潘宁气体真空等离子体天线的基本特性研究

潘宁气体真空等离子体天线的基本特性研究 1, 21, 22 孙乃峰 ，王世庆 ，慈佳祥 (1 . 核工业西南物理研究院，四川 成都 610041 ;2 . 成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614007) 摘 要:根据潘宁气体放电的物理特性，定性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了等离子体天线中氦氩潘宁气体放电的特性，实验测 量了充满氦氩潘宁气体的等离子体天线与充满纯氦或纯氩等离子体天线的等离子体长 、度 等离子体密 度, 得出等离子体天线中充入氦氩潘宁气体时，在同等条件下能使等离子体天线的有效长度更长，等离子 体密度更高。 等离子体密度对天线的辐射效率和隐身性能影响很大，因此研究氦氩潘宁效应存在时表面 波等离子体柱的等离子体长度与所加射频功率的关系和等离子体密度沿天线的分布对于提高天线的辐 射效率和隐身性能至关重要。 关键词:等离子体天线;等离子体密度;潘宁气体 中图分类号:TN136 文献标识码:A 文章编号:1002 - 0322(2011)01 - 0063 - 05 Main characteristics of vacuum plasma antennas filled with Penning gas 1 , 2 1 , 2 2SUN Nai - feng, WANG Shi - qing, CI Jia - xiang ( 1 . Southwestern Institute of Physic s , Chengdu 610041 , China ; 2 . Engineering & Technical College , Chengdu University of Technolog ,y Leshan 614007 , China ) Abstract :Based on the physcail characteristics of Penning gas discha rge , the characteristics of He - Ar Penning gas discha rge in plasma antennas were analyzed lita tquaively . Plasma length and plasma density were measured in plasma antenna filled with both He - Ar Penning gas and pure He or Ar . The results showed that the plasma antenna filled with He - Ar Penning gas can make the effective length of the antenna longer and the plasma density higher under otherwise equa l condtiions . The radiation efficiency of the antenna and its invisibility are s ignificantly affected by plasma density . So , it is crucail to the improvements of antenna's radiation effic iency and i nvisbiility : to investigate the relation between the length of surface wave plasma column and i nput RF power when the Penning effect is found at that time andthe plasma density distribution alongthe ante nna . Key words :plasma antennas; plasdmean sity; Penning ags 等离子体天线是一种利用等离子体元素来等离子体天线中充入氦氩潘宁气体时，可降取代金属传导体元素的射频天线，通常由充满低 低放电起始功率，延长有效长度，增加等离子体 [1 , 5 , 6 ]压气体的绝缘管构成。绝缘管中的气体电离 密度。因此，研究潘宁效应存在时表面波等离子 后形成的等离子体具有良好的导电性，能和金属 体天线柱体放电起始功率的大小、等离子体长度 导电媒质一样接收和发射电磁波，等离子体就能 与所加射频功率的关系和等离子体密度沿天线 代替传统天线中的金属导体发射或接收电磁波 柱的分布对于提高等离子体天线的辐射效率和 [4 , 5 ]而构成等离子体天线。