大面積均勻非磁化等離子體產生裝置及方法
2023-05-27 09:41:56 1
專利名稱：大面積均勻非磁化等離子體產生裝置及方法
技術領域：
本發明屬於氣體放電等離子體領域，涉及一種氣體放電產生等離子體的裝置，確切講是大面積均勻非磁化等離子體產生裝置及方法，可用於研究等離子體對電磁波的影響。
背景技術：
研究電磁波在等離子體中的傳播特性，以及等離子體與電磁波的相互作用是宇宙飛行器再入、電離層研究、等離子體隱身技術等研究工作的基礎和關鍵內容。一般研究方法有計算機仿真分析和真實等離子體實驗，計算機仿真分析也以真實等離子體實驗為基礎。設計一種等離子體的地面產生裝置，是真實等離子體實驗的基礎，現有地面產生等離子體的方法主要有激波管、電弧風洞、等離子體噴焰和輝光放電等方法，他們都存在著以下難以克服的缺點
1、激波管產生的等離子體電子密度高，但是產生時間很短，實驗難以重複。2、電弧風洞和等離子體噴焰產生的等離子體溫度，對天線有高溫燒蝕，且等離子體中含有金屬離子，引起電磁波傳輸實驗誤差。3、激波管、電弧風洞、等離子體噴焰其產生的等離子電子密度以及分布難以控制。4、利用輝光放電產生等離子體用於研究其對電磁波影響研究的主要方法是ICP 放電法，由於ICP放電產生的等離子體中存在高頻調製，是磁化等離子體，這會引起電磁波傳輸實驗誤差，且ICP放電其電極存在於等離子體之中，這會引起電磁波傳輸實驗誤差。
發明內容
本發明的目的在於克服上述已有技術的不足，提供一種重複性好、誤差低可持續的大面積均勻非磁化等離子體產生裝置及方法。為實現上述目的，設計一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置及方法，其特徵是包括等離子體產生腔體、真空裝置和等離子電源；等離子體產生腔體包括筒狀腔體、網狀放電電極，網狀放電電極為外徑小於筒狀腔體內徑的空心圓狀網狀體，通過絕緣支撐將網狀放電電極與筒狀腔體連接為同心圓結構，觀察窗和活頁窗連接固定在筒狀腔體兩端。所述的等離子體產生腔體有輸氣孔、排氣孔和電極通孔，輸氣孔通過管道與真空裝置的氣罐連接，輸氣孔和氣罐之間有輸氣控制閥，通過輸氣控制閥控制氣罐進入等離子體產生腔體內的惰性氣體；排氣孔通過管道與抽氣泵連接，通過抽氣泵使進入惰性氣體排出ο所述的網狀放電電極直徑約為20cm至25cm。所述的網狀放電電極環繞筒狀腔體內壁，網狀放電電極與筒狀腔體的內壁間距離在3 5cm之間可調，且與內壁絕緣。所述的網狀放電電極為圓形空腔，筒狀腔體腔體厚度約為18cm。所述的網狀放電電極與交流電源的諧振電感的一端通過電極通孔密閉相連。
所述的等離子電源包括交流電源和諧振電感，交流電源輸出電壓範圍是100V 500V，輸出頻率範圍在IOkHz 50kHz。所述的絕緣支撐是筒狀腔體內的絕緣膠柱。所述的絕緣支撐是觀察窗和活頁窗上的圓環槽。本發明的工作過程是
1)將活頁窗閉合，擰緊緊固旋鈕，使活頁窗擠壓密封膠條實現密封；
2)打開抽氣泵，開始抽氣，真空計顯示當前腔體內氣壓；
3)檢測氣壓抽至100 左右時，打開輸氣控制閥，向腔體內充入惰性氣體；
4)繼續抽氣，保持腔體內的惰性氣體環境；
5)當檢測氣壓降低到20 以下時，打開交流電源，網狀放電電極和腔體內壁等效的電容與諧振電感一起構成諧振迴路，交流電源工作在諧振迴路的諧振點上，使網狀放電電極與腔體內壁間形成高電壓間隙放電；
6)起振工作後，諧振迴路電壓迅速升高，空氣中少量的自由電子在電場做功下，獲得動能，與氣體中的原子和分子發生碰撞，在非彈性碰撞過程中，電子將能量傳遞給原子、分子使其電離，電子與離子分離，當電壓達到擊穿電壓後，進入湯生放電過程；
7)電壓繼續升高，產生的電子和離子與消失的電子和離子相等，放電實現自持；
8)此時，氣體被擊穿，變成導電流體，網狀放電電極與腔體內壁不能構成一個電容，與導電流體一起可等效為一個電阻，電壓下降到幾百伏，實現輝光放電；
9)放電同時，繼續充氣抽氣，使腔體氣壓維持穩定。本發明由於採用了基於低氣壓輝光放電原理的大面積均勻非磁化等離子體產生裝置產生等離子體，且由於該裝置的特殊結構保證了該裝置特別適用於研究電磁波的傳播研究。相比現有的等離子體產生裝置，本裝置具有以下優點
1等離子體可持續時間長且實驗可重複，理論上不受時間影響；
2、觀察窗、活頁窗與圓形空腔一起作為電磁波傳播路徑，電磁波傳輸時不會被電極等金屬阻擋；
3、由於放電氣體氣壓很低，分子自由程很長，空腔內等離子體基本是均勻分布的；
4、產生的是非磁化等離子體，不存在微波調製，也不包含金屬離子，不會引起額外誤差。電子密度可在IO8CnT3 IO12CnT3範圍連續可控。
下面結合附圖對本發明作進一步說明
