基于调制射频的动态等离子体产生装置的制作方法

本发明属于气体放电等离子体领域，涉及一种等离子体产生装置，具体涉及一种基于调制射频的动态等离子体产生装置，可用于电波实验测试领域。

背景技术：

研究电磁波在等离子体中的传播特性，以及等离子体与电磁波的相互作用是航天飞行器再入、电离层研究、等离子体隐身技术等研究工作的基础和关键内容，其中地面实验是验证理论研究以及开展飞行试验的关键环节，具有重要意义。等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈现电中性，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态。随着人们对问题研究的深入，认识到等离子体的动态变化会对电磁波的传播产生严重影响，使得电磁波信号表现出与稳态等离子体完全不同的现象，有些甚至还没有得出合理的解释，但是现有实验设备对等离子体动态性控制能力严重欠缺，因此限制了动态等离子体下电磁科学问题的发展。

目前，可进行等离子体中电磁波传播实验的等离子体产生方式主要分为三大类：

1、第一类是基于高速气动原理产生等离子体，以激波管为代表，其原理是通过试验气体爆炸产生的激波驱动产生等离子体，但是其试验时间极短，仅为数百微秒～数十毫秒，难以产生所需的动态性。

2、第二类是加热气体产生高温使气体电离产生等离子体，以电弧风洞为代表，其原理是通过加热气体使气体温度达到上千摄氏度，电离产生等离子体后再喷射到实验仓内进行实验，但是其无法产生快速变化的等离子体，且其产生的等离子体温度过高，不利于开展电磁传播实验。

3、第三类是低气压非平衡放电产生等离子体，以辉光放电为代表，其原理在置有电极的腔体内充入低压气体，当两极间电压较高时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。特征是电流强度较小，温度不高，故腔体内有特殊的亮区和暗区，出现发光现象。但是现有的等离子体设备产生的等离子体密度变化频率只是与等离子体电源频率有关，无法产生具有任意频谱类型的动态等离子体。例如，中国专利申请，授权公告号CN102781155B，名称为“带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生装置”的发明专利，公开了一种带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生装置及方法，包括等离子体产生腔体、环形高压电极、电源、冷却系统和真空系统，其等离子体产生腔体设置有圆柱形腔体的筒状结构，侧壁设置有电极接口，在电极接口内安装有绝缘密封块，环形高压电极通过绝缘密封块与电极接口相连，实现对等离子体放电腔体密闭；环形高压电极与冷却系统相连，对其进行冷却；在等离子体产生腔体的外表面装有散热片，用来对等离子体产生腔体进行冷却；真空系统与等离子体产生腔体相连，用于对等离子体产生腔体进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源用于对等离子体产生腔体内的气体做功，产生等离子体。本发明具有以下优点：最大注入功率得到大大提高，产生的大面积等离子体电子密度更高。它采用内置环形高压冷却电极与腔体内壁间施加高压产生等离子体，电极内部通有冷却液，再利用低气压下电子的平均自由程比较长的特点，电子通过电极间隙扩散到电极内部，从而产生了通透的大面积均匀等离子体。它克服了电极融化，金属粒子进入真空腔室，污染等离子体以及电极温度升高后，热电子发射加剧，使辉光放电的稳定性变差，并最终发展为弧光放电的缺点。但是上述技术中等离子体的动态性变化较弱，无法产生具有人为任意设定频谱类型的动态等离子体，以及现有的大面积均匀非磁化等离子体产生装置可注入的最大功率比较低，导致电子密度无法进一步提高，另外利用散热片对等离子体产生腔体进行冷却，散热效果不佳。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述已有技术的存在的缺陷，提出了一种基于调制射频的动态等离子体产生装置，用于解决现有低气压非平衡放电等离子体产生装置存在的等离子体人为控制难及动态性能差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于调制射频的动态等离子体产生装置，包括等离子体放电腔体、环形高压电极、真空系统和冷却系统，其中，

所述等离子体放电腔体，采用设置有圆柱形腔体的筒状结构，其两端分别设置有第一透波窗口和第二透波窗口，侧壁上设置有电极接口；

所述环形高压电极，安装在等离子体放电腔体的腔体内；

所述真空系统，与等离子体放电腔体相连，用于调节圆柱形腔体内的气压和气体组分；

所述冷却系统，与等离子体放电腔体及环形高压电极相连；

所述电极接口内安装有绝缘密闭块，该电极接口上依次连接有射频屏蔽接口、射频匹配器和调制射频电源；所述射频屏蔽接口，用于屏蔽射频匹配器与环形高压电极之间产生的电磁辐射；所述射频匹配器与环形高压电极连接，用于对动态等离子体负载进行实时匹配；所述调制射频电源，用于给环形高压电极和等离子体放电腔体内壁间施加高压调幅波信号，该调制射频电源输入端连接有等离子体动态波形发生器，用于产生动态等离子体所需的波形信号；所述第一透波窗口和第二透波窗口的外侧分别设置有第一电磁实验屏蔽仓和第二电磁实验屏蔽仓，该两个电磁实验屏蔽仓固定在等离子体放电腔体上，用于屏蔽等离子体放电过程中产生的电磁辐射。

