诊断作业 涂翠 sa11004053

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1、诊断作业涂翠SA11004053微波共振探针涂翠近代物理系SA10004053摘要：本文介绍了一种可以测量局部等离子体电子密度的微波共振探针法，并给出了它的测量原理.由于微波共振探针不受鞘层的影响，因此它比通常的朗谬静电探针对等离子体密度的测量要精确得多.关键词：等离子体诊断；微波共振探针；等离子体密度引言等离子体与波的相互作用除了可用于实际应用外，还被广泛地应用于等离子体诊断中。传统的诊断方法有静电探针和微波干涉仪等。静电探针应用于工业等离子体环境时探针表面很容易被污染，这会严重影响其伏安特性。另外，静电探针应用于高温等离子体时，由于高速带电粒子的撞击，

2、探针表面容易溅射出杂质粒子，从而对实验等离子体造成污染，故静电探针不适用于磁约束核聚变装置芯部的等离子体诊断。而微波干涉仪的空间分辨率有限，这制约了其在低温和高温等离子体中的应用。为了克服以上问题，一些新颖的微波诊断方法被发展了出来。其中，适合于低温等离子体诊断的有微波截止方法、等离子体吸收探针、微波共振探针和等离子体阻抗探针，微波反射计和电子回旋辐射测量等方法。微波共振探针发展简介微波共振探针首先由Stenzel于1975年提出，并成功测量了弱磁性等离子体的局部电子密度。JongdaeKim等人于上世纪90年代成功应用微波共振探针测量了半导体桥(SCB)

3、的电子密度，解决了测量瞬时等离子体电子密度的方法。近期Piejak等人改进了探针的工作模式，提高了输出信号的信噪比，使测量更加精确可靠。Brian等人研究了鞘层和粒子碰撞对探针测量的影响并提出修正系数，使微波共振探针的应用范围得到扩展。在国内，仅上世纪90年代中期曹金祥教授等人做过这方面的研究，利用微波共振探针测量了阴极放电等离子体的电子密度的径向分布。但是微波共振探针的作用机理仍需要探讨。实际测量中，选用探针材料电导率的差异，U型结构与小环相对位置的差异等都可能导致真空中测量的共振频率不能与理论值完全吻合。美国Sandia实验室由于对半导体桥的研究急需诊

4、断工具，在研究微波共振测量方法中建立了微波共振探针模型，并对此做了初步研究。结果表明，材料电导率越大，真空中共振频率测量值与理论值越接近。工作原理这种方法的测量原理是基于平行双导线构成的微波共振腔结构，探针结构如图1所示。一段两端开路的平行双导线放置于介电常数为。的均匀介质中，双导线间所传播的微波的波数为，其中为微波的角频率，诊断作业涂翠SA11004053为真空中的光速。如果将此双导线的一端短路，另一端仍保持开路，即图中所示的U型结构，或者称之为发卡型结构，这样就形成了一个双端口平行双导线共振腔，再加上微波信号的馈入天线和导出天线即构成微波共振探针的基本

5、结构。利用传输线理论分析可知，当共振腔长度l等于1/4的微波波长时(此时)，当探针处于相对介电常数为的介质中时，此U型结构对应的共振频率为：图1微波共振探针式中，c为真空中的光速；L为U型探针的长度。对于无限大均匀非磁化冷等离子体，其相对介电常数可表示为：式中，为等离子体角频率；为入射电磁波角频率。如果忽略电子与其它粒子间动量转移碰撞频率的影响，可表示为：如果将微波共振探针放置在该介电常数的等离子体中，共振频率会发生移动，这个频率移动反映了微波共振探针周围物质介电常数的变化。在等离子体中，微波共振探针的共振频率为其中，为微波共振探针在真空中的共振频率。因此

6、，通过测量微波共振探针在真空中的共振频率以及在等离子体中的共振频率，即可获得等离子体频率的数值，进而利用等离子体频率与电子密度之间的关系，测得等离子体密度值，其中和分别为电子的质量和电量，为真空中的介电常数。微波共振探针在进行电子密度测量时，将U型双导线共振腔固定在同轴线的末端。实验中应用到了两根同轴线，如图中诊断作业涂翠SA11004053所示，其中一根用于微波信号的馈入，其可将微波信号馈入到U型共振腔中，另外一根则用于微波信号的导出，其用于测量U型共振腔的反射功率。将这两根同轴线分别连接至微波矢量网络分析仪的发射端口和接收端口，即可测量共振腔的反射系数

7、谱，进而确定共振频率。这种微波诊断方法原理简单，只需测量U型共振腔在真空和等离子体两种环境间的共振频率移动即可计算得到等离子体密度值，其测量精度较高。它主要的缺点是U型共振腔的尺寸较大，这会影响到测量的空间分辨率。微波共振探针经Stenzel等人提出后，在往后的30多年间不断有新的研究成果出现。其中，Kim等人在1995年测量了半导体桥的电子密度，实现了等离子体电子密度的瞬时测量。同一年，中国科学技术大学的曹金样教授等人利用微波共振探针测量了阴极放电等离子体的电子密度分布。2004年，Piejak等人对微波共振探针的结构进行了改进，使得微波信号的馈入和反射

8、信号的导出所对应的耦合度都得到了显著的提高，这样就改善了测量信号的