GHz时的反射率计算。

从图1可以看出电磁波的反射率较大，从0到0.8左右变化，且变化趋势较陡峭。

当电磁波频率为10GHz，等离子密度为1×1014/cm3时，随着碰撞频率从1010到1011变化，反射率的变化如图2所示。

从图2可以看出，当碰撞频率变大时，反射率减小。

因为当电磁波频率为10GHz 时，处于截止状态，反射率较大。

随着碰撞平率的增大，等离子体对电磁波的反射将大幅减小。

通过上述分析可知，当等离子体碰撞频率改变时，对电磁波在等离子体面上的反射影响较大。

当等离子密度变化时，电磁波的反射率如图1到3所示。

图中
给出了不同碰撞平率下的反射率曲线。

从图3可以看出，当电磁波频率超过截止频率是反射率非常小，所以不适合作为反射计的工作频率。

对比图1和图2，可以发现在电磁波频率去10GHz时，反射率大，但是随着，密度的改变反射率的改变率平缓，相反，当电磁波平率取58GHz时，反射率较大，且随着密度的改变反射率的改变量也较大，因此适合作为反射计的工作频率。

3.反射计的设计
典型的反射计由两只定向耦合器构成，耦合器Ⅰ将投入负载的入射波的一小部分耦合出来（亦称取样）由口4输出成为；耦合器Ⅱ则将负载反射波取样由口3输出，成为。

设两只耦合器的方向性都属理想，其耦合系数分别为。

故设法测出和的复数比值便能得出被测负载的复反射系数。

标量反射计的不同时仅需幅度信息，因而通常将两个耦合输出信号和都经过幅度检波器之后取得他们的模值，然后再求比值。

检波后在直流或低频测量标量比值比在微波频率上测量复数比值在设备要求上更加容易解决。

反射计的工作频率需要根据计算得到的电磁波在等离子表面的反射率曲线来确定。

选择反射率相对较大切在一定等离子体密度范围内变化较大的电磁波频率作为工作频率。

反射计末端接一个天线，天线对准等离子体层。

耦合器1和耦合器2分别用来耦合入射波和反射波，耦合出来的电磁波用检波器检波，最后接自各自的指示器。

通过测量反射率，可以通过计算获得等离子体密度的大小。

4.结论
电磁波入射等离子时会发生反射。

通过计算分析了等离子体密度为1013～1014/m3时，电磁波在等离子表面的反射率变化曲线。

通过对电磁波在等离子体表面的反射计算，当电磁波频率去等离子体截止频率上下线的中间值时，反射率较大且随着密度的改变反射率的改变量也较大，适合作为反射计的工作频率。

确定反射计的工作频率后，设计了一种用于等离子体密度测量的标量微波反射计，克服了常规微波反射计结构复杂需要宽带扫频源等难点，反射计结构简单且不需扫频即可测量大范围的等离子体密度。

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