曹虹+李瑞

摘要：等離子體診斷技術是一種探測等離子體特性的技術，本文對微波法等離子體探測的原理進行理論分析，主要包括自由傳播法和空腔法，并對該方法的特點進行討論。本討論對等離子體光譜診斷具有一定參考意義和價值。

關鍵詞：微波法；等離子體診斷；原理分析

一、引言

在自然物質中，除了固體、液體和氣體這三種基本形態(tài)之外，還有第四大基本形態(tài)——等離子體。如今，等離子體已成為物理學科學研究中的重要組成部分。等離子體技術已經在各個領域有了顯著的發(fā)展。

等離子體是多粒子體系，由處在非束縛態(tài)的帶電粒子組成，泛指那些電離后氣體。等離子體與普通的氣體不同，它不僅含有中性的分子和原子，還有大量的電子及離子，所以具有很好的導電性。另外，因為等離子體中的正負電荷量是相等的，所以等離子體整體對外是顯示中性的，因此稱為等離子體。

等離子體在宇宙中占據絕大多數。它的出現(xiàn)通常會有華麗的光芒和色彩，形成宏偉、神秘的自然奇觀。生活中的雷電、極光等現(xiàn)象是我們常見的天然等離子體。除此之外，還有白熾燈、熒光燈燈管中的氣體、電焊時的高溫電弧以及等離子顯示器。在外太空存在著大量的等離子體，如太陽風、星際介質、星云等。

等離子體特性診斷是利用物理規(guī)律和現(xiàn)象測定等離子體特性的一種方法。根據測量要求和實驗條件選取不同的診斷方法。常用的方法包括光譜法、探針法和微波法。在常見等離子體特性診斷中，需要測得的參數主要有電子的溫度、電子數密度和離子溫度等。本文主要對微波法的具體原理進行分析討論。

二、微波法等離子體診斷的基本原理

等離子體如果遇到微波，二者就會產生相互作用。微波法就是利用二者的相互作用產生的可視變化，得到描述等離子體特征參量的方法。等離子體中有微波通過時，微波器件會有一系列的變化，微波在等離子體中也會表現(xiàn)出相位移動、微波折射、反射等物理現(xiàn)象。在實驗中，我們可以測得微波在等離子體中的位移量、衰減量等相關物理量；再通過理論分析，可以推測出等離子體中粒子的碰撞頻率和電子密度等參量，從而確定等離子體的特性。

通過微波在等離子體中通過產生的物理現(xiàn)象測量數據并推測等離子體特性的診斷過程稱為微波傳輸的測量。此測量過程可使用兩種方法，自由傳播法和空腔法。自由傳播法還可以細分為微波反射測量、衰減測量、相位移動測量等基本方法。

微波法除微波傳輸的測量之外，還有一種可以診斷等離子體特性的方法，即等離子體微波輻射的測量。等離子體微波輻射測量的基本原理與微波傳輸測量有些差別，等離子體微波輻射不用借助外來電磁波譜，而是直接測量等離子體本身的黑體輻射、相干輻射、回旋輻射等物理量，通過測得等離子體輻射發(fā)出的電磁波的參數判斷等離子體特性。

三、微波法常用測試設備

1.微波諧振腔

微波諧振腔是一個金屬腔，這個金屬腔可以傳輸微波的諧振和波導。腔內有封閉的等離子體，當腔內等離子體有微波穿過時，諧振腔的狀態(tài)就會根據等離子體特性的不同而有不同的表現(xiàn)。由擾動分析等方法，結合數據能得到諧振頻率的移動、諧振腔品質因數與等離子體特性的關系，根據得到的關系式及測得的數據就可以推算出描述等離子體特性的參數，如電子密度、電子溫度、電導率等。空腔法只適用于電子密度不高、體積適中的等離子體特性診斷。

2.微波干涉儀

微波干涉儀是一套微波裝置，該裝置可以利用微波相位的移動檢測等離子體特性參量。微波傳輸測量中自由傳播法常用到微波干涉儀，微波干涉儀可以測量出傳輸信號的衰減，并在瞬變等離子體的觀測中得到了廣泛應用。在微波干涉儀中，微波信號在內部分成兩部分，一部分從被測等離子體中通過，這一部分微波信號的相位隨著等離子體特性參數的變化而產生變化；另一部分稱為參考路徑，這部分微波信號的相位是不會發(fā)生移動的。在微波干涉儀內分開的這兩部分信號通過了相應的路徑后，會在耦合器等微波器件中再次相遇，并疊加起來產生微波干涉現(xiàn)象。相位的移動和振幅的衰減都會影響干涉儀的響應。被測等離子體的電子密度、溫度以及電子碰撞的頻率都可以由微波干涉儀測出。

四、微波法診斷特點

微波法診斷等離子體特性是實際診斷中常用的方法。在微波法診斷等離子體特性時，被診斷的等離子體特性不會被微波所干擾，故測得的數據比較精確。但微波法的使用是有局限性的，微波法測量的動態(tài)范圍相對較小，空間響應能力不強。故微波法要在適合的情況下使用才能發(fā)揮優(yōu)勢。

參考文獻：

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