微波ECR等离子体装置的性能研究

低轨道航天器的空间等离子体环境主要为低温、低密度、等离子体。文章详细叙述了等离子体对航天器的影响及其两个ECR微波等离子体校准装置的组成结构,并使用标准Langmuir探针对等离子体的参数进行实验测量和分析,得到了电子密度、电子温度、空间电位和悬浮电位等参数,满足了电子密度106～108个/cm3,电子温度1～10 eV等低轨道航天器的空间等离子体参数要求。     

HL-2A装置偏滤器靶板上等离子体参数诊断实验进展

HL-2A装置偏滤器靶板上的平面型朗缪尔探针阵列是用于测量同一极向截面的内外和上下四个中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位、空间电位、电场和流速分布，研究偏滤器中等离子体参数的分布及非对称性。     

HL-2A装置偏滤器靶板上探针阵列和主真空室活动探针的设计加工和诊断

HL-2A装置偏滤器靶板上的平面型朗缪尔探针阵列是用于测量同一极向截面的内外舜口上下四个个性化板上的电子温度、密度、悬浮电位、空间电位、电场舜口流速分布，研究偏滤器中等离子体参数的分布及非对称性。主真空室上磁力传动的马赫／雷诺协强／朗缪尔探针阵列，直接测量边缘等离子体温度，密度，空间电位，电场，环向舜口极向流速，研究边缘参数的涨落舜口相关特性。     

HL-1M装置边缘扰动和流速的实验研究

利用一组马赫探针研究HL-1M装置刮离层和边缘等离子体流在欧姆放电、壁硼化、偏压抽气孔栏、偏压电极、低混杂波电流驱动、电子回旋共振加热、弹丸注入、分子束注入、激光吹气和补充送气等情况下的平行流马赫数、离子饱和电流扰动、平行流速度剪切和极向流速度的分布。实验中发现局部等离子体电位快速变化，改变了电场分布，改变了边缘等离子体的流速和方向。从而改善了等离子体约束性能。     

空间环境模拟用ECR等离子体源标准装置研究

研究了以微波ECR等离子体源作为等离子体发生器的空间环境模拟装置。试验以氩气为放电气体,通过分析气压、微波功率、磁场等放电条件对微波ECR等离子体源的耦合作用,并结合COMSOL软件进行仿真验证,实现了等离子体电子密度、电子温度等特征参数的大范围可控调节。在等离子体源放电腔的出口处设计了扩散杯和栅网两种引出结构,使用不同类型和尺寸的Langmuir探针分别测量了两种引出结构下真空腔室内等离子体参数的径向变化,得到了引出结构对等离子体均匀性和稳定性的影响,分析比对了不同Langmuir探针的测试结果,得到一组最优等离子体诊断方式。这些工作对后续等离子体源标准装置研制和校准技术研究具有参考意义。     

紧凑型微波ECR等离子体源的设计及其特性研究

地面电推进试验、星载Langmuir探针地面标定等航天任务,均对等离子体参数的校准提出了需求。目前,等离子体参数的校准主要是在稳定的等离子体环境中,通过被测仪器与标准进行量值比对的方式实现,因此,获得稳定的等离子体环境是开展校准技术研究的重要前提。微波ECR源产生的等离子体具有均匀、稳定、可调节范围宽等特点,十分适合应用于等离子体校准中。本文设计研制了永磁型微波ECR等离子体源,并对该源的特性进行了实验研究,获得了该源的空间分布特性、稳定性实验结果。实验结果表明:研制的紧凑型微波ECR源稳定性、重复性均在10%以内,具有作为标准源应用于等离子体校准的潜力。     

等离子体鞘层中朗缪尔探针吸收离子电流理论的数值模拟

为了研究朗缪尔静电圆柱型探针半径对等离子体密度测量的影响以及鞘层空间电势分布等特性,在非热平衡条件下采用等离子体鞘层中探针吸收离子模型,对朗缪尔静电探针周围等离子体鞘层空间中的修正玻姆电流、OML理论鞘层空间电势分布、ABR理论鞘层空间电势分布、BRL理论鞘层空间电势分布以及三种理论对应的探针吸收离子电流进行了系统的数值模拟研究。计算结果显示,电子温度和等离子体密度对ABR理论鞘层空间电势分布存在显著影响,离子温度小于0.1倍电子温度时离子的温度效应对BRL理论鞘层空间电势分布的影响可以忽略;探针半径为1~3倍德拜长度时,OML理论、ABR理论及BRL理论预测的归一化离子电流近似相等,即三种理论给出近似相等的等离子体密度。     

HL—1M装置边缘把动和流速的实验研究

利用一组马赫探针研究ＨＬ－１Ｍ装置刮离层和边缘等离子体流在欧姆放电，壁硼化，偏压抽气孔栏，偏压电极，低混杂波电流驱动，电子回旋共振加热，弹丸注入，分子束注入，激光吹气和补充送气等情况下的平行流马赫数，离子饱和直流扰动，平行流速度剪切和极向流速度的分布。实验中发现局部等离子体电位快速变化，改变了电场分布，改变了边缘等离子体的流速和方向。     

利用双等离子体装置产生非均匀等离子体

在双等离子体实验装置中,采用单边放电的方式在源区产生等离子体,通过扩散和电子碰撞电离可以在实验区产生密度分布不均匀的等离子体.利用静电探针测量了实验区等离子体的状态参数及其空间分布,结果显示:该装置可以提供一个径向相当宽范围内密度基本均匀,轴向密度分布指数衰减的等离子体环境,其不均匀性标长与放电气压成反比.该装置可以提供不均匀性可控的非均匀等离子体源.     