上述基于调制射频的动态等离子体产生装置，所述等离子体放电腔体采用防电磁辐射材料，其侧壁采用中空结构。

上述基于调制射频的动态等离子体产生装置，所述环形高压电极，采用中空结构，其内部充有冷却液。

上述基于调制射频的动态等离子体产生装置，所述调制射频电源包括信号接口单元、本振单元、乘法器单元和射频放大器单元；所述信号接口单元用于接收波形信号；所述本振单元用于产生本振信号；所述乘法器单元用于将波形信号和本振信号相乘以获取并输出调幅波信号；所述射频放大器单元用于将调幅波信号进行功率放大。

上述基于调制射频的动态等离子体产生装置，所述射频屏蔽接口，采用防电磁辐射材料，形状为空心长方体结构。

上述基于调制射频的动态等离子体产生装置，所述第一电磁实验屏蔽仓和第二电磁实验屏蔽仓，均采用金属防电磁辐射材料，形状为一端封闭的圆柱形壳体，该两个电磁实验屏蔽仓的封闭端设有微波传输电缆接口，其中第一电磁实验屏蔽仓封闭端还设有观察窗。

上述基于调制射频的动态等离子体产生装置，所述第一透波窗口采用透明透波材料，所述第二透波窗口采用高分子透波材料。

上述基于调制射频的动态等离子体产生装置，所述绝缘密闭块上设置有两个小孔，用于穿过环形高压电极的两个端口，并实现对等离子体放电腔体密闭。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于在电极接口上依次连接有射频屏蔽接口、射频匹配器、调制射频电源、等离子体动态波形发生器，等离子体动态波形发生器产生动态等离子体所需的波形信号，将波形信号输出给调制射频电源调制放大后，再输出给射频匹配器，给环形高压电极施加高压并提供调幅波信号，在等离子体放电腔体内部产生人为可控的动态等离子体，与现有等离子体电磁波实验装置相比可以产生具有一定频谱的动态等离子体，提高了动态等离子体的动态性，且动态等离子体的平均值及频谱可以人为预先设定，从而为电磁波传播实验提供了灵活可变且变化规律可控的动态等离子体，使研究不同条件动态等离子体下的电磁波传播规律成为可能。

2、本发明由于等离子体放电腔体侧壁采用与冷却系统相连的中空结构，并充有冷却液，加快了等离子体放电腔体放电产生热量与冷却液的交换速率，与现有等离子体电磁波实验装置相比，有效地提高了等离子体放电腔体散热的效率。

3、本发明由于等离子体放电腔体两端设置有第一透波窗口和第二透波窗口，并在两个透波窗口外侧分别设置有第一电磁实验屏蔽仓和第二电磁实验屏蔽仓，该两个电磁实验屏蔽仓固定在等离子体放电腔体上，屏蔽等离子体放电过程中产生的电磁辐射，在等离子体放电腔体的电极接口设置有射频屏蔽接口，用于屏蔽射频匹配器与环形高压电极之间产生的电磁辐射，与现有等离子体电磁波实验装置相比，有效地提高了外部辅助测量仪器测量的准确性，同时降低了电磁辐射对人造成的危害。

附图说明

附图1为本发明的整体结构示意图；

附图2为本发明调制射频电源的内部结构示意图；

附图3为本发明射频屏蔽接口的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明包括等离子体放电腔体1、环形高压电极2、真空系统3、冷却系统4、等离子体动态波形发生器5，调制射频电源6、射频匹配器7、射频屏蔽接口8以及第一电磁实验屏蔽仓9和第二电磁实验屏蔽仓10。

等离子体放电腔体1包括第一透波窗口101和第二透波窗口102、电极接口103和绝缘密闭块11。等离子体放电腔体1采用设置有圆柱形腔体的筒状结构，其两端分别设置有第一透波窗口101和第二透波窗口102，侧壁上设置有电极接口103，电极接口103的内部放置有绝缘密闭块11。考虑所用材料便于获取以及利于观察等离子体放电腔体1中的等离子体放电现象和开展电磁波传播实验，本实施例中等离子体放电腔体1采用不锈钢材料，第一透波窗口101和第二透波窗口102分别利用石英玻璃材料和聚四氟乙烯材料做成，绝缘密闭块11采用聚四氟乙烯材料；另外，考虑等离子体放电腔体1正常放电及安全问题，需要对等离子体放电腔体1接地。

环形高压电极2采用中空结构，其内部充有冷却液，安装在圆柱形腔体内部，穿过绝缘密闭块11并固定在电极接口103上，其两个端口与冷却系统4相连。考虑所用材料便于获取以及所需冷却液散热效果好和对腔体腐蚀性小的特点，本实施例中环形高压电极2采用不锈钢材料，冷却液采用去离子水。

