射频感性耦合等离子体中的受迫振荡研究

实验研究了匹配状态、放电气压对氩气射频感性耦合等离子体中受迫振荡的影响.结果表明:受迫振荡总是出现在放电的正反馈区;在高气压下(>30Pa)受迫振荡的频率较低.对于使用射频感性耦合等离子体进行薄膜沉积的参数选择给予了理论指导.     

磁场作用下螺旋波与TG波耦合模式数值模拟研究

为了研究螺旋波放电的高电离效率,揭示螺旋波等离子体推力器射频功率向等离子体的沉积机制,对m=+1型螺旋波与TG波耦合模式随磁场的变化特征,以及对波磁场、电场、电流密度的影响规律进行了数值模拟研究。计算结果显示:B0≤500G的低磁场条件下,螺旋波与TG波构型相似,耦合较强,大部分射频功率由螺旋波耦合到TG波内,并经TG波的强阻尼作用,在天线下游0.2~0.4m距离内沉积到等离子体中;高磁场下,螺旋波向TG波的耦合效率降低,螺旋波将一部分射频能量输运到下游并持续向TG波耦合,由TG波的阻尼作用沉积到等离子体中,轴向的功率分布特征就表现为螺旋波的本征模式;随着外加磁场强度的增大,波磁场、电场的部分分量沿z轴的分布由幅值衰减状态变为准周期性波动状态,电流密度的变化特征与功率沉积密度较为相似。     

螺旋波等离子体推力器放电过程的流体模拟

针对建立三维数值模型对螺旋波等离子体推力器放电进行数值模拟计算量过大的问题,使用COMSOL多物理场软件建立了二维轴对称结构,采用漂移-扩散流体模拟方法,分别改变工质气体种类、气体压强及射频功率,模拟了螺旋波等离子体放电过程,分析了不同参数条件下放电室中电子数密度、电子温度、碰撞功率损耗分布情况,结果显示,在一定条件下气体压强越大,电子数密度越高,电子温度越低,碰撞功率损耗越大,在1600～2400 W范围内,随着射频功率增大,电子数密度和碰撞功率损耗增加,电子温度变化较小,电子数密度在10~(18 ) m~(-3)左右,为螺旋波等离子体推力器的设计与实验研究提供了参考。     

射频自偏压效应离子推力器束流特性实验研究

为了获得不同推力器工况对射频自偏压效应离子推力器的自偏压幅值和束流特性的影响，本文通过地面实验研究了栅极射频功率、线圈放电功率、工质种类对自偏压幅值和羽流区等离子体参数的影响，同时对直流栅极工况和射频栅极工况下的束流特性进行了对比。研究结果表明：栅极射频功率的增大会提高自偏压幅值并提升束流强度，但在较高栅极射频功率下，栅极下游区域将发生自持放电并形成等离子体；放电腔内放电模式转换会通过改变等离子体阻抗的方式大幅影响栅极直流自偏压幅值和栅极电压的射频分量，进而影响羽流区等离子体参数；与直流栅极工况相比，射频栅极能同时引出并加速离子和电子，并在栅极下游实现自中和，且在Ar,Kr,Xe三种工质下均具有自中和能力。     

空间站等离子体接触器钳位模式实验研究

为了研究等离子体接触器对空间站表面电位主动控制作用及钳位模式工作特性,对等离子体接触器进行了钳位模式实验研究,分析了空间站在运行轨道等离子体鞘层厚度,给出了等离子体接触器钳位电压和发射电流之间的变化规律,对真空度、等离子体密度、氙气流量等对钳位模式影响及等离子体接触器功率随发射电流变化规律进行了实验研究。实验结果表明:等离子体接触器在额定工作点下钳位电压低于20V;钳位电压增加使等离子体接触器发射电流突增;较低的真空度、较高的空间等离子体密度、较大的氙气流量会使等离子体接触器钳位模式较早出现,等离子体接触器电子发射特性曲线左移了近20%;等离子体接触器功率随发射电流增加而减小了近30%。     

径向压力和温度分布对螺旋波等离子体波场和能量吸收影响研究

为了揭示螺旋波等离子体推力器中的等离子体源功率耦合机理,针对气体工质电离后被射频加热的稳态过程,考虑等离子体密度非均匀分布条件,采用三参数压力函数(fa,sp,tp)和温度函数(f_a,s_t,t_t)表示柱状等离子体内压力和温度的径向分布,分析了径向压力梯度、温度梯度对螺旋波等离子体内功率沉积、波电场、波磁场和电流密度的影响。考虑梯度为正,梯度为负和梯度为零三种梯度类型。结果发现:压力梯度为正时,螺旋波在等离子体临近壁面处的功率沉积减弱,但射频波透入深度增加,原因是靠近管壁处等离子体密度较低,RF波径向单位长度衰减较少,透入深度增加。温度梯度为负时,柱状等离子体中心处能量沉积变强,原因是管中心位置等离子体密度较大,电子温度较高,与RF波能量耦合增强;横向截面的电磁场、电流密度分布在不同压力和温度梯度下基本不变,证明了m=1模式的稳定性。     

