等離子體微波特性及微波診斷方法研究.pdf

1、本論文主要研究了等離子體的微波特性以及幾種新型的微波診斷方法。在等離子體微波特性研究方面，我們對(duì)微波在等離子體中的傳播特性進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究；而在微波診斷方法研究方面，我們對(duì)等離子體吸收探針、微波截止探針和微波反射計(jì)分別進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)這些診斷方法進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。
　　 本論文首先采用拋物線型分層模型對(duì)等離子體與微波的相互作用進(jìn)行了理論分析，獲得了微波在非均勻等離子體中傳播時(shí)的反

2、射系數(shù)與吸收系數(shù)的理論模型，并對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行了典型參數(shù)的數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，高密度、強(qiáng)碰撞的等離子體對(duì)在其中傳播的微波有明顯的吸收效果。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究是在等離子體微波特性實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等離子體覆蓋可使等離子體目標(biāo)反射系數(shù)在2～18GHz頻率范圍內(nèi)減小10～20dB，這個(gè)結(jié)論與理論分析結(jié)果一致。此外，我們?cè)谖⒉ò凳噎h(huán)境中利用脈沖壓縮雷達(dá)反射法對(duì)復(fù)雜背景等離子體目標(biāo)進(jìn)行了密度剖面測(cè)量。
　　 本論文在不采取準(zhǔn)靜電

3、近似的前提下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型等離子體吸收探針(PAP)進(jìn)行了理論分析，提出了表面波色散關(guān)系的電磁理論模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬對(duì)此模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析，兩方面的結(jié)果都驗(yàn)證了PAP的表面波電磁理論模型是有效的?；谝陨侠碚摲治鼋Y(jié)果，我們提出了一種新型的PAP結(jié)構(gòu)——電磁PAP。此外，我們還對(duì)敏感型PAP的鞘層效應(yīng)對(duì)等離子體密度測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了雙功能PAP的測(cè)量方案。這種PAP同時(shí)具有靜電探針和敏感型PAP的功能。利用雙功能

4、PAP的雙重功能可在進(jìn)行電子密度測(cè)量之前完成鞘層厚度的標(biāo)定。這對(duì)于降低數(shù)據(jù)處理過(guò)程中因不準(zhǔn)確的預(yù)設(shè)鞘層厚度值引起的測(cè)量誤差而言是很重要的。
　　 本論文提出了一種用于等離子體密度測(cè)量的新方法——微波截止探針。它的測(cè)量原理是基于微波在等離子體中所發(fā)生的截止現(xiàn)象。我們首先對(duì)微波截止探針的測(cè)量原理進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，兩方面的結(jié)果均表明，微波透射系數(shù)頻譜數(shù)據(jù)的臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值即為接收天線所處位置的等離子體頻率。所以只需從實(shí)驗(yàn)上

5、測(cè)得入射微波在等離子體中的透射系數(shù)頻譜數(shù)據(jù)，即可從中確定測(cè)量點(diǎn)的等離子體頻率，并利用等離子體密度與等離子體頻率之間的關(guān)系獲得電子密度值。實(shí)驗(yàn)研究中，通過(guò)改變等離子體參數(shù)研究了微波截止探針的適用范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微波截止探針可用于大參數(shù)范圍的等離子體電子密度診斷。
　　 本論文研究和分析了用于EAST托卡馬克等離子體密度剖面診斷的頻率調(diào)制反射計(jì)的研制。為了綜合利用尋常波模式和非尋常波模式各自的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用雙線極化的測(cè)量模式，

6、可同時(shí)進(jìn)行尋常波截止和右旋截止反射信號(hào)的測(cè)量。對(duì)于一定頻率范圍的微波源而言，這種極化方式可擴(kuò)大微波反射計(jì)可測(cè)等離子體密度范圍。為了保持測(cè)量數(shù)據(jù)的信息完整性，本系統(tǒng)采用數(shù)字檢波方案，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄中頻信號(hào)波形數(shù)據(jù)，之后可利用數(shù)據(jù)處理方法對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值分析，常用的數(shù)據(jù)處理方法有最佳路徑方法、突發(fā)模式分析方法和自適應(yīng)時(shí)頻分析方法等。
　　 本論文工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos.10675121，10705028&10605