（物理电子学专业论文）特殊等离子体环境物理信息获取与处理的研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 随着工业和电子技术的进步，等离子体概念的范畴也在不断扩大，从早期的 气体放电逐步扩展到当今社会的方方面面。在航空航天领域，随着“神七”上天 和大飞机项目上马，人们发现了很多急待解决的工程问题，如飞船再入过程中的 通讯中断，目标识别，降低运动物体的雷达散射截面等。这样，超声速飞行器在 大气层飞行中产生的激波，火箭发动机燃料中掺有的铯、钾、钠等易电离成分所 形成的喷流，宇宙飞船再入阶段的表面烧蚀等特殊等离子体环境的物理信息获取 与处理的研究就受到越来越多的重视。美俄等国已经在这一领域进行了充分的实 验积累，而国内由于缺乏相应的实验技术和环境，该工作尚处在起步阶段。在能 源领域，人们借助托卡马克中产生的高温等离子体进行可控热核聚变的研究，可 以解决传统的化学燃料效率低和污染重的问题，为人类寻找新的清洁能源。上述 等离子体往往处在具有高温、高压和高流速等特殊环境中，它们的密度和存在时 间跨度很大( 密度从1 0 9 到1 0 ”c m 。，存在时间从1 m s 到几十分钟) ，因此其性质 与传统的稳态等离子体有较大差异。 为了获取这些特殊等离子体环境下的物理信息，探讨它们与载体的相互关 系，更好的将其应用到航空航天、能源等领域中，本文根据相关课题的要求，在 模拟各种空间环境的地面实验装置上，依照特殊等离子体环境的特点，设计并自 主研发了对应的数据采集与处理平台，包括数据采集、结果的在线分析和存储等， 配备了相应的软硬件系统。实验中本文尝试采用多种手段获取同一等离子体参 数，独立的比较各种方法所得结果之间的差异，尽可能的还原出真实的物理信息。 本文还对等离子体数据处理进行了深入的研究，借助各种物理数学模型和专用的 科学计算工具，离线求解出相应的等离子体参数，如电子温度、电子密度，电子 碰撞频率等。 本论文的主要内容如下： 1 根据课题研究和测试环境的需求，本文建立了相应的等离子体数据获取平 台，包括静电探针集成诊断系统、十路探针阵列诊断系统和多路光纤光谱仪， 并对每种采集系统都进行了标定与测试。 2 在项目预研阶段，为了验证数据获取与处理方法的可行性和可靠性，本文在 直流辉光稳态装置上，结合静电探针与发射光谱方法，分别获得了辉光正柱 区的电子温度与电子密度，对两种方法的特点进行了比对，并在后续特殊等 中国科学技术大学博士学位论文摘要 离子体环境数据获取与分析中进行了改进和推广。 3 本文从实验上研究了特殊等离子体环境中静电探针数据获取和处理方法。文 中使用的静电探针主要是单探针和三探针。特殊等离子体环境一般具有高温 高压等特点，普遍存在电磁干扰，所以本文在设计数据采集系统时充分考虑 了屏蔽和隔离的问题。在数据处理方法上，由于传统的基于无碰低气压假设 的探针理论已经失效，本文在充分调研的基础上，选择了s m y 和k i e l 等人 的基于高气压强碰撞假设的探针电流收集理论，在仔细分析特殊等离子体环 境的基础上加以应用，获得了电子密度和电子温度等参数及其时空分布。 4 根据项目要求，本文分别在飞行环境地面实验装置、固体助推剂成分实验装 置和粉末激波管上使用静电探针完成了电子密度、电子温度和碰撞频率等参 数的测定。飞行环境地面实验要求获得电子密度在实验腔体内部的分布情 况，因此运动探针阵列被用来获得了喷流等离子体的电子密度和电子温度的 时空分布图，为推进器的型号筛选和性能改进提供实验依据。助推器的燃料 成分实验装置空间有限，所以单探针被选作诊断方法。在粉末激波管等离子 体参数诊断中，由于来流存在时间短，传统的单探针扫描的方法已经不能使 用，所以无需扫描电源的三探针诊断方法被采用，同时高速信号采集技术被 用来获得了探针的饱和电流，再通过相关的物理模型计算出该等离子体电子 密度和电子温度的时间分布，并导出碰撞频率。 5 本文在飞行环境地面实验装置上使用多路光纤光谱仪获得了氩气放电的发 射光谱。这里的等离子体电子温度相对较低，维持导电主要是依靠电子碰撞 使气体电离，因此这种放电形式属于弱电离、非平衡态放电，其发射光谱主 要是原子谱线的辐射。这种条件下，由于激发态的粒子布居密度偏离 b o l t z m a n n 分布，所以本文在分析原子发光的机理基础上，使用了f e r m i d i r a c 模型、基于非平衡态日冕模型、两种电子激发碰撞截面模型四种新的模型或 方法重新计算电子温度。并对这几种方法的计算结果进行了比对，确认了双 曲函数模型是在该条件下计算电子激发温度的最佳模型。 6 本文将探针和光谱的数据处理技术进行了比对，分析了结果的一致性与系统 误差，为今后类似的工作提供了借鉴。 7 针对高温等离子体的软x 射线辐射，本文设计了一套诊断系统，可以获得软 x 射线的时空分布，以及相应的磁流体动力学( m h d ) 不稳定性。该工作包 括系统的设计安装，电路实现，图像重建和m h d 不稳定性的分析等过程。 本论文的主要创新之处在于： 1 本文设计的便携式探针集成诊断平台，合作设计的十路探针诊断系统等两套 i i 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 一体化探针数据获取装置，已经成功应用于喷流等离子体、助推剂燃烧和粉 末激波管环境的探针实验，解决了实验室原有的分立元件诊断系统存在的集 成度低、抗干扰能力差、携带不便、对多样化的复杂实验场地条件适应能力 较差等问题。 2 在探针数据处理方法上，本文系统总结了s m y 和k i e l 等人的基于高气压强 碰撞假设的探针电流收集理论，并应用于各种特殊等离子体环境的探针数据 处理中，获得了电子密度和电子温度等参数及其时空分布，解决了喷流等离 子体、助推剂燃烧和粉末激波管环境的探针数据处理无合适的理论依据的问 题。 3 本文系统总结了f e r m i d i r a c 模型、基于非平衡态日冕模型、两种电子激发 碰撞截面模型等多种基于热力学非平衡态的光谱计算模型，解决了飞行等离 子体环境的电子激发温度的计算问题。 4 本文是国内首次在粉末激波管等离子体试验中使用三探针诊断和高速数据 采集技术，从实验上获取了该等离子体电子密度和电子温度的时问分布，并 导出碰撞频率，解决了国内高温高压高马赫数粉末激波管研究一直依赖数值 模拟，缺乏合理可信的实验数据的问题。 5 在加拿大s t o r m 托卡马克上本文首次实现了紧凑型软x 射线诊断系统的 安装与测试，并进行了初步实验，解决了原有的软x 射线系统体积大、对光 强敏感度低的缺点，为后续的m h d 不稳定性研究提供了完善的硬件平台。 