小型化高密度可調(diào)控電感耦合等離子體發(fā)生器性能研究

袁 野，張 巖，郭 成，劉玉獻(xiàn)，薄 勇，趙 青*

(1. 電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 成都 610054；2. 上?？臻g推進(jìn)研究所 上海 閔行區(qū) 201112)

黑障問(wèn)題主要是由于等離子體的產(chǎn)生并包裹在飛行器周圍，導(dǎo)致電磁波吸收，使飛行器通信信號(hào)衰減甚至通訊中斷。如何在實(shí)驗(yàn)室模擬高空環(huán)境等離子體，產(chǎn)生高密度、均勻、可調(diào)控的等離子體，是一個(gè)世界性難題。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)模擬黑障的等離子體源進(jìn)行了廣泛研究。在實(shí)驗(yàn)室模擬黑障等離子體主要分為熱等離子體源和冷等離子體源。其中，熱等離子體源包括激波風(fēng)洞、電弧等離子體源和感應(yīng)耦合等離子體源；冷等離子體源包括輝光放電等離子體源和螺旋波等離子體源等[1]。激波風(fēng)洞主要是依靠激波管，在激波管內(nèi)插入膜片，膜片兩邊充入不同壓力的氣體，膜片破裂的瞬間在膜片處產(chǎn)生激波，從而產(chǎn)生等離子高溫氣體[2-4]。但激波風(fēng)洞產(chǎn)生的等離子體幾乎是瞬時(shí)的，維持時(shí)間在毫秒量級(jí)，不能滿足需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的實(shí)驗(yàn)。電弧放電等離子體源利用陰陽(yáng)極之間的直流放電，能產(chǎn)生穩(wěn)定放電、高能量、高電子密度的等離子體射流，但由于高溫?zé)g陰陽(yáng)極，會(huì)有電極粉塵的污染問(wèn)題[5-7]。輝光放電等離子體源能產(chǎn)生大面積、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定放電的等離子體，但它所產(chǎn)生的等離子體密度最高只能達(dá)到1×1017m?3量級(jí)，制約了它的應(yīng)用范圍[8-9]。螺旋波等離子體源是一種新型等離子體源，利用等離子體中的螺旋波，能產(chǎn)生大面積、高密度的等離子體，但它引入了靜磁場(chǎng)的問(wèn)題[10]。感應(yīng)耦合等離子體源天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，從而引起感應(yīng)電場(chǎng)，利用此電場(chǎng)來(lái)加速電子，能產(chǎn)生大面積、高密度的等離子體[11]。

在上述研究中，很少見(jiàn)到等離子體密度、鞘層形狀和鞘層厚度等參數(shù)滿足黑障中的實(shí)際問(wèn)題，并設(shè)計(jì)制造出實(shí)物、且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究。本文針對(duì)高超聲速飛行器的黑障通信中斷問(wèn)題，研制出一套用于電小天線輻射調(diào)控的電感耦合等離子體發(fā)生器，它能在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)高空環(huán)境下的等離子體鞘層，并且具有參數(shù)調(diào)控功能。用光學(xué)研究方法[12-14]對(duì)發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行了診斷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文用設(shè)計(jì)的等離子體發(fā)生裝置在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生等離子體鞘套，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行包覆小型化天線的黑障通訊實(shí)驗(yàn)。本文研制出的等離子體發(fā)生器對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室研究高超聲速飛行器的電小天線黑障通信具有重要的實(shí)用意義。

1 等離子體發(fā)生器的物理模型

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下產(chǎn)生高超聲速飛行環(huán)境下的等離子體鞘層，需要設(shè)計(jì)具備高超聲速飛行環(huán)境下的等離子體參數(shù)(如等離子體密度、鞘層形狀、鞘層厚度等)特征的等離子體發(fā)生器。一般高超聲速飛行器典型等離子體鞘層的等離子體密度為1×1018/m3量級(jí)左右，鞘層類似半球形，厚度小于5 cm[15]。在本文的等離子體發(fā)生器的研制中，目標(biāo)確定為具有上述特征的等離子體。使其擁有能符合等離子體流場(chǎng)仿真結(jié)果的外形特征，達(dá)到目標(biāo)等離子體密度條件1×1018/m3且密度在較大范圍內(nèi)方便可調(diào)，等離子體發(fā)生裝置對(duì)天線工作特性和空間輻射特性產(chǎn)生的影響較小。