Moisan 等证实在气体柱 隐身性能至关重要。 一端加上射频形成表面波，表面波能激励并维持 本文根据潘宁效应的理论知识，定性分析了 等离子体柱体，这就是单极表面波驱动等离子体 氦氩混合气体在潘宁效应影响下对等离子体天 天线的方法，这种等离子体天线具有较高的效率 线物理特性的影响，实验测量了不同氦氩配比下 [1 ]较低的噪声。研究证实等离子体天线可以用来 等离子体天线的等离子体柱长度、等离子体密度 传输 AM 或 FM 音频信号和 TV 视频信号，具有 和放电起始功率的差异，研究得出用一定比例的 [1 , 5 ]广阔的应用前景。 氦氩潘宁气体充入放电管做成的等离子体天线 具有许多优良特性，对于等离子体天线的均匀稳面波能同时激励并维持等 离 子 体 柱 体 ，形 成 等 定激励与维持和提高天线的辐射效率与隐身性离 子 体 天 线 。 能至关重要。 柱状等离子体天线处于稳态时，单位长度等 离子体从表面波所吸收的功率与该处单位长度 1 基本理论 等离子体中的电子 - 离子对以 Bohm 速度向管壁 1 . 1 氦氩潘宁气体放电基本性质的定性分析 迁移复合而损耗掉的功率相等。 在稳态时，根据 众所周知，混合气体在潘宁效应影响下，其 能量转换和守恒定律可知，对于一定半径R 的等 空间电离机理非常复杂。可发生潘宁过程的混合 离子体柱，可得等离子体柱体上位置z 处的能量 气体中，杂质气体的电离电位比主气体的电离电 平衡方程 位低。对于氦氩潘宁气体，我们假设空间电离系 α (z )P (z ) = μ(T)Aξ(T) n (z , p ) Be eff Le 数由主气体氦气的电离系数α 、掺入杂质气体氩 1 其中等式左边为单位长 度等离子体柱从表 气的电离系数 α及潘宁过程而产生的电离系数 2 面波吸收的功率，右边为单位长度的等离子体柱 α三部分组成，即氦氩混合潘宁气体的总电离系 3 损耗的功率，α (z )为表面波的衰减系数，P (z )为 z 数为 α=α+α+α。显然，电离系数应该随着两种气 123 点处表面波功率，μ(T)是电子 - 离子对的 Bohm B e 体的混合比不同而变化。 速度，A是单位长度等离子体柱的有效表面积， eff 当等离子体天线中氦氩混合气体放电空间 ξ(T)是每一电子 - 离子对平均损耗的能量，n(z,p) Le建立起电场时，电子在迁移过程中一方面从电场 是电子数密度，它是轴向位置z 和充入气体压强p 获聚能量，另一方面和气体中的离子频繁的碰撞 的函数。 而损失能量(包括弹性碰撞和非弹性碰撞)。在混 表面波的衰减系数α (z )本质上是等离子体 合气体的均匀电场空间中沿电场反方向迁移时， 密度的函数，其近似表达式为 电子从电场获得的能量应该和电子碰撞损失的 α (n ) = 2Cv/(n - n) mres 能量相等。 9- 4其中 C ? 5 × 10ms 为一常数，v=v(p )是电 mm 当杂质增多时，即 P/P增大，其中 P是杂质 21 2 2 子 - 中性粒子碰撞频率的力矩变换 ，n= εmω{res0e气体的气压，P是主气体的气压，消耗在杂质气 1 2 (1+k)}/e是和激励源频率相对应 的 等 离 子 体 频 g 体上的非弹性碰撞损失增加，使非弹性碰撞损失 率的特征密度用包围等离子体的绝缘介质的介 的总能量增加，导致电子能量减少。 而电子的非 电常数 k修正的结果。 g 弹性碰撞损失的大小又和两种气体的配比P /P21 当输入的激励功率为P W 时 ， 在 天 线 底 端0 有关, 即 P/P越大，电子能量越低，这是由杂质气 21 z=0 处 ，对 应 的 n=A (p ) P, 密 度 n>n, 其 中 姨00 0res 体和主气体的原子性质所决定的。所以电子能量 n =A (p ), 这 里 A (p )= 2Cv (p )/ k (p ) ，对 于 给 定 的 姨0 m 随杂质浓度的增加而急剧的减少。对于氦氩潘宁 气压其值为常数，对于一定形状的天线k (p )是气 气体，主气体为氦气杂质气体为氩气，这两种原 压的函数。子的性质不同，氩的电离能比氦高，所以氩放电 2 . 1 等离子体天线长度 的电子温度要比氦气的高。 在同等条件下，纯氩 单极表面波驱动等离子体天线，当等离子体 放电的等离子体长度比纯氦放电的等离子体长 柱体内的气体被表面波激发时，等离子体从天线 度要长，纯氩放电的等离子体密度也比纯氦放电 底端由表面波激发开始形成并维持表面波沿着 的等离子体密度高。 等离子体柱体传播，在n ? n 范围内，等离子体 res 能在吸收表面波能量的同时维持表面波传播，当 2 单极表面波等离子体天线的基本理论 n=n到达天线顶端，等离子体不能再维持表面波 res 电磁波在非磁化等离子体中的色散关系为 [11 ]传播，n 就是表面波传播的临界密度。 