微波探針在等離子體中的仿真和實驗.pdf

1、在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是材料制備中，等離子體技術是關鍵的技術之一，尤其在半導體工藝生產(chǎn)中，發(fā)揮了重要作用。在高溫領域，等離子體技術是研究可控核聚變的唯一技術途徑，主要實驗裝置有仿星器、托卡馬克、反場箍縮、磁鏡和球馬克，在眾多實驗裝置中托卡馬克獲得了長足發(fā)展。為從多種途徑研究可控核聚變問題，中科大KTX實驗室自行設計并且建造了國內首個反場箍縮可控核聚變實驗裝置，并且實現(xiàn)了15ms的脈沖放電。中科大孫玄教授領導的團隊設計建造了國內首個也是最大的

2、一個串節(jié)磁鏡實驗裝置，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構簡單，測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，一是通過測量等離子體的等效介電常數(shù)，反推等離子體密度。另一種方法是測量微波在天線和等離子體交界面形成的表面波，通過表面波的色散關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、念設計與搭建測試，并且借鑒微波反射計和矢網(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;從仿真和實驗兩方面入手，研究了微波探針在磁化等離子體中的諧振特點，初步結論可知微波探針在磁化等離子中形成的共振峰與磁場密切相關;最后介紹了針對針對空間電磁波進行濾波的頻率選擇表面。
　　論文中結合微波探針，設計了一套用于提高微波探針測量精度的外差微波電路系統(tǒng)。利用4MHz作為調制頻率，通過分析電路中頻信號的幅度和相位信息能夠反推微波探針的諧

4、振頻率，進而完成等離子體密度信息的測量任務，同時對信號進行逆傅里葉變換得到時域脈沖波形，進一步可反推反射點的空間位置。因此微波電路能夠替代矢網(wǎng)，完成諧振頻率的測量。
　　隨后，論文從仿真計算和實驗入手，研究了微波探針應用到磁化等離子體環(huán)境時的新現(xiàn)象。計算中發(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的。計算中借助了CST高頻電磁仿真模塊，通過定義等離子體頻率、碰撞頻率、電子回旋頻率來定義磁化等離子體，計算中通過對

5、比不同參數(shù)設置下的計算案例，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設的電子回旋頻率有關。并且我們從實驗中進行了論證，ICP放電產(chǎn)生等離子體，同時在源附近構建永磁體，當?shù)入x子體擴散至磁場區(qū)域就形成了局域磁化的等離子體。實驗中發(fā)現(xiàn)，微波探針的諧振頻率只與局域磁場強度有關，與仿真結果相同。
　　文章最后介紹了有關頻率選擇表面的相關計算結果。通過仿真計算我們發(fā)現(xiàn)高通濾波板是波長敏感器件，并且在波導中有規(guī)律的填充介質可以提高通帶