i i i 中国科学技术大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y a n de l e c t r o n i c s ，t h ec o n c e p tf o rt h e c o n v e n t i o n a lp l a s m ae x t e n d sf r o mt h eg a s d i s c h a r g et o e v e r ya s p e c ti ns o c i e t y a c c o r d i n g l y i na e r o s p a c ea r e a , w i t ht h el a u n c ho fs p a c e c r a f ts h e n z h o u - 7a n dt h e s t a r t u po fl a r g ep a s s e n g e rj e t s ，p e o p l ef i n dm a n ye n g i n e e r i n gp r o b l e m st ob ef i g u r e d o u tl i k et h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t i o nd u r i n gt h es p a c e c r a f t sr e e n t r y , t h et a r g e t i d e n t i f i c a t i o na n dt h er e d u c t i o no fr a d a rs c a t t e r i n gc r o s ss e c t i o nf o rt h em o v i n go b j e c t a n ds oo n i tc o u l db ec o n s i d e r e da s s p e c i a lp l a s m ae n v i r o n m e n tt h a ts h o c k w a v e a c c o m p a n i e dw i t l lt h ef l i g h ti na e r o s p h e r eo fh i g h p e r s o n i ca e r o c r a f t ，t h ej e tf r o mt h e r o c k e to rj e tp l a n ea n dt h es u r f a c ea b l a t i o nd u r i n gt h er e e n t r ys t a g eo fs p a c e s h i p t h e a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gf o rt h ep h y s i c si n f o r m a t i o ni nt h ea b o v es p e c i a lp l a s m a e n v i r o n m e n th a sg a i n e dg r e a tal o ta t t e n t i o n s o m ec o u n t r i e sl i k et h eu sa n dr u s s i a h a v ea c c u m u l a t e dp l e n t yo f e x p e r i e n c e si nt h i sa r e a h o w e v e rt h i sj o bi no u rc o u n t r y i ss t i l lu n d e v e l o p e db e c a u s eo ft h el a c ko f n e c e s s a r ye x p e r i m e n ts k i l l sa n di n s t r u m e n t s i ne n e r g ya r e a , h i g ht e m p e r a t u r ep l a s m ai nt o k a m a ki su s d e di nt h ec o n t r o l l a b l e f u s i o nr e s e a r c hw h i c ha i m sa tt h es o l u t i o no fc l e a ne n e r g y a l lt h ep l a s m ae x i s t si nt h e s p e c i a lc i r c u m s t a n c e sw i t hh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n dh i g hs p e e df l o w t h e d e n s i t yo ft h ep l a s m ar a n g e sf r o m10 9t o10 1 3c m4w h i l et h el a s t i n gt i m ei s f r o m lm st od o z e n so fm i n u t e s s ot h ep r o p e r t yo ft h ea b o v e p l a s m av a r i e sal o tf r o mt h e s t e a d yp l a s m a i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ep l a s m ap a r a m e t e r si nt h es p e c i a lc i r c u m s t a n c e sa n dt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ec a r r i e ra n dp l a s m ai t s e l f , t h ed i a g n o s t i cp l a t f o r mi sd e s i g n e da n d i n s t a l l e do nt h ef a c i l i t i e sw h i c hs i m u l a t et h e s p a c ee n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h ed a t aa c q u i s i t i o n ，o n l i n ea n a y s i sa n ds t o r a g ea c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so fd i f f e r e n tt y p e so fp l a s m aa n dp r o j e c tr e q u i r m e n t s i ne x p e r i m e n t ， m u l t i p l ed i a g n o s t i c sh a v eb e e na t t e m p t e dt oa c q u i r et h es a m ep l a s m ap a r a m e t e r s o t h er e a lp h y