res 2 222 ω= kc+ω pe z=0， 在等离子体天线柱体的底端，n=n，所以 0其中，ω 是电磁波频率，ω是等离子体频率 pe n L 0 0 Lh = - [7 ]0。 由上式可知，当 ω>ω时，等离子体相当于介 pe n res 电常数 ε<1 的电介质，电磁波在等离子体中传播 r 2Cv(p) mP其中，n=A (p) ，压强一定时，A (p)= 姨00 k(p)姨 时被阻尼而衰减;当ω >ω时，等离子体如同金 pe 是一常数。通常 h>>L，上式可以写为 0属，电磁波不能在其中传播，但是存在一种沿着 等离子体和介质之间界面传播的表面波，这种表 管，激励源频率为97 MHz，射频功率在 0~70W 之 2 Ph ? B (p ) ，其中 B (p )= 姨0 Ck(p)v(p)姨 m间可调。天线上镶嵌有6 个朗缪尔双探针用来测 可见，压强一定时天线长度与所加射频功率量相应位置处的电子密度，探针位置距天线底端 的平方根成正比，所以在一定压强下可通过改变 的距离分别为 15 、32 、49 、66 、83 、100 cm。功率可 所加射频功率改变天线长度。 对于给定的频率， 调的射频通过双短线调谐器向铜环形泵提供，环 可以通过控制所加射频功率来控制天线的最佳 形泵与箱体之间形成的强电场在插入其中的等 谐振长度以发挥天线的最佳接收性能。 离子体和玻璃管的接口处驱动表面波，激发管内 2 . 2 等离子体密度沿天线轴向的变化 的等离子体，表面波沿等离子体天线传播激发并 柱状等离子体天线任意位置z 处的等离子 维持等离子体就形成等离子体天线，等离子体天 体密度由以下功率平衡决定:单位长度等离子体 线的顶端(z = h)与 供 气 系 统 和 P431-2 型 真 空 装 从表面波所吸收的功率与该处单位长度等离子 置相连。 体中的电子 - 离子对以 Bohm 速度向管壁迁移复 合而损耗掉的功率相等。在等离子体天线的不同 位置，单位长度的等离子体从表面波吸收的功率 不同，因此天线不同位置单位长度的等离子体损 耗掉的功率也不同，等离子体密度在天线柱不同 位置也不同。 沿等离子体天线柱不同位置的等离子体密 度与表面波功率损耗的关系为 图 1 实验装置原理图 Fig. 1 Schematic of experimental setup K P (z ) = n(n-n) res2Cv m 将等离子体天线与真空装置连通抽真空至 - 4 将上式对 z 微分并带入下式 10Pa 的 本 底 气 压 ，充 入 氩 气 1 atm 左 右 ，然 后 dP 抽至 5 Pa 。点亮等离子体天线，观察等离子体天 = - 2aP = - Kn dz 线的发光部分确定等离子体长度，其顶端点选 2Cv 1 dn m [1 ] = - 得在天线亮度迅速衰减之上5 cm 处。 记录放电 n dz 2n-n res 起始馈入功率、馈入天线的功率、等离子体长度 在天线顶端 z = h 处有 n = n, n为允许表面 res res 和在等离子体长度内的各探针上的偏压V 和电 D 波传播的 n 的最小值，将上式积分并考虑任意位 [2 , 3 ]流 I，以计算确定各个探针附近的电子温度和 D 置 z 处的边界条件可得 电子密度。根据理论部分所述等离子体密度沿天 n (z ) n(z) 1 h-z- ln = 1+ 姨姨线分布的线性关系推算出天线最底端的等离子 n n2 L res res0[1 ]体密度 n。改变馈入功率，重复上述步骤，就得 0 其中，L= n/Cv是特征长度标度。 0 resm 到了等离子体长度、等离子体密度与馈入功率的 多数情况下，n / n垌ln (n / n)，故res res 关系。再充入氦气使总气压达到1000 Pa，以确定 n hz- ?1+ nL res0氦氩混合比为 199 :1 ，然 后 再 抽 至 5 Pa ，点 亮 等 由上式可知，天线上的等离子体密度从底部离子体天线，用上述方法分别测得等离子体长 到顶部近似呈线性递减，当n < n时表面波不能 度、密度的值。改变两种气体的配比重复上述步 res 传播，n = n时对应的点就是天线的实际顶端点， res 骤，可以分别得到总气压为20 Pa 时的等离子体 从底端点到顶端点的长度就是等离子体的实际 天线各项数据。同理，可以得到在两种气体不同 长度。 配比情况下等离子体天线的各项物理性质。 在等离子体天线的不同位置用朗缪尔双探 下面是我们实验测量的各组数据的图像。我 针测量电流，根据双探针伏安特性曲线，求出对 们测量了氦氩多种配比情况下的数据，结果发现 应点的等离子体密度。 在相同条件下，Ar 占总气体的 0 . 