[发明专利]大面积均匀等离子体电子密度控制系统

说明书

技术领域

本发明属于气体放电等离子体领域，涉及一种大面积均匀等离子体的电子密度控制装置，可用于调节与稳定大面积均匀等离子体中的电子密度，进行电磁波在不同电子密度下的等离子体中的传播实验。

背景技术

研究电磁波在等离子体中的传播特性，以及等离子体与电磁波的相互作用是宇宙飞行器再入、电离层研究、等离子体隐身技术等研究工作的基础和关键内容。在理论研究过程中，一般将等离子体假设为均匀且稳定的，或者将等离子体按电子密度分层处理，在每一层内电子密度是均匀且稳定的。因此控制等离子体的电子密度长时间的稳定在设定值上有助于对等离子体电磁波传播开展实验研究，为理论研究提供验证。

随着等离子体发生器的工作，等离子体所处环境的温度等条件都会发生变化，导致电子密度也随之发生变化，因此要实现等离子体电子密度长时间的稳定，就需要对等离子体实时测量并进行反馈控制。

现有地面等离子体的产生装置主要有激波管、电弧风洞、等离子体喷焰和辉光放电等，它们对电子密度的控制都存在着难以克服的缺点：

1、激波管利用高压强差产生的瞬时高温产生等离子体，持续时间极短，稳定性极差，难以控制。

2、电弧风洞和等离子体喷焰产生的等离子体，虽然可以较长时间的工作，电子密度可连续调节，也较为稳定，但由于环境中存在高温，其电子密度难以测量，一般采用估算方法确定，控制精度极低。

3、利用辉光放电产生的等离子体虽然具有易于控制、无恶劣条件、电子密度可连续调节等优点，但由于其根据经验通过调节功率调节电子密度值，不加反馈控制，如附图1所示，或者仅通过测量电极间的电压，推导出电子密度，再进行反馈控制，而等离子体的电子密度值除了与放电功率和电极间的电压有关外，还与气体温度等其它随时间缓慢变化着的因素有关，所以电子密度的长时间稳定性较差，控制精度较低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种大面积均匀等离子体电子密度控制系统，以同时满足电子密度可连续调节、能长时间稳定和控制精度高的要求，实现对大面积均匀等离子体中电子密度的调节与稳定。

为实现上述目的，本发明的大面积均匀等离子体电子密度控制系统，包括：等离子体产生腔体、电源装置和真空装置，电源装置和真空装置分别与等离子体产生腔体连接，真空装置用于对等离子体产生腔体进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源装置用于对等离子体产生腔体内的气体做功，产生等离子体，其特征在于，还包括一个诊断装置和一个控制装置，诊断装置与等离子体产生腔体连接，控制装置分别与诊断装置、电源装置和真空装置连接；诊断装置用于测量出等离子体产生腔体内部的等离子体电子密度值，并将该测量值输出给控制装置；控制装置将等离子体电子密度值与预设的电子密度值比较，并根据比较的差值正负号和绝对值大小，输出电压或气压控制信号，调节电源装置的输出功率或真空装置的设定气压值，使等离子体电子密度稳定在预设值范围内。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的等离子体产生腔体包括：圆柱形壳体、观察窗、活页窗和网状放电电极；观察窗和活页窗分别固定于该圆柱形壳体两侧；该网状放电电极为圆环形，与圆柱形壳体同轴放置，并通过绝缘胶柱固定于圆柱形壳体内壁，与内壁间距为2～5cm。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的活页窗采用铰链和紧固旋钮与圆柱形壳体固定，并通过挤压密封胶垫进行密封。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的圆柱形壳体开有抽气孔、充气孔、电极通孔和静电探针通孔；该抽气孔和充气孔分别位于圆柱形壳体环形外壁相对的两侧，并分别连接到真空装置，作为对等离子体产生腔体抽气和充气的通孔；该电极通孔用于连接网状放电电极和电源装置的高压输出端；该静电探针通孔上固定有一个静电探针，该静电探针的尖端通过静电探针通孔伸入到等离子体产生腔体内部。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的网状放电电极在与静电探针通孔正对的位置处设有一个通孔，静电探针的尖端通过该通孔伸入到网状放电电极内部，并与网状放电电极保持2～5cm的间距。

上述大面积均匀等离子体电子密度控制系统，其中所述的诊断装置包括测量单元和光电转换单元，该测量单元通过屏蔽电缆与静电探针连接；测量单元通过静电探针对等离子体的电子密度值进行测量，并将该测量值输出给该光电转换单元，光电转换单元将等离子体的电子密度值转换为光信号，通过光纤传递给控制装置。