s i c si n f o r m a t i o nh a sb e e nr e v e a l e db yi n d e p e n d e n tc o m p a r i s o no ft h e v a r i o u sr e s u l t si no r d e rt og e tb e t t e ra p p l i c a t i o ni nt h ee n e r g ya n da e r o s p a c ea r e a a d d i t i o n a l y , t h ef u r t h e rr e s e a r c hf o rt h ep l a s m ad a t aa n a l y s i sh a sb e e nd o n e t h e p l a s m ap a r a m e t e r sl i k e e l e c t r o n t e m p e r a t u r e ，e l e c t r o nd e n s i t ya n dc o l l i s i o n a l f r e q u e n c ya r ec a l c u l a t e do f f l i n eb a s e do nd i f f e r e n tp h y s i c sm o d e l sw i t ht h eh e l po f i v s c i e n t i f i cc a l c u l a t i o ns o f t w a r e t h em a i nc o n t e n t si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w i n g r h ep l a s m ap a r a m e t e r sd i a g n o s t i cp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e db a s e do nt h ep r o j e c t r e q u i r e m e n t sa n dt e s t i n gc i r c u m s t a n c e s t h ep l a t f o r mi sc o m p o s e do fs i n g l e t r i p l e e l e c t r i cp r o b e sd i a g n o s t i cs y s t e m ，t e n c h a n n e ls i n g l ee l e c t r i cp r o b e a r r a ys y s t e m a n dg r a t i n gs p e c t r o s c o p y t h ec a l i b r a t i o na n dt e s t i n gh a v eb e e nm a d eo ne a c h s y s t e m f o rt h ec e r t i f i c a t i o no ft h ef e a s i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yf o rt h ed a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g ，t h ee l e c t r o nd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r ei nt h ep o s i t i v ec o l u mr e g i o n h a v eb e e no b t a i n e db ye l e c t r i c p r o b ea n de m i s s i o ns p e c t r u mi nt h ed cg l o w d i s c h a r g i n gf a c i l i t yb e f o r et h er e a le x p e r i m e n t s t h et w om e t h o d sh a v eb e e n c o m p a r e da n dt h e ya l s oh a v eb e e ni m p r o v e da n de x t e n d e di nt h ef o l l o w i n gd a t a a c q u i s i t i o na n da n a l y s i sf o f 也es p e c i a lp l a s m ae n v i r o n m e n t t h ee l e c t r i cp r o b ed a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gm e t h o d si nt h es p e c i a lp l a s m a e n v i r o n m e n ta r ei n v e s t i g a t e df r o me x p e r i m e n t t h ee l e c t r i c p r o b e su s e di nt h e p a p e ra r es i n g l ea n dt r i p l ep r o b e s g r e a ta t t e n t i o nh a sb e e nt a k e ni nt h es h i e l d i n g a n di s o l a t i o n d e s i g n o ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb e c a u s eo ft h eh i g h t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h es p e c i a lp l a s m ae n v i r o n m e n tw i t he l e c t r o m a g n e t i c d i s t u r b a n c e t h e p r o b ec u r r e n tc o l l e c t i o nt h e o r yw h i c hi sb a s e do nt h e h i g h - p r e s s u r ec o l l i s i o n a la s s u m p t i o ni s s u e db ys m ya n dk i e li ss e l e c t e d 弱t h e d a t ap r o c e s s i n gm e t h o db e c a u s et h ec o n v e n t i o n a lp r o