本文設(shè)計(jì)的等離子體發(fā)生器利用感應(yīng)耦合放電方式產(chǎn)生高密度、可調(diào)控的等離子體。當(dāng)在線圈中通入直流電流時(shí)，線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)；當(dāng)線圈中通入的電流隨時(shí)間變化時(shí)，變化的磁場(chǎng)感應(yīng)出感應(yīng)電場(chǎng)；在圓周方向的感應(yīng)電場(chǎng)使電子加速，形成圓周方向的渦電流。如果沒(méi)有碰撞，電子被電場(chǎng)加速的比例和被減速的比例相當(dāng)，平均的作用是等離子體從外部吸收的能量為0，功率無(wú)法耦合進(jìn)等離子體，所以必須要有碰撞，有一定電阻的等離子體消耗的能量，即焦耳加熱，是等離子體吸收的能量。感應(yīng)耦合等離子體源的等效電路圖見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。電流IRF流 過(guò)天線線圈，通過(guò)互感M將能量耦合到次級(jí)線圈。天線線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈，它的電感為L(zhǎng)a、 電阻為Ra，而等離子體相當(dāng)于變壓器的次級(jí)線圈，由等離子體形狀產(chǎn)生的電感為L(zhǎng)g，電子的慣性引起的電感為L(zhǎng)p， 等離子體的電阻為Rp。等離子體吸收的功率可以表示為[16]：

式中，w為天線線圈電流角頻率。在低壓工作情況下，等離子體電阻減小。磁場(chǎng)的趨膚深度也減小，這時(shí)，按常理能量將無(wú)法進(jìn)入等離子體，放電無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，但此時(shí)電子的反常趨膚效應(yīng)使電子在近無(wú)碰撞狀態(tài)下仍能繼續(xù)高效地加熱獲取能量。

為了確定需要加多大的磁場(chǎng)才能得到符合要求的等離子體，進(jìn)行了如下估算。為了產(chǎn)生等離子體，氣體需要被電離，也就是電子在一個(gè)自由程從電場(chǎng)獲得的能量必須大于電離能，因此得到能產(chǎn)生放電所必須的最小磁感應(yīng)強(qiáng)度B0滿足[17]：

圖1 幾何模型截面圖

圖2 等離子體源磁場(chǎng)仿真結(jié)果

2 等離子體發(fā)生器的研制和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文設(shè)計(jì)并制造了電感耦合等離子體激勵(lì)器以模擬黑障等離子體。等離子體激勵(lì)器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建示意圖如圖4 所示。等離子體激勵(lì)器在玻璃罩內(nèi)產(chǎn)生出半球形的等離子體層。半球形玻璃罩內(nèi)部連接真空室，內(nèi)、外層玻璃球殼半徑分別為1.2 cm 和2.3 cm，厚度為6 mm，玻璃球殼固定在金屬法蘭盤(pán)上，法蘭上開(kāi)有小孔，中心的孔里固定著電小天線，連接電小天線的饋電線穿過(guò)小孔。法蘭上的另外幾個(gè)小孔連接銅管，銅管連接真空室。當(dāng)真空室內(nèi)為真空狀態(tài)時(shí)，玻璃球殼內(nèi)也能保持較高的真空度。用16 匝、匝間距1 cm 的銅線圈放置在玻璃罩外部，以產(chǎn)生感應(yīng)耦合等離子體。玻璃罩的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電小天線的全方位包裹，玻璃的材質(zhì)對(duì)電磁波傳播的影響也較小。整個(gè)等離子體激勵(lì)器是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)生的等離子體在空間分布上大致也擁有這樣的對(duì)稱性質(zhì)。真空室抽真空后氣壓最低可以達(dá)到1 0?4Pa，氬氣為工質(zhì)。氬氣經(jīng)流量計(jì)控制后流入玻璃罩，玻璃罩內(nèi)氣壓可達(dá)10?3～ 1 0?2Pa。等離子體激勵(lì)器由頻率15.56 MHz的射頻電源供電，電源輸出功率0～1 000 W。用射頻匹配器連接電源和線圈，使電源能量能較好地耦合到線圈。使用光纖光譜儀進(jìn)行光譜診斷，測(cè)量波長(zhǎng)范圍為300～1 100 nm。

圖3 等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建示意圖

3 診斷實(shí)驗(yàn)方法及診斷結(jié)果分析

3.1 等離子體診斷方法

利用玻爾茲曼作圖法計(jì)算電子激發(fā)溫度。在局部熱力學(xué)平衡(local thermodynamic equilib-rium, LTE)的情況下，根據(jù)玻爾茲曼定律，某種粒子從高能級(jí)m躍 遷到低能級(jí)n時(shí) 的譜線強(qiáng)度Imn為：

式中， λ、Amn和gm分別為波長(zhǎng)、躍遷概率和上能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)值；Em是 激發(fā)能級(jí)的能量；h為普朗克常數(shù)； c 為光速；k為 玻爾茲曼常數(shù)；N(T)是上層原子的總密度；U(T)是 溫度T時(shí)的配分函數(shù)。兩邊求對(duì)數(shù)，得到[18]：

因此，電子密度能根據(jù)之前計(jì)算出的電子溫度和此兩條譜線的強(qiáng)度比值及在數(shù)據(jù)庫(kù)查出的其他參數(shù)值計(jì)算確定。

3.2 診斷結(jié)果及分析

診斷實(shí)驗(yàn)測(cè)得線圈功率為200～800 W 時(shí)電感耦合等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體薄層的發(fā)射光譜，其中，800 W 時(shí)得到的300～500 nm 波段的發(fā)射光譜圖如圖5 所示。從圖中可以看出，不同功率下等離子體發(fā)射光譜均出現(xiàn)了一些較尖銳的譜線，譜線主要是Ar+離子和Ar 原子譜線，不同功率下出現(xiàn)譜線的波長(zhǎng)位置基本相同，只是譜線強(qiáng)度有所不同。具體分析化學(xué)成分，主要出現(xiàn)譜線的歸屬見(jiàn)表1。

圖5 800 W 時(shí)等離子體發(fā)射光譜圖

表1 等離子體光譜歸屬

為了得到等離子體電子激發(fā)溫度，根據(jù)文獻(xiàn)[20]，選取355.951、373.789、378.084、397.936、403.546 nm 這5 條Ar+離子譜線作為計(jì)算激發(fā)電子溫度的光譜譜線，上述譜線的光譜學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Ar+離子譜線的光譜學(xué)參數(shù)

圖6 線圈功率800 W 時(shí)玻爾茲曼作圖法計(jì)算電子激發(fā)溫度

計(jì)算得到的200～800 W 線圈功率下的電子激發(fā)溫度隨功率變化如圖7 所示。電子激發(fā)溫度最小值為9 569.33 K，最大值為10 305.04 K。由于存在實(shí)驗(yàn)誤差，圖中的曲線趨勢(shì)基本可以概括為：在300 W 小功率以下，隨功率增大電子激發(fā)溫度改變不大；在300～600 W 中功率時(shí)，隨功率增大電子激發(fā)溫度增大；在600 W 高功率以上，隨功率增大電子激發(fā)溫度改變不大。在300 W 小功率以下，電子激發(fā)溫度改變不大，是因?yàn)榇藭r(shí)的高頻放電處于電場(chǎng)型放電，是由線圈耦合的高頻電壓引起的放電，是電容耦合類型的放電，當(dāng)功率超過(guò)300 W 后，出現(xiàn)電場(chǎng)型放電向磁場(chǎng)型放電的轉(zhuǎn)變，此時(shí)等離子體發(fā)光變得很明亮，等離子體耦合的能量大大增加，電子溫度增大，在符合玻爾茲曼分布近似下，電子激發(fā)溫度近似等于電子溫度，因此電子激發(fā)溫度增大。在300～600 W 中功率時(shí)，隨功率增大電子激發(fā)溫度增大，這是因?yàn)椋S線圈功率增大，耦合到工質(zhì)氣體內(nèi)的功率增大，電子在電場(chǎng)中加速?gòu)亩鴱碾妶?chǎng)獲得的能量增大，因此電子溫度增大。但是電子溫度不會(huì)隨功率增大而無(wú)限增大，在600 W 高功率以上，隨功率增大電子激發(fā)溫度改變不大。這是因?yàn)?，隨RF 功率增大，自由電子從電場(chǎng)中獲得的能量增大，氣體電離率增大，但是對(duì)于一定氣壓的氣體，電離率的增大不是無(wú)限制的，當(dāng)達(dá)到一定飽和值后，就不再增加了，此時(shí)耦合進(jìn)工質(zhì)氣體的功率不再增加，電子激發(fā)溫度幾乎不再變化。

