專利名稱：大面積均勻等離子體電子密度控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于氣體放電等離子體領域，涉及一種大面積均勻等離子體的電子密度控制裝置，可用于調節與穩定大面積均勻等離子體中的電子密度，進行電磁波在不同電子密度下的等離子體中的傳播實驗。
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。在理論研究過程中，一般將等離子體假設為均勻且穩定的，或者將等離子體按電子密度分層處理，在每一層內電子密度是均勻且穩定的。因此控制等離子體的電子密度長時間的穩定在設定值上有助于對等離子體電磁波傳播開展實驗研究，為理論研究提供驗證。隨著等離子體發生器的工作，等離子體所處環境的溫度等條件都會發生變化，導致電子密度也隨之發生變化，因此要實現等離子體電子密度長時間的穩定，就需要對等離子體實時測量并進行反饋控制。現有地面等離子體的產生裝置主要有激波管、電弧風洞、等離子體噴焰和輝光放電等，它們對電子密度的控制都存在著難以克服的缺點1、激波管利用高壓強差產生的瞬時高溫產生等離子體，持續時間極短，穩定性極差，難以控制。2、電弧風洞和等離子體噴焰產生的等離子體，雖然可以較長時間的工作，電子密度可連續調節，也較為穩定，但由于環境中存在高溫，其電子密度難以測量，一般采用估算方法確定，控制精度極低。3、利用輝光放電產生的等離子體雖然具有易于控制、無惡劣條件、電子密度可連續調節等優點，但由于其根據經驗通過調節功率調節電子密度值，不加反饋控制，如附圖1所示，或者僅通過測量電極間的電壓，推導出電子密度，再進行反饋控制，而等離子體的電子密度值除了與放電功率和電極間的電壓有關外，還與氣體溫度等其它隨時間緩慢變化著的因素有關，所以電子密度的長時間穩定性較差，控制精度較低。
發明內容
本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提供一種大面積均勻等離子體電子密度控制系統，以同時滿足電子密度可連續調節、能長時間穩定和控制精度高的要求，實現對大面積均勻等離子體中電子密度的調節與穩定。為實現上述目的，本發明的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，包括等離子體產生腔體、電源裝置和真空裝置，電源裝置和真空裝置分別與等離子體產生腔體連接，真空裝置用于對等離子體產生腔體進行抽氣和充氣，調整腔體內氣壓和氣體組分；電源裝置用于對等離子體產生腔體內的氣體做功，產生等離子體，其特征在于，還包括一個診斷裝置和一個控制裝置，診斷裝置與等離子體產生腔體連接，控制裝置分別與診斷裝置、電源裝置和真空裝置連接；診斷裝置用于測量出等離子體產生腔體內部的等離子體電子密度值，并將該測量值輸出給控制裝置；控制裝置將等離子體電子密度值與預設的電子密度值比較，并根據比較的差值正負號和絕對值大小，輸出電壓或氣壓控制信號，調節電源裝置的輸出功率或真空裝置的設定氣壓值，使等離子體電子密度穩定在預設值范圍內。上述大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其中所述的等離子體產生腔體包括圓柱形殼體、觀察窗、活頁窗和網狀放電電極；觀察窗和活頁窗分別固定于該圓柱形殼體兩側；該網狀放電電極為圓環形，與圓柱形殼體同軸放置，并通過絕緣膠柱固定于圓柱形殼體內壁，與內壁間距為2 5cm。上述大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其中所述的活頁窗采用鉸鏈和緊固旋鈕與圓柱形殼體固定，并通過擠壓密封膠墊進行密封。上述大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其中所述的圓柱形殼體開有抽氣孔、充氣孔、電極通孔和靜電探針通孔；該抽氣孔和充氣孔分別位于圓柱形殼體環形外壁相對的兩側，并分別連接到真空裝置，作為對等離子體產生腔體抽氣和充氣的通孔；該電極通孔用于連接網狀放電電極和電源裝置的高壓輸出端；該靜電探針通孔上固定有一個靜電探針，該靜電探針的尖端通過靜電探針通孔伸入到等離子體產生腔體內部。