高功率螺旋波等离子体诊断试验研究

高功率螺旋波等离子体源作为可变比冲磁等离子体发动机(Variable Specific Impulse Mag-netoplasma Rocket,VASIMR)的第一级,其参数直接影响发动机的性能。为提高螺旋波源的等离子体密度和工质电离率,以4kW螺旋波等离子体源为研究对象,利用射频补偿Langmuir探针诊断等离子体的离子密度和电子温度。试验结果表明,在强磁场条件下,随着功率的升高,螺旋波等离子体源内部共出现两次放电模式转换,最终进入了螺旋波放电模式。在达到螺旋波放电模式后,羽流区域的等离子体密度超过1×10~(12)cm~(-3),初步评估,放电天线区域的离子密度超过2×10~(14)cm~(-3),离子密度在放电管中心区域较高,沿径向逐渐降低。研究结果为30kW磁等离子体发动机的研制提供依据。     

射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验

介质阻挡放电(DBD)均匀稳定、易于敷设,是机翼/翼型等离子体流动控制(PFC)中最常用的激励方式。射频介质阻挡放电激励频率高、放电功率大,且能在流场中产生明显的加热,应用潜力大。采用射频电源驱动DBD激励器产生等离子体,分析放电的体积力、热特性和诱导流场特性,开展了射频介质阻挡放电改善NACA 0015翼型气动性能的实验,研究了占空比、调制频率、载波频率和电源功率等参数对流动控制效果的影响规律。结果表明:射频等离子体激励的体积力效应随激励电压的增大而增加;射频等离子体激励产生的热量在诱导的流场中进行传导,加速流场;当来流速度为20m/s,Re=3.36×10~5时,在翼型前缘施加激励,使翼型临界失速迎角推迟1°,最大升力系数增大6.43%,且在过失速迎角下仍具有流动控制效果,使升力下降变缓;调制频率越大,控制效果越好;存在最佳占空比、载波频率和功率,占空比对流场控制效果的影响最显著,最佳占空比、载波频率和功率分别为20%,460kHz和50W。射频等离子体激励以体积力效应、热效应和诱导壁面射流改善失速流场,使得NACA0015翼型气动性能极大改善,流动分离得到有效控制。     

适用于不同高度的等离子体体积力唯像学模型

针对等离子体流动控制数值模拟中唯像学模型高度适应能力不足的问题,假设等离子体中离子数密度正比于放电光强,对101.3~1.5kPa气压下等离子体放电图片进行灰度处理,得到等离子体发光的相对光强、光强比即离子数密度随气压、激励电压的变化特点。结果表明:随着气压增大,从弥散放电逐渐转化为丝状放电,而光强比逐渐减小,可以使用大气压下的饱和总相对光强代替其他气压下的结果;提高激励电压,等离子体出现双侧放电,且放电光强增大,放电电荷与激励电压近似成线性关系。进一步通过理论推导建立了新的电荷分布边界条件,并拟合了多个气压和激励电压下等离子体发光的相对光强,然后选择其中两个典型工况进行数值模拟,将计算结果与相应气压下等离子体诱导射流激光粒子图像测量结果进行比较,对该模型进行了验证,表明该模型能够准确模拟飞行高度、激励电压对等离子体诱导射流的影响。      

放电室长径比对射频离子推力器影响的数值模拟研究

为获得推力器的性能与推力器工况之间的变化规律,利用等离子体密度平衡方程、中性气体密度平衡方程、中性气体功率平衡方程、电子功率平衡方程构成的全域模型对氙工质射频离子推力器开展了数值模拟研究.结果表明,放电室长径比(L/R)的改变引起放电室壁上消耗功率的变化,从而影响推力器的性能.在放电室体积和工质流率不变的情况下,放电室...     

Radio-frequency impedance probes

The behaviour of radio-frequency probes in a magneto-ionic environment is important in connection with their use for measurement of ionospheric parameters and in the design of aerials for rockets and satellites. The present theoretical treatment of radio-frequency probes is outlined and applied to systems of differing configurations. The difficulties which arise when the wave frequency is not large compared with the gyro-magnetic and plasma frequencies are discussed, including especially the origin of the resistive term which can be finite, even in a collisionless plasma. Some attention is given to the effect of the plasma sheath which may surround a probe system. A number of practical systems are described and the problems in interpreting impedance measurements are considered.     

口径耦合微带天线互耦时域有限差分法分析

在阵列天线中,互耦是阵列性能下降的一个重要因素,对互耦进行正确的评估、计算,有助于深入了解阵列特性并指导设计工作.采用时域有限差分法计算了口径耦合微带天线互耦系数,天线建模中引入非均匀网格和电阻性电压源,微带线与馈源用阶梯过渡来连接,在保证计算精度的前提下,计算空间和计算机时间大大减少,计算结果与矩量法及测量结果基本一致.     