b ec u r r e n tc o l l e c t i o nt h e o r y w h i c hi sb a s e do nt h en o n c o l l i s i o n a l l o w p r e s s u r ea s s u m p t i o ni su s e l e s s t h e s p a c i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r ea r ec a l c u l a t e db vt h e a b o v em e t h o d s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sf r o mt h ep r o j e c t s ，e l e c t r i cp r o b e sa r ea p p l i e df o r t h ee l e c t r o n d e n s i t y , t e m p e r a t u r ea n dc o l l i s i o n a lf r e q u e n c yi nt h eg r o u n d e x p e r i m e n tf a c i l i t yo ff l i g h tc i r c u m s t a n c e s ，t h ec o m p o n e n t so fs o l i dr o c k e t p r o p e l l a n tt e s t i n gd e v i c ea n ds i n t e r e ds h o c k w a v et u b e t h em o v i n gp r o b ea r r a yi s u s e da st h ed e m a n d i n go fe l e c t r o nd e n s i t ys p a c i a ld i s t r i b u t i o ni nt h ev a c u u m c h a m b e ri nt h eg r o u n de x p e r i m e n t f a c i l i t yo ff l i g h tc i r c u m s t a n c e s w h i c h p r o v i d e se x p e r i m e n td a t af o rt l l em o d e ls e l e c t r i o na n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t o ft h et h r u s t e r t h es i n g l ep r o b ei s p r e f e r r e di nt h ep r o p e l l a n tc o m b u s t i o n e x p e r i m e n tb e c a u s eo fi t ss m a l ls p a c e t h et r i p l e p r o b ew h i c hd o e s n tn e e d v l z 王 乱 中国科学技术大学博士学位论文a b s t r a c t s c a n n i n gv o l t a g ei ss e l e c t e di nt h es i n t e r e ds h o c k w a v et u b eb e c a u s eo ft h e s h o r t - t i m ec o m i n gs h o c k w a v e i nt h em e a n w h i l et h eh i g l l 一s p e e ds i g n a la c q u i s i t i o n t e c h n i q u ei su s e dt og e tt h ep r o b es a t u r a t i o nc u r r e n t t h et e m p e r a ld i s t r i b u t i o no f t h ee l e c t r o nd e n s i t ya n d t e m p e r a t u r ea r ee v a l u a t e df r o mp h y s i c sm o d e l s 5 t h em u l t i c h a n n e l g r a t i n gs p e c t r o m e t r y h a sb e e nu s e dt o g e tt h ee m i s s i o n s p e c t r u mi nt h ea r g o nd i s c h a r g ei nt h eg r o u n de x p e r i m e n tf a c i l i t yo ff l i g h t c i r c u m s t a n c e s t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ei sr e l a t i v e l yl o ws ot h a tt h ec o l l i s i o n a l i o n i z a t i o ni st h em a i nr e a s o nf o rt h ed i s c h a r g e t h et y p eo fd i s c h a r g eb e l o n g st o t h ew e a kn o n e q u i b i r i u md i s c h a r g ea n dt h er a d i a t i o nf r o mt h ea t o m sc o n t r i b u t e sa l o tt ot h ee m i s s i o ns p e c t r u m i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n gf o u rm o d e l sa r eu s e dt o c a l c u l a t et h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r eb a s e do nt h em e c h e n i s mo ft h ea t o mr a d i a t i o n b e c a u s et h ep o p u l a t i o no ft h ee x c i t e dp a r t i c l e sd e v i a t e sf r o mb o t z m a n n d i s t r i b u t i o n t h ef o u rm o d e l sa r ef e r m