圖1是本發明大面積均勻非磁化等離子體產生裝置結構示意圖。圖中1、等離子體產生腔體；2、真空裝置；3、等離子電源；101、網狀放電電極； 102、輸氣孔；103、排氣孔；104、電極通孔；105、觀察窗；106、活頁窗；107、緊固旋鈕；109、 密封膠條；110、絕緣膠柱；201、輸氣控制閥；202、氣罐；203、真空計；204、抽氣泵；301、交流電源；302、諧振電感。
具體實施方式
參見附圖1，大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，至少包括等離子體產生腔體 1、真空裝置2和等離子電源3。等離子體產生腔體1包括筒狀腔體、網狀放電電極101，網狀放電電極101為外徑小於筒狀腔體內徑的空心圓狀網狀體，通過絕緣支撐將網狀放電電極101與筒狀腔體連接為同心圓結構，觀察窗105和活頁窗106連接固定在筒狀腔體兩端。等離子體產生腔體1有輸氣孔102、排氣孔103和電極通孔104，輸氣孔102通過管道與真空裝置2的氣罐202連接，輸氣孔102和氣罐202之間有輸氣控制閥201，通過輸氣控制閥201控制氣罐202進入等離子體產生腔體1內的惰性氣體。排氣孔103通過管道與抽氣泵204連接，通過抽氣泵204使進入惰性氣體排出。網狀放電電極101直徑約為20cm至25cm，網狀放電電極101環繞筒狀腔體內壁， 網狀放電電極101與筒狀腔體的內壁間距離在3 5cm之間可調，且與內壁絕緣，網狀放電電極101為圓形空腔，筒狀腔體腔體厚度約為18cm。等離子發生腔體1腔體外壁接地，網狀放電電極101與交流電源3的諧振電感302的一端通過電極通孔104密閉相連。等離子電源3包括交流電源301和諧振電感302。其中交流電源301頻率和輸出電壓可調，交流電源輸出電壓範圍是100V 500V，輸出頻率範圍在IOkHz 50kHz。絕緣支撐可以是筒狀腔體內的絕緣膠柱110。絕緣膠柱110為等距離的多個絕緣支撐柱，間隔分布在網狀放電電極101與筒狀腔體之間，為了不影響大面積均勻非磁化等離子體的效果，絕緣膠柱110不宜太多，只要使網狀放電電極101與筒狀腔體之間形成穩定的同心圓。另一實施例是絕緣支撐是觀察窗105和活頁窗106，觀察窗105和活頁窗106上的圓環槽，通過觀察窗105和活頁窗106上的圓環槽左右夾持網狀放電電極101。這種結構使同心圓腔體內沒有其它東面，不影響大面積均勻非磁化等離子體的效果。與此同時，輸氣孔 102、排氣孔103和電極通孔104在觀察窗105和活頁窗106上。本發明的工作過程是將活頁窗106閉合，擰緊緊固旋鈕107，使活頁窗106擠壓密封膠條109實現密封；打開抽氣泵204，開始抽氣，真空計203顯示當前腔體內氣壓；檢測氣壓抽至100 左右時，打開輸氣控制閥201，向腔體內充入惰性氣體；繼續抽氣，保持腔體內的惰性氣體環境；當檢測氣壓降低到20 以下時，打開交流電源301，網狀放電電極101 和腔體內壁等效的電容與諧振電感302 —起構成諧振迴路，交流電源301工作在諧振迴路的諧振點上，使網狀放電電極101與腔體內壁間形成高電壓間隙放電；起振工作後，諧振迴路電壓迅速升高，空氣中少量的自由電子在電場做功下，獲得動能，與氣體中的原子和分子發生碰撞，在非彈性碰撞過程中，電子將能量傳遞給原子、分子使其電離，電子與離子分離， 當電壓達到擊穿電壓後，進入湯生放電過程；電壓繼續升高，產生的電子和離子與消失的電子和離子相等，放電實現自持；此時，氣體被擊穿，變成導電流體，網狀放電電極與腔體內壁不能構成一個電容，與導電流體一起可等效為一個電阻，電壓下降到幾百伏，實現輝光放電；放電同時，繼續充氣抽氣，使腔體氣壓維持穩定。由於腔體內氣壓很低，電子自由程很長，電子和離子極易通過網狀放電電極101 的網孔擴散到環形網狀放電電極101中間，形成大面積均勻非磁化的等離子體，通過調整腔體內氣體氣壓、氣體成分和放電功率，電子密度可在IO8CnT3 IO12CnT3之間變化。觀察窗 105、活頁窗106和空腔一起構成了無金屬阻擋的電磁波傳輸路徑，且環形金屬網狀放電電極內部是一個等勢體，因而，電場對電磁波傳輸的幹擾很小。
權利要求
1.一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是包括等離子體產生腔體(1)、 真空裝置(2)和等離子電源(3)；等離子體產生腔體(1)包括筒狀腔體、網狀放電電極 (101)，網狀放電電極(101)為外徑小於筒狀腔體內徑的空心圓狀網狀體，通過絕緣支撐將網狀放電電極(101)與筒狀腔體連接為同心圓結構，觀察窗(105)和活頁窗(106)連接固定在筒狀腔體兩端。
