测量等离子体密度的微波标量反射计设计

微波辐射计的设计原理与应用微波辐射计是一种用于测量微波辐射强度的仪器，其设计原理基于微波辐射的电磁波特性。

微波辐射计广泛应用于气象、通信、雷达、卫星通信等领域，用于测量和监测微波辐射强度，为相关领域的研究和应用提供关键数据。

微波辐射计的设计原理主要基于微波辐射的特性和电磁波的测量原理。

微波辐射是一种电磁波，具有特定的频率范围和波长。

微波辐射计通过接收微波辐射，将其转化为电信号进行测量和分析。

微波辐射计通常由天线、接收机、信号处理器和显示器等组件组成。

天线用于接收微波辐射，并将其转化为电信号。

接收机接收天线传输的电信号，并对信号进行放大和处理。

信号处理器用于进一步处理和分析信号，提取出所需的微波辐射强度数据。

显示器用于显示测量结果。

微波辐射计的应用非常广泛。

在气象领域，微波辐射计用于测量大气中的微波辐射强度，以了解大气中的水汽含量、云层特性等，对天气预报和气候研究具有重要意义。

在通信领域，微波辐射计用于测量和监测无线电通信中的微波辐射强度，以保证通信质量和安全性。

在雷达领域，微波辐射计用于测量和监测雷达系统中的微波辐射强度，提供数据支持和性能评估。

在卫星通信领域，微波辐射计用于测量和监测卫星通信中的微波辐射强度，以保证卫星通信质量和稳定性。

值得注意的是，微波辐射计的设计和应用需要考虑多种因素。

首先，天线的选择和设计对于微波辐射的接收至关重要，不同频率和波长的微波辐射可能需要不同类型的天线。

其次，接收机和信号处理器的性能和精度直接影响测量结果的准确性和可靠性。

此外，环境因素如温度、湿度、干扰等也会对测量结果产生影响，因此需要进行相应的校准和补偿。

微波辐射计是一种用于测量微波辐射强度的仪器，其设计原理基于微波辐射的电磁波特性。

微波辐射计广泛应用于气象、通信、雷达、卫星通信等领域，用于测量和监测微波辐射强度，为相关领域的研究和应用提供关键数据。

微波辐射计的设计和应用需要考虑多种因素，包括天线选择、接收机性能、环境校准等。

基于原子光谱Stark展宽高压放电等离子体电子密度计算基于原子光谱Stark展宽高压放电等离子体电子密度计算引言等离子体是由物质的带电粒子组成的电中性气体，在自然界中广泛存在，例如太阳、恒星和地球等。

等离子体的性质和行为在不同的研究领域中都有重要的应用，包括天体物理学、大气科学、材料科学和核能等。

了解等离子体的性质是研究和应用这些领域的基础。

等离子体的电子密度是衡量等离子体性质的重要参量之一。

电子密度的大小影响等离子体的导电性、能量传输速率和杂质反应等。

因此，准确测量等离子体的电子密度对于深入理解等离子体的特性至关重要。

在过去的几十年中，科学家们开发了许多等离子体电子密度的测量方法，其中基于原子光谱Stark展宽的方法受到了广泛的关注。

Stark展宽是原子光谱中的一种现象，它是由于电场引起的能级分裂所致。

当原子受到电场的作用时，能级间的跃迁将发生改变，从而导致光谱线的频率偏移。

原子光谱Stark展宽是根据这种频率偏移的大小来测量等离子体电子密度的。

原子光谱Stark展宽的原理是基于电场的强弱程度与其引起的能级位移之间的关系。

根据Stark效应的理论，原子的能级位移与电场的平方成正比。

通过测量光谱线的Stark展宽，可以计算出等离子体中的电场强度，进而得到电子密度。

实验中，一般使用高压放电设备来产生等离子体，通过电场与原子碰撞使得原子受到Stark效应的影响。

然后，使用光谱仪测量光谱线的频率偏移，从而获得光谱线的Stark展宽。

最后，利用已知的原子能级、Stark展宽与电场强度之间的关系，可以反推出等离子体的电子密度。

然而，Stark展宽方法也存在一些限制。

首先，等离子体中的电子密度应该足够高，以便引起明显的Stark展宽。

其次，光谱线的Stark展宽受到温度和杂质粒子的影响，需要进行校正。

另外，实际应用中，对于复杂的等离子体体系和非均匀等离子体的电子密度测量，可能需要结合其他方法来进行综合分析。

微波等离子体●微波等离子体反应器特点：微波：为交流能量（信号），通过波导传输，每一种波导具有一定的特征阻抗（射频传输线理论）等离子体的反应器：本质上是具有一定阻抗的负载。

