高功率微波介质窗击穿真空侧等离子体诊断装置及方法与流程

本发明属于高功率微波等离子体诊断技术领域，特别涉及一种单次纳秒级微波脉冲内实时等离子体发光光谱随时间和空间演化的方法。

背景技术：

高功率微波(High Power Microwave，HPM)是指峰值功率超过100MW，频率1GHz～300GHz的电磁辐射。HPM在科研、民用和国防领域具有非常广阔的应用前景。主要应用包括：(1)通过电子回旋共振机制对受控热核等离子体加热；(2)用于高功率短脉冲雷达，实现较宽频带下精确分辨被探测和跟踪的目标；(3)为地球和太空之间传输能量，为宇宙飞船发射到太空轨道或者轨道之间变换提供能量；(4)用于高能粒子射频加速器，进行高能物理、核物理科学研究；(5)用于HPM定向能武器；将HPM通过定向天线辐射，用高功率、高方向性的窄微波束瞬时照射目标，击穿或烧毁敌方现代化武器系统的关键电子设备，可有效攻击雷达、通信设备、计算机、飞机和导弹等，HPM武器已成为未来高新技术战场上可选择的杀手锏武器。

在高功率微波产生装置中，介质窗保证微波产生所需的真空环境、辐射微波，是必不可缺的重要部件。随着高功率微波器件的峰值功率和脉冲宽度的提高，特别是大功率、小型化微波装置的研制，介质窗微波表面击穿已经成为限制高功率微波传输与发射系统功率提高的主要瓶颈。击穿主要发生在介质窗的真空侧，它由二次电子倍增触发，是在介质表面释放气体层中的等离子体电离雪崩放电。

高功率微波介质窗击穿实验发现不同空间位置的等离子体发光也有不同，因此，需要在单次微波脉冲中诊断等离子体谱线的空间分布。

由于高功率微波介质窗真空表面的等离子体通常存在一定的空间不均匀性，发射光谱也随之呈现空间非均匀。观测介质窗真空侧击穿产生等离子体的发光光谱，可根据光谱反推等离子体的元素成分、密度、温度及其时间分布和空间分布(竖向和沿微波传播方向)，从而更深入地认识其机制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种高功率微波介质窗击穿真空侧等离子体诊断装置及方法，位于纳秒放电的光发射时间内，可以实现x、y和z方向的等离子体时间和三维空间演化诊断。

本发明的技术解决方案是提供一种高功率微波介质窗击穿真空侧等离子体诊断方法，包括以下步骤：

1)馈源喇叭内不同空间位置的等离子体发光同时通过设置在馈源喇叭侧壁上三个方向的多个子光纤束引出；所述子光纤束包括多个长度不同的光纤，相邻光纤之间的长度差相等，长度差为光谱仪时间分辨率与光速的乘积，所述三个方向包括与电场极化方向平行的Y方向，与电场极化方向垂直的X方向，以及与微波传输方向平行或有一定夹角的Z方向；

2)光谱仪同时采集所有子光纤束的光谱，测量等离子体的发射光谱的空间分辨；

3)对每个等离子体光谱进行斯塔克展宽和热多普勒展宽，得到等离子体发光谱线的展宽，按照洛仑兹和高斯分布函数反卷积获得斯塔克展宽的半高宽以得到等离子体密度，再按照洛仑兹和高斯分布函数反卷积获得热多普勒展宽以得到等离子体的温度；

4)通过多个子光纤束同时得到等离子体的时空分布，所述时空分布包括不同时刻、不同空间位置的等离子体的密度和能量参数。

上述Z方向的多个子光纤束与微波传输方向的夹角为馈源喇叭张角的余角。

上述X方向的子光纤束对准介质窗的三象限和四象限；上述Y方向的子光纤束对准介质窗的二象限和三象限；上述Z方向的子光纤束对准介质窗的三象限。

本发明还提供一种高功率微波介质窗击穿真空侧等离子体诊断装置，包括馈源喇叭、位于馈源喇叭底部的介质窗、光纤束、光谱仪和相机，其特殊之处在于：上述馈源喇叭靠近介质窗的侧壁上分别在沿着三个方向开有矩阵阵列光纤孔；上述三个方向包括与电场极化方向平行的Y方向，与电场极化方向垂直的X方向，以及与微波传输方向平行或有一定夹角的Z方向；

上述光纤束包括多个子光纤束；上述子光纤束包括多个长度不同的光纤；上述子光纤束的数量与与光纤孔相同；上述子光纤束的输入端分别插入所述光纤孔中；上述光纤束的输出端的光纤以单排方式依次与光谱仪输入端连接，上述光谱仪的输出端与相机连接；