上述大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其中所述的網狀放電電極在與靜電探針通孔正對的位置處設有一個通孔，靜電探針的尖端通過該通孔伸入到網狀放電電極內部，并與網狀放電電極保持2 5cm的間距。上述大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其中所述的診斷裝置包括測量單元和光電轉換單元，該測量單元通過屏蔽電纜與靜電探針連接；測量單元通過靜電探針對等離子體的電子密度值進行測量，并將該測量值輸出給該光電轉換單元，光電轉換單元將等離子體的電子密度值轉換為光信號，通過光纖傳遞給控制裝置。上述大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其中所述的電源裝置包括直流電壓源、高頻斬波電路、隔直電容、高頻變壓器和諧振電感；該直流電壓源根據控制裝置的電壓設定值輸出直流電壓，為高頻斬波電路供電，高頻斬波電路將直流電壓轉換為高頻方波，并通過隔直電容與高頻變壓器的初級線圈連接，高頻變壓器次級線圈的一端與該諧振電感連接，另一端連接到地，諧振電感的另一端通過電極通孔連接到等離子體產生腔體的網狀放電電極。上述大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其中所述的真空裝置包括針閥、氣罐、抽氣泵、真空計和真空調節單元；該氣罐通過該針閥與充氣孔連接，該抽氣泵與抽氣孔連接，該真空計連接在抽氣泵和抽氣孔之間，真空計用于測量等離子體產生腔體內的氣壓，并將該測量值輸出給該真空調節單元，真空調節單元將接收自控制裝置的設定氣壓值與氣壓測量值進行比較，并根據差值調節抽氣泵的抽氣速率，使等離子體產生腔體內的氣壓穩定在設定氣壓值范圍內。上述大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其中所述的控制裝置包括控制單元和接口單元；接口單元接收光電轉換單元的光信號并將其轉換為等離子體電子密度值輸出給控制單元，控制單元將該電子密度值與預設的電子密度值進行比較，并根據差值的正負號和絕對值大小輸出電壓控制信號或氣壓控制信號給接口單元，接口單元將電壓控制信號轉換為光信號通過光纖傳遞給直流電壓源，將氣壓控制信號轉換為總線信號并通過總線傳遞給真空調節單元。相比現有的地面等離子體裝置，本發明具有以下優點1、采用控制裝置實時讀取診斷裝置測量出的等離子體電子密度值，并對電源裝置的輸出功率和等離子體產生腔體的氣壓進行實時調節，實現了電子密度的反饋閉環控制，大大提高了等離子體電子密度的穩定性。2、采用診斷裝置直接測量等離子體電子密度，消除了由功率或電極電壓間接推導電子密度引起的誤差，極大地提高了等離子體電子密度的控制精度。3、針對等離子體的電子密度主要受功率和氣壓影響的特性，通過控制裝置控制電源裝置的輸出功率和真空裝置的設定氣壓值在設定范圍內連續變化，實現了等離子體電子密度的連續可調。4、控制裝置采用光纖與診斷裝置和電源裝置這些含有高壓的部分隔離，保證了操作人員及控制裝置安全。下面結合附圖對本發明作進一步說明
附圖1是現有的大面積均勻等離子體產生裝置示意圖；附圖2是本發明大面積均勻等離子體電子密度控制系統示意圖。
具體實施例方式參照附圖2，本發明的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，包括等離子體產生腔體1、診斷裝置2、電源裝置3、真空裝置4和控制裝置5，該診斷裝置2、電源裝置3和真空裝置4分別與等離子體產生腔體1連接，該控制裝置5分別與診斷裝置2、電源裝置3和真空裝置4連接，其中等離子體產生腔體1包括圓柱形殼體114、觀察窗105、活頁窗106、網狀放電電極101、抽氣孔102、充氣孔103、電極通孔104、緊固旋鈕107、鉸鏈108、密封膠墊109、絕緣膠柱110、靜電探針通孔111、靜電探針112和通孔113 ；診斷裝置2，包括測量單元201和光電轉換單元202，其中測量單元采用英國HIDEN公司ESPION型號的等離子體電子密度測量模塊，測量精度可達107cm-3 ；電源裝置3，包括直流電壓源301、高頻斬波電路302、隔直電容303、高頻變壓器304和諧振電感305，該直流電壓源301的輸出電壓范圍是150V 300V，該高頻斬波電路302采用全橋電路，輸出頻率為30kHz，該高頻變壓器304的初次級電壓比為1 2;真空裝置4，包括針閥401、氣罐402、抽氣泵403、真空計404和真空調節單元405 ；控制裝置5，包括控制單元501、接口單元502、光纖503和總線504。