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介质波导激发微波等离子体和微秒脉冲等离子体的实验研究

作　者: 聂宗福
导　师: 梁荣庆
学　校: 复旦大学
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: 介质波导表面波等离子体电子密度电子温度脉冲等离子体推进器 Stark展宽
分类号: O53
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着人类对等离子体认识的深入,等离子体技术现在广泛被应用于能源、物质与材料、环境与宇宙三大领域。特别是在航空航天领域,传统的推进系统已经无法完成行星探测和深空探测以及星际航行等空间探测任务,发展电推进系统是可行性方案之一。此外,等离子体还可以应用在生物传感器和癌症治疗等方面。本论文工作着重从微波放电和电推进两方面的实际应用展开基础物理实验研究,即对介质波导激发微波等离子体和脉冲等离子体推进器（PPT）产生的脉冲等离子体进行相关物理实验研究。本论文工作主要内容如下:1)在导师指导和同学协助下,完成微波放电和脉冲等离子体推进器实验平台搭建。加工制作适合传导微波的圆柱形Teflon棒及其配套设备;制作适用于该等离子体源珍断的探针系统。调试脉冲等离子体推进器电源系统,特别是点火系统,包括点火电路和火花塞种类的选择。2)对圆柱形介质波导耦合微波所激发的模式进行了分析,并对这种等离子体源随功率增加而变化的过程进行了解释。在介质棒近表面获得量级为10¹² cm^-3的高密度等离子体。朗谬尔探针测量结果为径向上的电子密度基本呈现线性减小而电子温度有指数减小的趋势,两者均随微波功率的增加而增加;轴向上电子温度和密度均沿等离子体产生方向减小;当压强由20 Pa变为40 Pa时,在径向上电子密度增加而电子温度减小。3)利用电磁理论知识对在实验过程中出现的驻波现象进行了解释。在实验中,我们观察到当微波传至介质棒末端后,介质棒中的入射波和发射波形成驻波。而且随着入射微波功率的继续增加,介质棒的亮度以及棒上表现出来的驻波节点数都发生明显的变化。4)首次利用Stark展宽的方法测量了PPT放电通道中的电子密度。通过卷积和反卷积程序分离高斯线型和洛仑兹线型,从而得到Stark展宽的半宽度,得出PPT放电通道中等离子体中电子密度的数量级为10²² m^-3。当主电容放电能量增加时,电子密度也是增加的,但是增加的幅度相对来说比较小。其实验结果与其它的实验值和理论值比较一致。并且利用图表法获得电子温度,基本上不随主电容放电能量的增加而发生变化。定性得到电子温度随电极间距增加是减小的,而随电极宽度增加而增加。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
第一章引言  8-11
  1.1 选题背景与意义  8-10
  1.2 作者的研究内容和成果  10-11
第二章介质棒波导激发等离子体  11-21
  2.1 介质棒波导激发等离子体源发展的背景及其优点  11
  2.2 介质棒引导微波产生等离子体  11-12
  2.3 电磁波在介质波导中的传播  12-21
    2.3.1 圆柱形介质波导导波的电磁场分布及特征方程  12-15
    2.3.2 介质波导中导波传播模式及其截止条件  15-18
    2.3.3 色散特性和单模工作条件  18-21
第三章介质波导激发微波等离子体实验和结果分析  21-35
  3.1 实验装置  21-23
  3.2 等离子体诊断的探针系统  23-28
  3.3 实验结果及分析  28-33
  3.4 模式变化  33-35
第四章基于脉冲等离子体推进器(PPT)需要的脉冲等离子体实验装置及实验现象  35-42
  4.1 真空系统  35-36
  4.2 脉冲放电装置  36-39
  4.3 PPT放电的实验现象  39-42
第五章 PPT中脉冲等离子体的实验研究  42-52
  5.1 PPT中等离子体的诊断方法  42-48
    5.1.1 四重朗谬尔探针法  42-45
    5.1.2 离子能量分析法  45-46
    5.1.3 发射光谱法  46-48
  5.2 PPT放电通道中的等离子体参数  48-52
第六章总结与展望  52-54
参考文献  54-59
在校期间的科研成果和发表论文  59-60
致谢  60-62

介质波导激发微波等离子体和微秒脉冲等离子体的实验研究

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