微波反射法在测量等离子体密度中的应用

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1、利用脉冲压缩雷达反射法测量复杂背景等离子体密度剖面李斌，陈志鹏，李弘，罗辰，王慧慧，耿松，冯雷，刘秋艳，刘万东Email：wdliu@ustc.edu.cn中国科学院基础等离子体物理重点实验室，中国科学技术大学近代物理系，安徽合肥230026摘要本文利用脉冲压缩雷达反射法对复杂背景等离子体目标进行了具备高空间分辨能力的密度测量。其测量原理是利用不同中心频率的宽频微波脉冲入射到非均匀等离子体中，研究其反射特性，即可得到等离子体密度剖面信息。这种反射法通过时域数据分析可彻底地消除背景反射信号对测量的影响。脉冲压缩雷达反射法的空间分辨率和脉冲波包的频宽相关。实验结果表明，脉冲压缩

2、雷达反射法的测量结果与朗缪尔探针的测量结果一致。关键词等离子体；微波；脉冲压缩；反射法1、引言在等离子体物理研究和工业等离子体处理中，等离子体电子密度是一个很重要的参数。目前比较成熟的测量电子密度的微波方法有干涉法[1]和反射法[2]。反射法的测量原理是利用一定频率正入射的电磁波在电子密度处的截止层发生的全反射现象，截止密度，其中、分别为电子的质量和电荷量，为真空介电常数。针对密度剖面单调上升的非均匀等离子体，利用不同频率的电磁波入射到等离子体中，测得相应反射波的时间延迟，通过阿贝尔变换即可得出电子密度及其分布：（1）上式中，是截止频率所对应截止层的空间位置，是频率为的电磁

3、波在等离子体中传播的时间延迟。需要指出的是，由于反射法信号源频率范围有限，所以在阿贝尔变换时必须对时间延迟做外推插值，其外插值多以其它诊断工具测得的密度剖面数据为依据。目前反射法的类型有宽带扫频反射法、多道窄带扫频反射法、幅度调制反射法等[3]，这几种反射法均存在杂波干扰不易彻底排除的问题7，不适用于复杂背景等离子体的诊断。为了解决这个问题，Hugenholtz[4]等人于1991年提出了脉冲雷达反射法的概念，测量方法是将一短脉冲入射到等离子体中，测量反射脉冲的时间延迟。脉冲雷达反射法要求脉冲宽度很小，另外对时间延迟的测量精度要求很高，这些都限制了它在实验中的使用。针对这些

4、原因，1992年Millot[5-6]等人提出了脉冲压缩雷达反射法的概念，1995年Laviron[7]等人报道了脉冲压缩雷达反射法在JET中的初步实验。脉冲压缩雷达反射法是利用一定频率宽度的扫频信号取代真实脉冲，通过将频域扫频数据做反傅立叶变换可得到和真实脉冲一致的时间信息。本文利用脉冲压缩雷达反射法对复杂背景等离子体目标进行了具备高空间分辨能力的测量，获得了等离子体目标的密度剖面信息。实验中所测量的等离子体目标是一个多反射点目标，背景反射信号很强。一般而言，当待测目标存在多个反射点时，反射波的相位受多个反射点共同影响，尤其当多个反射点强度相仿时，由于干扰杂波的影响，无法

5、直接利用(1)式给出正确的等离子体i电子密度分布。而通过脉冲压缩雷达反射法获得的时域信号具备高时间分辨率的特性，所以可以合理地排除干扰杂波，进而从中提出由待测等离子体形成的反射波，这样就消除了背景反射信号对测量的影响，这是脉冲压缩雷达反射法和传统反射法相比具有的一项很重要的优点。本文首先介绍了脉冲压缩雷达反射法的基本原理和实验设置，然后给出了利用该反射法测量复杂背景等离子体密度剖面的实验结果。实验中采用朗缪尔双探针进行了对比测量。2、基本原理在非磁化等离子体中传输的电磁波的色散方程为：（2）其中，为微波角频率，为等离子体频率，是真空中的光速，是波数。从（2）式可知，当由大到

6、小趋于时，k逐渐减小，当时，，此时微波将不能在等离子体中继续传播，发生了截止现象。反射法就是利用这个现象，通过测量反射波的相位延迟获得等离子体密度剖面信息的。脉冲压缩雷达反射法在进行测量时，将一定频率宽度的扫频电磁波依次入射到等离子体中，对于入射频率为（为频宽内的扫频点数）的电磁波，测量系统将测得反射波的复振幅。对的反射波频域复数序列作傅立叶变换，得到时域数据，根据时域数据中反射脉冲峰值所对应的时间值即可获得微波信号的时间响应，反射脉冲的宽度。如果在微波传输路径上如果只存在一个反射点，则时域数据中只有一个反射脉冲，一般情况下，由于微波元件连接处、等离子体产生装置的壁等位置存

7、在杂散信号，时域数据中将会出现多个反射脉冲，但因为不同反射脉冲间存在时间差，杂散反射信号的产生的反射脉冲很容易被剔除,这样就使得脉冲压缩雷达反射法可应用于复杂背景等离子体的诊断。7在进行脉冲压缩雷达反射法的测量时，频率步长和频率宽度是两个很重要的参数。频率步长和时域数据的最大观测距离相关，，其中为真空中的光速，的选取要确保大于待测目标的路径长度。频率宽度和空间最小分辨距离相关，两者有这种关系：。对于金属反射板这类反射面不随入射微波频率变化的待测目标，应选择较大的频率宽度，因为较大的频率宽度对应着较短的脉冲宽度，也就