上述部件之間的詳細連接關系如下所述等離子體產生腔體1的觀察窗105和活頁窗106分別固定于圓柱形殼體114兩側，活頁窗106通過鉸鏈108與圓柱形殼體114連接，并可以打開，系統工作時，利用緊固旋鈕107將活頁窗106固定在圓柱形殼體114上，并通過擠壓密封膠墊109進行密封。等離子體產生腔體1的圓柱形殼體114環形外壁的上側開有抽氣孔102和靜電探針通孔111，下側開有充氣孔103和電極通孔104，該抽氣孔102和充氣孔103分別連接到真空裝置4的抽氣泵403和針閥401，作為對等離子體產生腔體1抽氣和充氣的通孔；電極通孔104用于連接網狀放電電極101和電源裝置3的諧振電感305，并在連接完成后進行絕緣密封處理；靜電探針通孔111上固定有一個靜電探針112，該靜電探針112的尖端通過靜電探針通孔伸入到等離子體產生腔體1內部。等離子體產生腔體1的網狀放電電極101為圓環形，與圓柱形殼體114同軸放置，并通過絕緣膠柱110固定于圓柱形殼體114內壁，與內壁間距為2 5cm，本實例為3cm。網狀放電電極101在與靜電探針通孔111正對的位置處設有一個直徑4 IOcm的通孔113，本實例為6cm，靜電探針112的尖端通過該通孔113伸入到網狀放電電極101內部，并與網狀放電電極101保持2 5cm的間距，本實例為3cm。所述診斷裝置2的測量單元201通過屏蔽電纜與等離子體產生腔體1的靜電探針112連接；測量單元201通過靜電探針112對等離子體的電子密度值進行測量，并將該測量值輸出給光電轉換單元202，光電轉換單元202將等離子體的電子密度值轉換為光信號，并通過光纖503傳遞給控制裝置5的接口單元502。所述電源裝置3的直流電壓源301根據控制裝置5的電壓設定值輸出直流電壓，為高頻斬波電路302供電，高頻斬波電路302將直流電壓轉換為高頻方波，并通過隔直電容303與高頻變壓器304的初級線圈連接，高頻變壓器304次級線圈的一端與該諧振電感305連接，另一端連接到地，諧振電感305的另一端通過電極通孔104連接到等離子體產生腔體1的網狀放電電極101。所述真空裝置4的氣罐402通過針閥401與等離子體產生腔體1的充氣孔103連接，抽氣泵403與等離子體產生腔體1的抽氣孔103連接，真空計404連接在抽氣泵403和抽氣孔103之間，真空計404用于測量等離子體產生腔體1內的氣壓，并將該測量值輸出給真空調節單元405，真空調節單元405將接收自控制裝置5的設定氣壓值與氣壓測量值進行比較，并根據差值調節抽氣泵403的抽氣速率，使等離子體產生腔體1內的氣壓穩定在設定氣壓值范圍內，設定氣壓值范圍為151 lOOPa。所述控制裝置5的接口單元502接收光電轉換單元202的光信號并將其轉換為等離子體電子密度值輸出給控制單元501，控制單元501將該電子密度值與預設的電子密度值進行比較，并根據差值的正負號和絕對值大小輸出電壓控制信號或氣壓控制信號給接口單元502，接口單元502將電壓控制信號轉換為光信號通過光纖503傳遞給直流電壓源301，將氣壓控制信號轉換為總線信號并通過總線504傳遞給真空調節單元405，其中電子密度的預設值范圍為108cm-3 1012cm-3。