圖7 電子激發(fā)溫度隨功率變化圖

采用3.1 節(jié)所述的分立譜線強(qiáng)度比例法，選取425.9 nm 的Ar 原子譜線和355.95 nm 的Ar+離子譜線的強(qiáng)度比值來(lái)計(jì)算等離子體電子密度。所得200～800 W 線圈功率下的電子密度隨功率變化如圖8 所示。電子密度最小值為2.84×1017m?3，最大值 為3.86×1018m?3。得 到 的 等 離 子 體 密 度 在1×1018m?3量級(jí)，符合在前文中的預(yù)期。從圖中可以看出，隨功率增大，電子密度基本呈上升趨勢(shì)，在300 W 以下和600 W 功率以上，電子密度基本不再變化。這是因?yàn)椋颓懊娴挠懻擃愃?，?00～600 W 功率時(shí)，隨功率增大，耦合進(jìn)工質(zhì)氣體的能量增大，電子從電場(chǎng)獲能增加，而要發(fā)生電離，需要電子在電場(chǎng)中加速獲得的能量超過(guò)電離能。因此，在一定氣壓下，電子獲能越多，電離概率越大，所以電子密度隨功率增大基本呈上升趨勢(shì)。而在300 W 以下，電場(chǎng)放電類型的等離子體發(fā)光微弱，等離子體很稀薄，增大功率會(huì)使其等離子體密度稍有增加，超過(guò)300 W 后即發(fā)生從電場(chǎng)放電到磁場(chǎng)放電模式的跳變，等離子體密度增大速度加快。在較大的600 W 功率以上，對(duì)于這樣的氣壓，電離率已升至最大，繼續(xù)加大功率，已對(duì)電離沒(méi)有貢獻(xiàn)了，因此在此后，更大的功率不能獲得更大的電子密度。

圖8 電子密度隨功率變化圖

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文根據(jù)理論分析和磁場(chǎng)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)并加工了一款用于電子天線輻射調(diào)控的等離子體發(fā)生裝置，該裝置能產(chǎn)生適用于此應(yīng)用背景的等離子體薄層，即半球形、厚度小于5 cm 的等離子體密度為1×1018m?3量級(jí)左右的高超聲速飛行器典型等離子體鞘層。并用等離子體發(fā)射光譜的診斷方法對(duì)該等離子體鞘層的電子激發(fā)溫度和等離子體密度進(jìn)行了診斷測(cè)量，診斷結(jié)果為：電子激發(fā)溫度最小值為9 569.33 K，最大值為10 305.04 K；電子密度最小值為2.84×1017m?3，最大值為3.86×1018m?3。在此等離子體發(fā)生裝置配置下，放電由電場(chǎng)型放電轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)型放電的跳變點(diǎn)約在功率300 W 處，等離子體電離率約在600 W 時(shí)達(dá)到此氣壓下的飽和極值；在300～600 W 范圍外，功率對(duì)等離子體參數(shù)的影響很小，在此范圍內(nèi)，電子激發(fā)溫度與電子密度均與功率呈正向單調(diào)變化關(guān)系，這與此時(shí)電子從電場(chǎng)中加速時(shí)獲得的能量增加相關(guān)。