微波探針在等離子體中的仿真和實(shí)驗(yàn).pdf

1、在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是材料制備中，等離子體技術(shù)是關(guān)鍵的技術(shù)之一，尤其在半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)中，發(fā)揮了重要作用。在高溫領(lǐng)域，等離子體技術(shù)是研究可控核聚變的唯一技術(shù)途徑，主要實(shí)驗(yàn)裝置有仿星器、托卡馬克、反場(chǎng)箍縮、磁鏡和球馬克，在眾多實(shí)驗(yàn)裝置中托卡馬克獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。為從多種途徑研究可控核聚變問(wèn)題，中科大KTX實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并且建造了國(guó)內(nèi)首個(gè)反場(chǎng)箍縮可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，并且實(shí)現(xiàn)了15ms的脈沖放電。中科大孫玄教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建造了國(guó)內(nèi)首個(gè)也是最大的

2、一個(gè)串節(jié)磁鏡實(shí)驗(yàn)裝置，取得了豐富的研究成果。
　　為了克服靜電探針診斷等離子體參數(shù)存在的諸多問(wèn)題，發(fā)展了很多其他診斷方式，如光譜診斷，微波診斷等，其中微波探針是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高的非介入式診斷方法。其理論依據(jù)主要有兩種，一是通過(guò)測(cè)量等離子體的等效介電常數(shù)，反推等離子體密度。另一種方法是測(cè)量微波在天線和等離子體交界面形成的表面波，通過(guò)表面波的色散關(guān)系反推等離子體密度。
　　論文主要介紹了以下工作成果，即外差微波電路的概

3、念設(shè)計(jì)與搭建測(cè)試，并且借鑒微波反射計(jì)和矢網(wǎng)數(shù)據(jù)分析方法，發(fā)展了適用于此套電路的數(shù)據(jù)處理方法;從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面入手，研究了微波探針在磁化等離子體中的諧振特點(diǎn)，初步結(jié)論可知微波探針在磁化等離子中形成的共振峰與磁場(chǎng)密切相關(guān);最后介紹了針對(duì)針對(duì)空間電磁波進(jìn)行濾波的頻率選擇表面。
　　論文中結(jié)合微波探針，設(shè)計(jì)了一套用于提高微波探針測(cè)量精度的外差微波電路系統(tǒng)。利用4MHz作為調(diào)制頻率，通過(guò)分析電路中頻信號(hào)的幅度和相位信息能夠反推微波探針的諧

4、振頻率，進(jìn)而完成等離子體密度信息的測(cè)量任務(wù)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換得到時(shí)域脈沖波形，進(jìn)一步可反推反射點(diǎn)的空間位置。因此微波電路能夠替代矢網(wǎng)，完成諧振頻率的測(cè)量。
　　隨后，論文從仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)入手，研究了微波探針應(yīng)用到磁化等離子體環(huán)境時(shí)的新現(xiàn)象。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)微波探針在磁化等離子體中形成的諧振頻率是與電子回旋頻率相關(guān)的。計(jì)算中借助了CST高頻電磁仿真模塊，通過(guò)定義等離子體頻率、碰撞頻率、電子回旋頻率來(lái)定義磁化等離子體，計(jì)算中通過(guò)對(duì)

5、比不同參數(shù)設(shè)置下的計(jì)算案例，發(fā)現(xiàn)，微波探針在磁化等離子體中形成的諧振頻率只與預(yù)設(shè)的電子回旋頻率有關(guān)。并且我們從實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了論證，ICP放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)在源附近構(gòu)建永磁體，當(dāng)?shù)入x子體擴(kuò)散至磁場(chǎng)區(qū)域就形成了局域磁化的等離子體。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微波探針的諧振頻率只與局域磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，與仿真結(jié)果相同。
　　文章最后介紹了有關(guān)頻率選擇表面的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。通過(guò)仿真計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)高通濾波板是波長(zhǎng)敏感器件，并且在波導(dǎo)中有規(guī)律的填充介質(zhì)可以提高通帶