本發明的工作原理如下首先，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，控制裝置5設定真空調節單元405維持氣壓為20Pa，抽氣泵403被打開，開始抽氣，真空計404顯示等離子體產生腔體1內的氣壓值，當氣壓穩定在20 時，打開針閥401，向等離子體產生腔體1內充入惰性氣體，此時氣壓開始上升，繼續抽氣，使腔體內充滿惰性氣體；當氣壓再次維持在20 時，控制裝置5設定直流電壓源301輸出300V直流電壓；此時，網狀放電電極101和圓柱形殼體114內壁可等效為一個電容，與諧振電感305 —起工作，使網狀放電電極101和圓柱形殼體114內壁之間的電壓迅速升高，并形成徑向的電場，氣體中少量的自由電子被該電場加速，并與氣體中的原子和分子發生碰撞，將自身的動能傳遞給原子、分子，使其電離出自由電子和正離子來，從而使電子密度增加，電子密度的增加同時也會增大電子與離子復合的速率，最終，電子的產生速率和消失速率達到平衡，電子密度穩定下來。此時，等離子體產生腔體1內的氣體被電離，實現了輝光放電。由于等離子體產生腔體1內氣壓很低，電子自由程很長，電子會通過網狀放電電極101的網孔擴散到環形網狀放電電極101內部，形成大面積均勻等離子體。在工作過程中，診斷裝置2每間隔一秒鐘向控制裝置5傳輸一次測得的電子密度值，控制裝置5將該電子密度測量值與預設值進行比較，若電子密度測量值小于預設值，則提高直流電壓源301的輸出電壓，若直流電壓源的輸出電壓已經最高，則降低等離子體產生腔體1內的氣壓；反之，則降低直流電壓源301的輸出電壓，若直流電壓源301的輸出電壓已經最小，則提高等離子體產生腔體1內的氣壓；直到電子密度值穩定在預設值的容差范圍內時停止調節。系統中，通過控制裝置5對等離子體的電子密度進行實時控制，電子密度的控制精度可以達到107cm-3，并能長時間穩定，同時等離子體產生腔體1的觀察窗105、活頁窗106和空腔一起構成了電磁波傳輸路徑，中間沒有金屬介質阻擋，因此可用于進行電磁波在不同電子密度等離子體中的傳播實驗。以上實例僅是對本發明的參考說明，并不構成對本發明內容的任何限制。
權利要求
1.一種大面積均勻等離子體電子密度控制系統，包括等離子體產生腔體(1)、電源裝置(3)和真空裝置G)，電源裝置(3)和真空裝置(4)分別與等離子體產生腔體(1)連接，真空裝置(4)用于對等離子體產生腔體(1)進行抽氣和充氣，調整腔體內氣壓和氣體組分；電源裝置(3)用于對等離子體產生腔體(1)內的氣體做功，產生等離子體，其特征在于，還包括一個診斷裝置( 和一個控制裝置(5)，該診斷裝置O)與等離子體產生腔體(1)連接，該控制裝置(5)分別與診斷裝置O)、電源裝置(3)和真空裝置(4)連接；診斷裝置(2)用于測量出等離子體產生腔體(1)內部的等離子體電子密度值，并將該測量值輸出給控制裝置(5)；控制裝置( 將等離子體電子密度值與預設的電子密度值比較，并根據比較的差值正負號和絕對值大小，輸出電壓或氣壓控制信號，調節電源裝置(3)的輸出功率或真空裝置的設定氣壓值，使等離子體電子密度穩定在預設值范圍內。
2.根據權利要求1所述的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其特征在于等離子體產生腔體(1)包括圓柱形殼體(114)、觀察窗(105)、活頁窗(106)和網狀放電電極(101)；該觀察窗(105)和活頁窗(106)分別固定于該圓柱形殼體(114)兩側；該網狀放電電極(101)為圓環形，與圓柱形殼體(114)同軸放置，并通過絕緣膠柱(110)固定于圓柱形殼體(114)內壁，與內壁間距為2 5cm。
3.根據根據權利要求2所述的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其特征在于活頁窗(106)采用鉸鏈(108)和緊固旋鈕(107)與圓柱形殼體(114)固定，并通過擠壓密封膠墊(109)進行密封。
4.根據權利要求1或2所述的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其特征在于圓柱形殼體(114)開有抽氣孔(102)、充氣孔(103)、電極通孔(104)和靜電探針通孔(111)；該抽氣孔(10 和充氣孔(10 分別位于圓柱形殼體(114)環形外壁相對的兩側，并分別連接到真空裝置G)，作為對等離子體產生腔體(1)抽氣和充氣的通孔；該電極通孔(104)用于連接網狀放電電極(101)和電源裝置(3)的高壓輸出端；該靜電探針通孔(111)上固定有一個靜電探針(112)，該靜電探針(11 的尖端通過靜電探針通孔伸入到等離子體產生腔體(1)內部。