i d i r a cm o d e l ，c o r o n am o d e lb a s e do n n o n e q u i l i b r i u ma n dt w ok i n d so fe l e c t r o ne x c i t a t i o nc o l l i s i o n a lc r o s ss e c t i o n m o d e l s t h eh y p e r b o l i cf u n c t i o nm o d e li st h eb e s tc h o i c ea f t e rt h ec o m p a r i s i o no f t h er e s u l t sf r o mt h ef o u rm o d e l s 6 t h ec o m p a r i s o no ft h ed a t aa c q u i s i t i o nm e t h o d sb e t w e e nt h ee l e c t r i cp r o b ea n d t h es p e c t r o s c o p yp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o r t h es i m i l a rf u t u r ew o r k 7 as o f tx - r a yd i a g n o s t i cs y s t e mi sd e s i g n e df o rt h es t o r - mt o k a m a kw h i c hi s a b l et oa c q u i r et h es p a t i a la n dt e m p e r a ld i s t r i b u t i o no ft h es o f tx r a ya n dt h e m h d i n s t a b i l i t y t h ew o r ki n c l u d e st h eh a r d w a r ed e s i g n ，t o m o g r a p h ya n dt h e a n a l y s i so fm h di n s t a b i l i t y t h ei n n o v a t i o nf o rt h ep a p e ri sa sf o l l o w i n g 1 t h ep o r t a b l ei n t e g r a t e dp r o b ed i a g n o s t i cp l a t f o r ma n dt h et e n c h a n n e lp r o b e d i a g n o s t i cs y s t e ma r ea p p l i e di nt h ep l a s m aj e t ，t h ep r o p e l l a n tc o m b u s t i o na n dt h e s i n t e r e ds h o c k w a v et u b ew h i c hs o l v e dt h ep r e v i o u ss h o r t a g e si nt h el a bl i k el o w i n t e g r a t e d ，t o os e n s i t i v ea n du n p o r t a b l ed i a g n o s t i cs y s t e mw h i c ha r ec o m p o s e do f c o n c r e t ec o m p o n e t s 2 t h ep r o b ec u r r e n tc o l l e c t i o nt h e o r yw h i c hi sb a s e do nt h eh i g h - p r e s s u r e c o l l i s i o n a la s s u m p t i o ni s s u e db ys m ya n dk i e li ss e l e c t e da st h ed a t ap r o c e s s i n g m e t h o dw h i c hi su s e di nt h ep r o b ed a t ap r o c e s s i n go fv a r i o u ss p e c i a lp l a s m a e n v i r o n m e n t t h es p a c i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r ea r e c a l c u l a t e db yt h ea b o v em e t h o d sw h i c hs o l v e dt h el a c ko f a p r o p r i a t ep r o b et h e o r y v i 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h es p e c i a lc i r c u m s t a n c e s t h ef o u rm o d e l sw h i c ha r ef e r m i d i r a cm o d e l ，c o r o n am o d e lb a s e do n n o n - e q u i l i b r i u ma n dt w ok i n d so fe l e c t r o ne x c i t a t i o nc o l l i s i o n a lc r o s ss e c t i o n m o d e l sa r es u m m e r i z e df o rt h ep u r p o s eo fc a l c u l a t i n ge l e c t r o ne x c i t a t i o n t e m p e r a t u r e i nt h ep a p e r , i t st h ef i r s tt i m ei n l a n dt h a tt h et r i p l ep r o b ea n dh i g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o nt e c h n i q u ea r eu s e di nt h e s i n t e r e ds h o c k w a v et u b e t h et e m p e r a l d i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r o nd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r