任意相邻光纤孔之间的间距不小于两倍光纤直径距离，光纤束输出端相邻光纤的间距不小于两倍光纤直径距离。

上述X方向的矩阵阵列光纤孔对准介质窗的三象限和四象限；上述Y方向的矩阵阵列光纤孔对准介质窗的二象限和三象限；上述Z方向的矩阵阵列光纤孔对准介质窗的三象限。

优选的，相邻光纤孔之间的间距相同；同一子光纤束内输出端相邻光纤之间的长度差相等，长度差为与光谱仪时间分辨率与光速的乘积。

优选的，上述光纤束还包括多根定位光纤，上述定位光纤的输出端位于相邻子光纤束之间，上述定位光纤的输入端遮光处理。

上述Z方向的多个子光纤束与微波传输方向的夹角为馈源喇叭张角的余角。

上述不同子光纤束的结构参数相同，所述矩阵阵列光纤孔为10×2结构。

本发明的有益效果是：

本专利发明了一种实时诊断高功率微波介质窗真空表面等离子体时空分辨的装置，通过该装置能够在单次微波脉冲内诊断等离子体的时间和空间分布。

附图说明

图1为本发明诊断装置；

图2为带有水平X方向、竖直Y方向和微波传输Z方向的光纤孔的喇叭侧视图；

图3为带有水平X方向、竖直Y方向和微波传输Z方向的光纤孔的喇叭正视图；

图4为实施例中的发光图像，光谱仪是单排，图中靠数量区分不同方向；

图5为实施例中的实验谱线。

图中附图标记为：1-馈源喇叭，2-沿Y方向的光纤孔，3-沿X方向的光纤孔，4-沿Z方向的光纤孔，5-内凹面的介质窗，6-光纤束，7-光谱仪，8-相机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，为本发明诊断装置示意图，包括在侧壁上分别在沿着三个方向开有矩阵阵列光纤孔的喇叭、多光纤束、内凹面介质窗(内凹面确保光纤能够从介质窗真空侧的正侧方观察发光)、光谱仪和EMICCD相机，光纤束的输入端分别插入光纤孔中；光纤束的输出端的光纤以单排方式依次与光谱仪输入端连接，光谱仪的输出端与相机连接；上述三个方向包括与电场极化方向平行的Y方向，与电场极化方向垂直的X方向，以及与微波传输方向平行或有一定夹角的Z方向。

光纤孔包括沿水平X方向的M个、并在纵向Z方向重复N排的光纤孔(简写为N排乘以M列光纤孔)，每排M个光纤孔用于诊断不同角向的等离子体光谱空间分布，N排光纤孔用于诊断纵向Z方向的光谱空间分布。同理，喇叭另一侧面开O排乘以P列的光纤孔，每排P个光纤孔(沿Y方向)用于诊断不同竖直位置的光谱空间分布，O排光纤孔(沿Z方向)用于诊断纵向Z方向的光谱空间分布。喇叭侧面还开沿着Q排乘以L列的光纤孔，每排L个光纤孔(沿Z方向)用于观察沿着微波传输方向的光谱空间分布，Q列光纤孔(沿X方向)用于诊断等沿角向的光谱空间分布。

X方向的矩阵阵列光纤孔对准介质窗的三象限和四象限；Y方向的矩阵阵列光纤孔对准介质窗的二象限和三象限；Z方向的矩阵阵列光纤孔对准介质窗的三象限。

多光纤束共分为R个子束，代表可实现R分幅成像。多光纤束的每个子束包含若干根长度不同的光纤，用于传输同一空间位置不同时间的发光；光纤长度可呈等差数列，长度之差与光速之商即为时间分辨率。为采集不同空间位置的等离子体发光，多光纤束的子束插入喇叭的光纤孔。Z方向的多个子光纤束与微波传输方向的夹角为馈源喇叭张角的余角。为避免每个子束所搜集的发光在空间上发生重叠，输入端的孔间距(可相同或不同)应不小于两倍光纤直径距离，在输出端的孔间距也应越大越好，同时应结合光谱仪入口狭缝的长度而定。不同子光纤束的结构参数相同。光纤束还可以包括多根定位光纤，定位光纤的输出端位于相邻子光纤束之间，定位光纤的输入端遮光处理，具体实现方法：可通过光纤束紧密排成纵排列，中间隔的两个光纤头被集中蒙住、不给输入光。EMICCD相机，同时采集R路光谱。这样，可以对等离子体的发射光谱进行空间分辨的测量。通过对R幅子光谱的识别，可进行时间分辨的测量。

等离子体发光谱线的展宽可按照斯塔克展宽、热多普勒展宽来分析，按照洛仑兹和高斯分布函数反卷积获得斯塔克展宽的半高宽以得到等离子体密度、热多普勒展宽以得到发射体的温度，具体请参见Konjevic,Roberts,J.Phys.Chem.Ref.Date 209,1996及Konjevic,Phys.Rep.316,339,1999。因此，可通过多光纤束同时得到不同时刻、不同空间位置的等离子体的密度和能量参数，获得其时空分布。

本实施例中馈源喇叭(靠近介质窗处)上排列2列光纤孔，一列沿竖向(y向)，另一列沿水平方向(x向)；10根子光纤束分别插入y和x两个方向的10个光纤孔(每个方向各5根)，然后聚成一束总光纤束，在光谱仪狭缝入口成纵向排列。子光束之间的空间隔离距离3个光纤的直径，避免相邻子光束中光在空间上耦合。总光纤束连接到光谱仪的输入口，光谱仪的输出口连接高速相机，空间分辨率13um/px。其中5个空间分隔的光斑如图4所示。

多光纤束与光谱仪联合，可实时多分幅探测整个光谱的空间分布情况。典型的实验谱线如图5所示，从上至下分别为roi2、4、6、8、10，对应观察区域为竖向从上至下的五根光纤。

利用多光纤束和光谱仪联合获得的多区域光谱，通过谱线比方法可以计算等离子体的电子温度，从而获得电子温度的空间分布情况。

Roi-2到roi-10，分别对应竖直方向从上到下依次排列的五根子光纤束，计算得到的电子温度空间分布情况如下表所示。

Roi-1到roi-9，分别对应沿微波传输方向(从微波源到介质窗方向)依次排列的五根子光纤束，计算得到的电子温度空间分布情况如下表所示。