2.根據權利要求1所述的一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是所述的等離子體產生腔體(1)有輸氣孔(102)、排氣孔(103)和電極通孔(104)，輸氣孔(102)通過管道與真空裝置(2)的氣罐(202)連接，輸氣孔(102)和氣罐(202)之間有輸氣控制閥 (201)，通過輸氣控制閥(201)控制氣罐(202)進入等離子體產生腔體(1)內的惰性氣體；排氣孔(103)通過管道與抽氣泵(204)連接，通過抽氣泵(204)使進入惰性氣體排出。
3.根據權利要求1所述的一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是所述的網狀放電電極(101)直徑為20cm至25cm。
4.根據權利要求1所述的一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是所述的網狀放電電極(101)環繞筒狀腔體內壁，網狀放電電極(101)與筒狀腔體的內壁間距離在3 5cm之間可調，且與內壁絕緣。
5.根據權利要求1所述的一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是所述的網狀放電電極(101)為圓形空腔，筒狀腔體腔體厚度為18cm。
6.根據權利要求1所述的一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是所述的網狀放電電極(101)與交流電源(3)的諧振電感(302)的一端通過電極通孔(104)密閉相連。
7.根據權利要求1所述的一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是所述的等離子電源(3)包括交流電源(301)和諧振電感(302)，交流電源輸出電壓範圍是100V 500V，輸出頻率範圍在IOkHz 50kHz。
8.根據權利要求1所述的一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是所述的絕緣支撐是筒狀腔體內的絕緣膠柱(110)。
9.根據權利要求1所述的一種大面積均勻非磁化等離子體產生裝置，其特徵是所述的絕緣支撐是觀察窗(105)和活頁窗(106)上的圓環槽。
10.大面積均勻非磁化等離子體產生方法，其方法是1)將活頁窗(106)閉合，擰緊緊固旋鈕(107)，使活頁窗(106)擠壓密封膠條(109)實現密封；2)打開抽氣泵(204)，開始抽氣，真空計(203)顯示當前腔體內氣壓；3)檢測氣壓抽至100 左右時，打開輸氣控制閥(201)，向腔體內充入惰性氣體；4)繼續抽氣，保持腔體內的惰性氣體環境；5)當檢測氣壓降低到20 以下時，打開交流電源(301)，網狀放電電極(101)和腔體內壁等效的電容與諧振電感(302) —起構成諧振迴路，交流電源(301)工作在諧振迴路的諧振點上，使網狀放電電極(101)與腔體內壁間形成高電壓間隙放電；6)起振工作後，諧振迴路電壓迅速升高，空氣中少量的自由電子在電場做功下，獲得動能，與氣體中的原子和分子發生碰撞，在非彈性碰撞過程中，電子將能量傳遞給原子、分子使其電離，電子與離子分離，當電壓達到擊穿電壓後，進入湯生放電過程；7)電壓繼續升高，產生的電子和離子與消失的電子和離子相等，放電實現自持；8)此時，氣體被擊穿，變成導電流體，網狀放電電極與腔體內壁不能構成一個電容，與導電流體一起可等效為一個電阻，電壓下降到幾百伏，實現輝光放電；9)放電同時，繼續充氣抽氣，使腔體氣壓維持穩定。
全文摘要
本發明屬於氣體放電等離子體領域，涉及一種氣體放電產生等離子體的裝置，確切講是大面積均勻非磁化等離子體產生裝置及方法，其特徵是包括等離子體產生腔體、真空裝置和等離子電源；等離子體產生腔體包括筒狀腔體、網狀放電電極，網狀放電電極為外徑小於筒狀腔體內徑的空心圓狀網狀體，通過絕緣支撐將網狀放電電極與筒狀腔體連接為同心圓結構，觀察窗和活頁窗連接固定在筒狀腔體兩端，可用於研究等離子體對電磁波的影響。它克服上述已有技術的不足，提供一種重複性好、誤差低可持續的大面積均勻非磁化等離子體產生裝置及方法。
文檔編號H05H1/46GK102361531SQ201110328200
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者劉東林, 劉彥明, 李小平, 楊敏, 秦永強, 艾煒, 謝楷, 趙良 申請人:北京臨近空間飛行器系統工程研究所, 西安電子科技大學