基于噪声匹配的有源接收天线设计

为了提高接收天线的增益和灵敏度,采用将天线与低噪声放大器集成到一起设计的方案,将天线的输出阻抗作为放大器的源阻抗,省略了天线与放大器之间的阻抗匹配网络。通过调节天线馈电系统的尺寸调节天线阻抗,使其等于放大器的最佳源阻抗。利用HFSS仿真软件计算天线的辐射特性及阻抗,用ADS Designer软件对低噪声放大器进行优化设计。利用2SC5507晶体管设计了一个工作于2．0GHz的与低噪声放大器集成在一起的缝隙耦合微带天线,所设计的噪声系数为1．664dB,放大器增益为16．75dB。     

宽带变负载阻抗匹配网络的设计研究

某坦克电台采用螺旋天线以缩短天线的几何尺寸，提高安全性。由于该天线的输入阻抗随频率而变化，需要用一个宽带变负载阻抗匹配网络来实现天线与电台之间的匹配。首先从理论上分析论证了实现具有最平坦频率特性的变负载阻抗匹配网络的可能性。然后，根据实际要求进行了计算机辅助工程设计，并给出了相应的设计和仿真结果。     

UHF/VHF 频段单极子贴片天线的设计

为了研究有利于共形的超短波宽带天线,首先通过常规设计方案仿真了一款辐射面为椭圆的单极子天线,结果表明,并不能满足带宽的要求。于是在其设计基础上进行天线和馈线的结构优化,最终设计了一款马蹄形单极子印刷天线。该天线引人梯形渐变馈线和倒三角形引流片来改善天线的阻抗匹配,从而展宽工作频带在普通椭圆单极子天线的上端加人2个矩形来增长天线的电流路径,降低天线的最低工作频率。仿真结果表明,天线的工作频段为 150~600 MHz,满足宽带系统的要求,同时天线的E面和日面有较好的对称性和全方向辐射特性。     

Investigation of MHD power generation with supersonic non-equilibrium RF discharge

Magnetohydrodynamic (MHD) power generation with supersonic non-equilibrium plasma is demonstrated. Capacitively coupled radio frequency (RF) discharge (6 MHz, maximum continual power output of 200 W) was adopted to ionize the Mach number 3.5 (650 m/s), 0.023 kg/m3 airflow. In a MHD channel of 16 mm × 10 mm × 20 mm, MHD open voltage of 10 V is realized in the magnetic field of 1.25 T, and power of 0.12 mW is extracted steadily and con-tinuously in the magnetic field of 1 T. The reasons for limited power generation are proposed as:low conductivity of RF discharge; large touch resistance between MHD electrode and plasma;strong current eddies due to flow boundary layer. In addition, the cathode voltage fall is too low to have obvious effects on MHD power generation.     

现场测量管道声衬声阻抗的双传声器法实验研究

对现场测量管道声衬声阻抗的双传声器法进行了研究.为解决实用声衬蜂窝单元尺寸过小,无法直接嵌入常用传声器的难题,采用了探针传声器技术,通过外径1.5mm的细管引出不易直接测量的声衬表面和背腔内声压信号,并设计了校准方法以确保测量精度.进而,在管内声场具有多重模态和声波斜入射的条件下,应用双传声器法测量了实用蜂窝夹层声衬的声阻抗,并与标准阻抗管的测量数据和一种理论预测模型进行了对比,结果符合良好,从而验证了本方法及测量装置的可靠性.      

Multi-experiment determination of plasma density and temperature

An attempt has been made to combine data from five instruments on GEOS-1 in order to determine the characteristics of the ambient cold plasma, assess the effects of spacecraft sheaths on the different techniques and establish cross calibration criteria. In addition to measuring plasma density and temperature it is necessary to consider the influence of satellite potential and motion, ionic composition, ion drifts (electric fields), electrons emitted from spacecraft surfaces and any consequent departures from isotropy or Maxwellian distribution.9 October 1977 was selected for the study, the orbit covers a range of L-values between 3.5 and 7.5 giving outbound and inbound plasmapause crossings with plasma densities spanning more than two orders of magnitude. Eclipse data from 7 February 1978 is used to determine the influence of photoelectron emission.Three techniques — active sounding of the plasma frequency resonance (S-301), a mutual impedance measurement (S-304) and DC electric field probe determination of floating potential (S-300) — utilize the long boom sensors in either AC or DC modes. Electrons and ions are measured directly by electrostatic analysers (S-302), mounted on one short radial boom. On the day chosen for study here ions are predominantly protons as determined by the body mounted ion composition experiment (S-303).The techniques using the 20 m long booms agree well in determining density whereas the short boom and body mounted ion detectors are seriously compromised when satellite potential becomes several volts positive. Measurements of satellite potential and plasma temperature agree within 20% among the several instruments making these measurements. Data obtained during the transition from eclipse to sunlight conditions show no discontinuity in the long boom instruments caused by the sudden appearance of photoelectrons.     

激光器匹配驱动的色散渐变线分析

论述了采用渐变线阻抗变换器对半导体激光器进行匹配驱动时,当考虑渐变线色散影响情况的分析。给出了色散影响的概念、时域的分析计算方法及对三角形、指数形及切比雪夫渐变线的计算结果和分析。