5.根據權利要求2或4所述的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其特征在于，網狀放電電極(101)在與靜電探針通孔(111)正對的位置處設有一個通孔(113)，靜電探針(112)的尖端通過該通孔(113)伸入到網狀放電電極(101)內部，并與網狀放電電極(101)保持2 5cm的間距。
6.根據權利要求1所述的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其特征在于，診斷裝置( 包括測量單元(201)和光電轉換單元002)，該測量單元(201)通過屏蔽電纜與靜電探針(11 連接；測量單元O01)通過靜電探針(11 對等離子體的電子密度值進行測量，并將該測量值輸出給該光電轉換單元002)，光電轉換單元(20 將等離子體的電子密度值轉換為光信號，通過光纖(50 傳遞給控制裝置(5)。
7.根據權利要求1所述的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其特征在于電源裝置(3)包括直流電壓源(301)、高頻斬波電路(302)、隔直電容(30 、高頻變壓器(304)和諧振電感(305)；該直流電壓源(301)根據控制裝置(5)的電壓設定值輸出直流電壓，為高頻斬波電路(302)供電，高頻斬波電路(30 將直流電壓轉換為高頻方波，并通過隔直電容(30 與高頻變壓器(304)的初級線圈連接，高頻變壓器(304)次級線圈的一端與該諧振電感(305)連接，另一端連接到地，諧振電感(305)的另一端通過電極通孔(104)連接到等離子體產生腔體(1)的網狀放電電極(101)。
8.根據權利要求1或4所述的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其特征在于真空裝置(4)包括針閥001)、氣罐002)、抽氣泵003)、真空計(404)和真空調節單元(405)；該氣罐(40 通過該針閥001)與充氣孔(10 連接，該抽氣泵003)與抽氣孔(103)連接，該真空計(404)連接在抽氣泵(403)和抽氣孔(103)之間，真空計(404)用于測量等離子體產生腔體(1)內的氣壓，并將該測量值輸出給該真空調節單元005)，真空調節單元(40 將接收自控制裝置(5)的設定氣壓值與氣壓測量值進行比較，并根據差值調節抽氣泵(40 的抽氣速率，使等離子體產生腔體(1)內的氣壓穩定在設定氣壓值范圍內。
9.根據權利要求1所述的大面積均勻等離子體電子密度控制系統，其特征在于，控制裝置(5)包括控制單元(501)和接口單元(502)；接口單元(502)接收光電轉換單元(2)的光信號并將其轉換為等離子體電子密度值輸出給控制單元(501)，控制單元(501)將該電子密度值與預設的電子密度值進行比較，并根據差值的正負號和絕對值大小輸出電壓控制信號或氣壓控制信號給接口單元(502)，接口單元(50 將電壓控制信號轉換為光信號通過光纖(503)傳遞給直流電壓源(301)，將氣壓控制信號轉換為總線信號并通過總線(504)傳遞給真空調節單元(405)。
全文摘要
本發明公開了一種大面積均勻等離子體電子密度控制系統，主要解決目前等離子體電磁波傳播實驗裝置中電子密度不可連續調節、長時間穩定性差和控制精度低的問題。整個系統包括等離子體產生腔體(1)、診斷裝置(2)、電源裝置(3)、真空裝置(4)和控制裝置(5)，控制裝置(5)通過讀取診斷裝置(2)測得的電子密度值，與預設的電子密度值比較，并根據比較的差值輸出電壓或氣壓控制信號，調節電源裝置(3)的輸出功率或真空裝置(4)的設定氣壓值，使等離子體電子密度穩定在預設值范圍內。本發明利用反饋控制原理，實現了對大面積均勻等離子體中電子密度的調節與穩定，可用于進行電磁波在不同電子密度等離子體中的傳播實驗。
文檔編號H05H1/00GK102573257SQ20121000636
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者劉東林, 劉彥明, 李小平, 楊敏, 石磊, 謝楷, 高平 申請人:西安電子科技大學