05 % 时有极值， 为了图像清晰可见，在以下各图像中我们仅作出 3 实验系统的建立与实验结果了 Ar 占总气体的 0 . 05 % ，1 % 和 0 . 01 % 时的曲线。 实验装置示意图如图1 所示，等离子体天线 在以下分析中，我们均考虑了我们测量的所有情 是直径 26 mm，管壁厚 1 mm，长 1 . 2 m 的石英 况，不再赘述。 体密度比纯 He 和纯 Ar 的都要高，并且当A r 占 0 . 05 % 时等离子体密度最高。 图 5 为实验测得的充入氦氩混合潘宁气体 时等离子体天线与相同尺寸的传统铜天线 (大小 完全相同)接收本地 FM 信号的强度。可以看出， 两种天线接收信号的幅度是近似的，在整频段 上，等离子体天线接收信号的幅度比金属天线低 2 dB 左右，但是由于底部噪声的影响，等离子体 图 2 等离子体柱长度与溃入功率的关系(p=5 Pa) 天线的平均噪声要比金属天线高1 dB 左右。 所 Fig. 2 Relationship between plasmcoal umn length and input RF power 以从噪声特性上来说，氦氩潘宁气体等离子体天 (p=5Pa ) 线作为接收天线是可行的。 图 3 等离子体柱长度与溃入功率的关系(p=20 Pa) Fig. 3 Relationship between plasmcoal umn length and input power (p=20Pa ) 图 5 接收信号强度对比 图 2 和图 3 为我们实验测量的等离子体柱长 Fig. 5 Comparison betweens ignal strength received by plasmaa ntenna 度与溃入功率的关系曲线。容易看出，在其他条件 and copper antenna 相同时，在纯 He 气中加入适量 Ar 气后，等离子体 柱长度明显变长。这是由于潘宁效应使气体更容 结束语4 易放电，等离子体密度比纯气体密度高，但主气体 本文根据潘宁气体放电规律对单极表面波 仍为 He 气，其截止密度变化不大，因而氦氩潘宁 等离子体天线在氦氩气体潘宁效应影响下的等 气体放电中的等离子体柱长度比纯H e 和纯 Ar 放 离子体长度和等离子体密度进行了详尽的实验 电的等离子体柱长度都要长。根据以上两图我们 研究，并对比了潘宁气体存在时等离子体天线与 铜天线的接收特性。我们知道，等离子体长度、密 可以推测等离子体天线在一定充气总压强下，氦 度是等离子体天线的重要参量，这些参量对于提 氩潘宁气体放电的等离子体柱长度比纯H e 和纯 高等离子体天线的性能特别是辐射和隐身性能 Ar 放电的等离子体柱长度都要长，当A r 占总气体 至关重要，因此研究氦氩潘宁气体存在时等离子 比例的 0.05%时等离子体柱长度最长。 体天线的等离子体参量意义重大，研究得出用一 定比例的氦氩潘宁气体充入放电管做成的等离 子体天线具有许多优良特性，对于等离子体天线 的均匀稳定激励与维持和提高天线的辐射效率 与隐身性能至关重要。 参考文献 图 4 等离子体密度沿天线轴向的变化 Fig. 4 Distribution of plasma deintys along plasmac olumn John P R , Adrian P W, Andrew D C et al . Physical 1 [] charatceristics of Plasma Antenna[s J ]. IEEE Trasactions 图 4 为实验测得的等离子体密度沿天线轴 on plasmas cence . FEB 2004 , 32 (1 ) :269- 281 . i向的变化关系。可以看出，等离子体密度随着离 向志遴，愈昌旋. 高温等离子体诊断[M]. 上海: 上海科 [2 ] 激发源距离的增加沿等离子体天线向上近似线 学技术出版社，1982 :27- 31 . 性递减，这与理论相符。 氦氩潘宁气体的等离子 [3 ] Weymouth FJ . Plasma Diagnostics in Electric Discharge Light Sources [J ] S. D, Ca , Academic , 1989 , 1 :65 . February 21 , 2001 . [8 ] Moisan M, Zakrzewski Z J . Plasma source based on the [4 ] Borg G G, Harris J H , Miljak D G et al . Application of plasma ocumns to radiorequenyc antennasJ . ppl . Phys . propagaton of eectromagnetc surface wavesJ ]. J Phy D, lf[]Aili[ lett . , 1999 , 74 : 3272- 3274 . Appl . Phys . , 1991 , 24 :1025- 1048 . Plasma as [9 ] Golant V E , Zhilinsky A P , SakharovI E . Fundamentals [5 ] Borg G G, Harris J H , Martin N M et al . antennas : Theory experiment and applications of Plasma Physic[s M ]. New ork : John Wey and Sons , Yil[J ], Phys . 1980 . plasma , 2000 , 7 :2198- 2202 . 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Phys . plasma , !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 《真空镀膜技术》和《真空镀膜设备》出版发行 由东北大学张以忱主编的真空工程技术丛 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf :《真空镀膜技术》和《真空镀膜设备》两书由冶金工业出版社出版发 行。《真空镀膜技术》主要内容:薄膜基础理论、真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀膜、真空卷绕镀膜技术、真空 化学气相沉积(CVD)、离子注入与离子辅助沉积技术I、TO 导电玻璃镀膜工艺、薄膜厚度测量与监控、薄膜与表面分析 检测技术。 书中还系统地介绍了反应溅射镀膜、非平衡磁控溅射和中频交流溅射镀膜技术。 《真空镀膜设备》详细介绍了真空镀膜设备的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法与镀膜机各机构元件的设计计算、设计参数的选择，其中还 重点系统地介绍了磁控溅射靶的设计计算和膜厚均匀性设计。 该书具有很强的实用性，适合于真空镀膜行业、薄膜与表面改性、材料工程、真空镀膜设备设计制造、真空镀膜设 备的应用以及与真空镀膜技术有关的行业从事设计、设备操作与维护的技术人员，还可用做大专院校相关专业师生的 教材及参考书。 购书方式:? 全国各大书店;? 冶金工业出版社发行部(邮购)电话 :(010)64044283， 传真:(010)64027893 ; ? 北京冶金书店(邮购)电话 :(010)65289081 (真空杂志社) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 《真空测量与控制》一书出版发行 合肥工业大学朱武、干蜀毅编著、王先路教授主审的《真空测量与控制》一书2008于 年 4 月由合肥工业大学出版社 出版发行。 《真空测量与控制》系统介绍了真空测量、真空校准、真空检漏、真空控制的原理和方法。主要内容包括:真空测量技术、液 位式真空计、热传导真空计、热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计、分压力测量和残余气体分析、真空计校准、真空检漏的基 本原理、各种检漏方法、氦质谱检漏仪及其它检漏仪、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 漏孔、真空测量仪器电路、真空设备与系统的自动控制等。 本书编写过程中注意知识体系的完整性，也力求能够反映新技术新成果，达到知识性和实用性的统 。 一本书可 作为高等学校真空技术及设备、材料科学与工程、物理学等相关专业本科生、研究生的教材，也可供从事真空获得、真 空测量和真空应用的工程技术人员参考。 本书的出版，得到了合肥工业大学出版社的热情支持和帮助，谨致衷心的感谢～ (朱武 供稿) file:///D|/我的资料/Desktop/新建文本文 档.txt Appliance Error (configuration_error) Your request could not be processed because of a configuration error: "Could not connect to LDAP server." For assistance, contact your network support team. file:///D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txt2012-07-12 20:42:52