真空系统3与等离子体放电腔体1相连，用于调节圆柱形腔体内的气压和气体组分。考虑等离子体放电需要低压且无杂质的气体环境，本实施例中等离子体放电腔体1内部气压为5Pa，通入的气体为氩气。

第一电磁实验屏蔽仓9包括微波传输电缆接口；第二电磁实验屏蔽仓10包括微波传输电缆接口和观察窗，该两个电磁实验屏蔽仓9和10的形状为一端封闭的圆柱形壳体，在封闭端均设有微波传输电缆接口，在微波传输电缆接口上固定有天线，进行电磁波的发射与接收，其中第一电磁实验屏蔽仓9封闭端还设有观察窗。考虑需要用金属防电磁辐射材料以及防止观察窗上的电磁辐射，本实施例中在观察窗上覆盖防电磁辐射铜丝网，第一电磁实验屏蔽仓9和第二电磁实验屏蔽仓10采用不锈钢材料制成，用于屏蔽等离子体放电过程中产生的电磁辐射。

参照图2，本发明调制射频电源6包括信号接口单元61、本振单元62、乘法器单元63和射频放大器单元64。信号接口单元61用于接收等离子体动态波形发生器5产生的波形信号，本振单元62产生本振信号，利用乘法器单元将波形信号和本振信号相乘获取并输出调幅波信号，射频放大器单元将调幅波信号进行功率放大。考虑到调制射频电源6对外部电磁辐射及安全问题，需要调制射频电源6接地，本实施例中采用铜织线进行接地。

参照图3，本发明射频屏蔽接口8包括金属屏蔽罩81和金属盖板82，金属盖板82通过螺栓固定在金属屏蔽罩81。考虑需要用金属防电磁辐射材料，本实施例中金属屏蔽罩81和金属盖板82采用不锈钢材料制成，可以屏蔽射频匹配器7与环形高压电极2之间产生的电磁辐射。

上述等离子体放电腔体1与冷却系统4相连，通过采用冷却管路给等离子体放电腔体1进行冷却；环形高压电极2安装在等离子体放电腔体1内部，环形高压电极2两个端口与冷却系统4相连，冷却系统4通过采用冷却管路给环形高压电极2进行冷却，本实施例中所用的冷却管路为绝缘硅胶冷却管路；真空系统3与等离子体放电腔体1相连，用于调节圆柱形腔体内的气压和气体组分；等离子体放电腔体1上依次连接有射频屏蔽接口8、射频匹配器7和调制射频电源6，射频屏蔽接口8的两端通过螺栓与射频匹配器7和等离子体放电腔体1固定；射频匹配器7与环形高压电极2通过耐高压导线连接，本实施例中耐高压导线采用厚度3mm，宽度2cm的铜板；调制射频电源6输出端与射频匹配器7相连，用于给环形高压电极2和腔体内壁间施加高压调幅波信号，调制射频电源6输入端连接有等离子体动态波形发生器5，用于产生动态等离子体所需的具有一定频谱、且幅度可变的非负波形信号，本实施例中采用的波形信号有带偏置的方波信号、正弦信号、粉红噪声信号等；等离子体放电腔体1上设置有第一电磁实验屏蔽仓9和第二电磁实验屏蔽仓10，该两个电磁实验屏蔽仓9和10通过螺栓固定在等离子体放电腔体1上。

本发明的工作原理如下：

首先对真空腔体进行抽真空，产生辉光放电所需的低气压环境，然后等离子体动态波形发生器产生具有一定频谱的波形信号，输出给调制射频电源，调制射频电源将该波形信号与射频本振信号进行相乘得到调幅波信号，再将该调幅波信号进行功率放大后施加到环形高压电极和腔体内壁之间，使气体击穿产生等离子体，由于在低气压下电子的平均自由程比较长，电子将会扩散到腔体的中间，从而产生无金属遮挡的大面积等离子体；另一方面由于等离子体的电子密度与施加的放电功率近似呈线性关系，因此产生的等离子体电子密度的平均值与等离子体动态波形发生器产生的波形信号平均值相对应，而等离子体电子密度的频谱与等离子体动态波形发生器产生的波形信号的频谱相对应。装置采用射频电源作为等离子体电源，不可避免的将会产生较强的电磁辐射，进而影响实验中其它设备的正常工作，尤其是为开展电磁波传播实验，腔体两侧开有两个透波窗口，在射频放电过程中将会通过透波窗口对外产生很强的电磁辐射，因此本发明对装置的电磁屏蔽进行了特殊设计，利用射频屏蔽接口抑制射频匹配器和腔体之间的电磁辐射泄露，在两个透波窗口的两侧装有电磁实验屏蔽仓，抑制通过透波窗口的电磁辐射，同时电磁实验屏蔽仓也降低了电磁波通过等离子体以外路径产生的绕射影响。

以上实施例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制。