ea r eo b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t t h i sa l s ol e a d st ot h ee l e c t r o nc o l l i s i o n a lf r e q u e n c yw h i c hg e t sr i do f t h e d e p e n d e n c e o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h er e s e a r c ho fi n l a n d h i g h - t e m p e r a t u r e ，h i g h p r e s s u r ea n dh i g h m a c hs i n t e r e ds h o c k w a v et u b e i t st h ef i r s tt i m ei nc a n a d i a ns t o r mt o k a m a kt h a tac o m p a c ts o f tx - r a ys y s t e m i si n s t a l l e da n dt e s t e d t h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n th a sb e e nd o n e t h ew o r k s o l v e dt h el a r g ev o l u ma n dl o ws e n s i t i v es h o r t a g e sf o rt h eo r i g i n a ls y s t e m i t p r o v i d e sap e r f e c th a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho ff u t u r em h di n s t a b i l i t y v l i 爻 t i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：金、仞置作者签名：笙里至f 如如年l1 只3b 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和目的 第一章绪论 等离子体是物质的第四态，宇宙中物质的9 9 是以等离子体的状态存在的。 电离层、极光、雷电、荧光灯、电弧等都是生活中能够见到的等离子体。从密度 为1 0 6 m _ 3 的稀薄等离子体到密度为1 0 2 5 聊- 3 的高密度电弧放电等离子体，跨越近 2 0 个量级。其温度也从1 0 0 k 的低温到超高温核聚变等离子体的1 0 8 1 0 9k 。图 1 1 给出了各种主要类型等离子体温度和密度数值【i l 。等离子体科学涵盖了受控 热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体 物理等分支领域。等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、半 导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的 应用。 r a n6 es 口fpl as m a s p h o t o s p h e r e ， f u s i o n ( ：h r o m o s p h e r e ； f l a m e s s o i a rc o r o n a m a g n e t o s p h e r e i o n o s p h e r e i n t e r p l a n e t a r y s o l a rw i n d 10 之1 0 。1110 110 21 0 31 0 410 5 e l e c t r o ne n e r g yi ne i e c t r o n v o l t s t e mp e r a t u r e 图1 - 1 主要类型等离子体参数范围 从上世纪6 0 年代以来，随着人类航空航天技术的进步，等离子体的概念也 从静态的气体放电扩展到瞬态变化等特殊等离子体环境。航天飞行器以高超音速 运动再入大气层时，其后有一条由高温气体分子和准中性电离气体等离子体 nus f ae r i fne c sresal s协em 5 o o ； 5 舻 舻 钟 舻 1 口 1 1 1 1 1 l o1_oi-u|-cmu o一正=o1盘cojpu一山l 卜一l一z山o z 口比卜口u j u 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 的尾迹。该尾迹成分主要包括因超音速运动伴随的激波产生的电离空气，以及因 高速、高温空气与物体材料摩擦而带入尾迹的烧蚀产物。尾迹的结构和成分相当 复杂。等离子体对频率低于一定值的电磁波具有和金属材料相似的反射性质，使 得运动物体的雷达反射截面增大。对等离子体尾迹的研究，如尾迹流场的成分、 电子密度、电子温度、激波层的电离机制、激波结构以及尾迹形状、红外、紫外 辐射特性等，对解决飞行器的气动力、热力特性和飞行器识别有重要意义。 飞行器再入时的黑障问题是特殊等离子体研究的一个重要课题。当飞行器再 入大气层或者超高速飞行时会受到剧烈的力学和热学环境的影响，如数千摄氏度 的壳体温度和能够阻止或妨碍微波传输的等离子体鞘层等。这个等离子体鞘层的 出现是由于飞行器进入大气层或者超高速飞行时引起它周围的空气压缩和加热， 因而在飞行器前面形成激波。他们与大气拖曳的耦合使飞行器的许多动能转化成 热能，于是激波和飞行器之间的空气被加热到很高的温度( 通常驻点的温度可达 5 0 0 0 0 c ) ，从而使空气中的各种分子电离。此外，飞行器表面的温度足以使部分 被烧蚀的热防护层材料电离，进入等离子体鞘层和飞行器的尾迹使得它们的等离 子体密度增大，从而加大电磁波传输的难度。 此外，等离子体流场控制也成为日益重要的问题。自从动力飞行器问世后， 对它们的姿态调整就被提上日程。传统的调节方法是借助机械装置实现，随着等 离子体技术的发展，应用磁流体力和焦耳加热的方法控制等离子体流场成为一个 研究热点。 1 2 国内外研究现状 国外以美、俄为主特别注重气动物理技术研究。围绕突防气动物理、识别和 反识别及诱饵研制等问题，已进行了多年且大量的研究工作。其中美国通过执行 一系列大型计划，通过理论研究、地面模拟实验和飞行试验等技术途径，持续地 开展过大规模的再入目标的雷达目标特性和光学特性研究，并已于1 9 7 5 年基本 解决了再入突防工程设计的主要问题，建立了一系列大型再入目标特征数据库系 统，如n a s aa m e s ( n o n e q u i l i b r i u ma i r ) 研究中心的n e q a i r 辐射数据库等。无 独有偶，前苏联在再入