微波等离子体工作要求：波导特征阻抗=等离子体负载阻抗。

微波反射波能量将至最低。

●微波等离子体反应器发展：小尺寸共振腔---->表面波长细等离子体--->大面积（体积）表面波等离子体。

●微波等离子体反应器结构：⊙单模谐振腔谐振腔尺寸: λλ=R,（谐振条件）=d阻抗匹配: 好，可以不设置附加匹配。

激励电场单模（单一本征模）方向：图中电场沿轴向。

状态：驻波缺点：体积小（？）电场不均匀-----〉等离子体空间均匀性差。

应用：放电灯，光谱分析。

⊙多模腔谐振腔尺寸: λλ>>R;（非谐振）>>d阻抗匹配: 差，需要附加匹配。

优点：电场较均匀-----〉等离子体空间均匀性好。

⊙表面波等离子体（surface microwave plasma,SWP）源尺寸: λ=R（谐振条件），轴向尺寸没有限制阻抗匹配: 需要设置附加匹配。

激励电场单模或多模（单一本征模）状态：行波优点：大体积，细长缺点：面积小应用：气体反应（甲烷--->乙炔），有害气体处理侧视图多管SWP源●大面积/体积SWP源两种方式：（a）顶面馈入;(b)侧面馈入三种典型装置：（a）日本平面狭缝（顶面）耦合；(b) 德国环状狭缝（侧面）耦合；（c）法国改进型表面波导（侧面）耦合美国：中国（中国科大、合肥等离子体物理所----> 德国版）●日本顶面狭缝（重点）（1）两种加热模式bulk heating: 整体加热 surface heating:表面加热 分界点：电子等离子体波f f = 截止n n =○不同加热模式下等离子体参数轴向分布不同加热模式的电子加热机理截止密度点(共振点)处的特性及验证预测：实验验证：装置ICP 等离子体密度轴向分布不同功率下的微波轴向分布共振点附近的等离子体密度和电子温度（2）不同的微波模式 无限大平面波2/1ε=n1122<-=ωωεppd p εε<等离子体相对于石英而言为光疏媒质，微波由石英窗口向等离子体传播时： （i ）反射+折射(ii) 全反射---> 实际情况：微波在光疏媒质中指数衰减。

等离子体分析实验报告摘要: 本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，并简要介绍了等离子体的应用,最后对实验结果进行讨论。

关键词:等离子体、单探针、双探针(一) 引言等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。

在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。

朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。

近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。

（二）实验目的1，了解气体放电中等离子体的特性。

2，利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。

（三）实验原理1，等离子体的物理特性等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。

等离子体有一系列不同于普通气体的特性：（1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。

（2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。

（3）宏观上是电中性的。

描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度e T 。

它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。

（2）带电粒子密度。

电子密度为e n ，正离子密度为i n ，在等离子体中e i n n 。

（3）轴向电场强度L E 。

表征为维持等离子体的存在所需的能量。

（4）电子平均动能e E 。

（5）空间电位分布。

本实验研究的是辉光放电等离子体。

辉光放电是气体导电的一种形态。

当放电管内的压强保持在10～102Pa 时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。

辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图一所示。

8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。

第 41 卷第 2 期航 天 器 环 境 工 程Vol. 41, No. 2 2024 年 4 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING181 https:// E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544一种等离子体溯源测量装置设计及性能测试李 耀，贾军伟*，王青青，武宇婧，常 猛，董学江，郝剑昆，郎 昊，李绍飞，张 韧（北京东方计量测试研究所，北京 100086）摘要：文章设计了一套等离子体溯源测量装置为验证感应耦合等离子体（ICP）源作为校准源的性能，找出满足朗缪尔探针溯源校准的最佳等离子体测试条件，提升测试准确性，采用控制变量法对不同工况下ICP源等离子体电子密度和电子温度的稳定性和均匀性，以及电子密度的重复性进行测试。

结果表明：在放电开始5～20 min内，等离子体电子密度和电子温度的稳定性分别优于99.4%和98.9%；在探针伸入真空腔体内440～480 mm的范围内，等离子体电子密度和电子温度的均匀性分别优于97.2%和93.6%；在等离子体源放电功率100～900 W范围时，等离子体电子密度的重复性优于86.6%，并且多数在92%以上。

本研究可为后续等离子体诊断手段的优化提供参考。

关键词：等离子体源；朗缪尔探针；控制变量法；结构设计；电子密度；电子温度中图分类号：O536; P354.4文献标志码：A文章编号：1673-1379(2024)02-0181-09 DOI: 10.12126/see.2023124Design and performance testing of a plasma traceability measurement device LI Yao, JIA Junwei*, WANG Qingqing, WU Yujing, CHANG Meng, DONG Xuejiang,HAO Jiankun, LANG Hao, LI Shaofei, ZHANG Ren(Beijing Orient Institute of Measurement and Test, Beijing 100086, China)Abstract: A plasma traceability measurement device was designed in this article to verify the performance of the inductively coupled plasma (ICP) as a calibration source. It is to identify the optimal plasma testing conditions that satisfy the traceability calibration of the Langmuir probe, and to improve the test accuracy. The control variable method was used to investigate the stability and uniformity of electron density and electron temperature, the repeatability of electron density of ICP source under different working conditions. The results show that, when the measurement time is within 5-20 min, the stabilities of electron density and electron temperature of plasmas are better than 99.4% and 98.9% respectively. When the probe inserts into the vacuum chamber 440-480 mm, the uniformities of electron density and electron temperature of plasmas are better than 97.2% and 93.6% respectively. When the discharge power of the plasma source is 100-900 W, the repeatability of electron density is better than 86.6%, most of which is superior to 92%. The proposed research may provide a reference for the future optimization of the plasma diagnostic means.Keywords: plasma source; Langmuir probe; control variable method; structural design; electron density; electron temperature收稿日期：2023-08-07；修回日期：2024-03-28基金项目：国家自然科学基金项目（编号：U22B2094）引用格式：李耀, 贾军伟, 王青青, 等. 一种等离子体溯源测量装置设计及性能测试[J]. 航天器环境工程, 2024, 41(2): 181-189 LI Y, JIA J W, WANG Q Q, et al. Design and performance testing of a plasma traceability measurement device[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2024, 41(2): 181-1890 引言等离子体以其独特的物理性质以及广泛的存在形式，一直是航空航天领域的重要研究及应用对象[1]。