HL-2A工程调试的边缘等离子体诊断

在HL-2A装置工程调试中，边缘等离子体参数是通过磁力传动的朗缪尔四探针进行研究．朗缪尔四探针是安装在可以径向向里和向外移动长杆上，以及可以绕着快速往复移动系统和磁力传动杆的轴旋转3600．它是用于测量边缘电子温度和密度，极向电场以及等离子体的悬浮电位和空间电位。     

大型低地球轨道空间等离子体环境模拟实验系统设计

在介绍国外的相类似设备系统基础上,概述了我国大型低地球轨道空间等离子体环境模拟实验系统建设背景与应用;简述了我国该模拟实验系统组成和主要配置;论述了系统的等离子体环境、空间尺度等设计依据、方法及其具体参数;并详细阐述了真空系统、离子源系统、磁场产生装置、电场产生装置、太阳模拟器等主要分系统与装置的设计原则、方案以及性能指标。该系统可为卫星平台空间环境探测有效载荷及传感器的试验、验证、性能测试与评估提供有力的设备和技术支撑,也可为低密度冷等离子体与磁场、电场及定向粒子流相互耦合效应等观测、实验与理论研究提供环境和技术条件。     

张衡一号空间电场探测仪设计北大核心CSCD

张衡一号空间电场探测仪为我国首发电磁监测试验卫星(CSES)主载荷。基于探测原理以及与轨道等离子体环境电势耦合模型,论述了张衡一号双探针式空间电场探测仪设计基本原则和依据;针对不同的轨道等离子体环境条件和鞘层厚度,阐述了相应的球形探针收集电流、相对耦合电势及鞘层阻抗的数学表达,分析了该探测仪电场探测精度的影响因素以及主动偏置电流效应,研究表明,对于CSES飞行轨道环境条件,采用施加负向偏置电流,可使得探针鞘层阻抗小于1×105Ω,从而提高空间电场探测精度;研究了张衡一号空间电场探测仪探针间耦合电势差测量等效电路模型和球形探针最小几何半径设计约束条件,结果表明,对于CSES飞行轨道通常等离子体环境条件,当球形探针几何半径r3×10-2m时,可实现两球形探针电势差测量偏差系数α!10-6的设计要求。在以上基础上,叙述了张衡一号空间电场探测仪球形探针结构与电子学设计,并简述了探测系统主要组成、工作模式和频段等。     

张衡一号空间电场探测仪设计

张衡一号空间电场探测仪为我国首发电磁监测试验卫星(CSES)主载荷。基于探测原理以及与轨道等离子体环境电势耦合模型,论述了张衡一号双探针式空间电场探测仪设计基本原则和依据;针对不同的轨道等离子体环境条件和鞘层厚度,阐述了相应的球形探针收集电流、相对耦合电势及鞘层阻抗的数学表达,分析了该探测仪电场探测精度的影响因素以及主动偏置电流效应,研究表明,对于CSES飞行轨道环境条件,采用施加负向偏置电流,可使得探针鞘层阻抗小于1×105Ω,从而提高空间电场探测精度;研究了张衡一号空间电场探测仪探针间耦合电势差测量等效电路模型和球形探针最小几何半径设计约束条件,结果表明,对于CSES飞行轨道通常等离子体环境条件,当球形探针几何半径r3×10-2m时,可实现两球形探针电势差测量偏差系数α!10-6的设计要求。在以上基础上,叙述了张衡一号空间电场探测仪球形探针结构与电子学设计,并简述了探测系统主要组成、工作模式和频段等。     

等离子体化学气相沉积参量对Ar等离子体电子特性的影响

采用加热的调谐单探针技术。研究了射频辉光放电Ar等离子体空间电子能量分布函数,电子平均能量和电子密度,并系统分析了等离子体增强化学气相沉积工艺参量对等离子体空间电子特性的影响。     

工频脉冲激励条件下线形微波H2等离子体的Langmuir探针诊断

在金刚石膜的化学气相沉积过程中，使用脉冲电源激励的微波等离子体可以提高金刚石膜的沉积速率或金刚石膜的质量。本文使用Langmuir探针研究了在工频脉冲电源激励条件下形成的线形微波H2等离子体的状态和开关特性。实验测量了在使用一支磁控管单独激励和两支磁控管共同激励情况下的H2等离子体的状态参量，包括等离子体的空间电位‰、探针悬浮电位Vf、电子温度Te和电子密度ne随时间的变化，特别是讨论了H2等离子体参量在激励电源开启与关断瞬间的过渡特征。     

石英板夹层中窄电极结构与材料对直流放电的影响

研究了一种石英板夹层窄电极放电装置的低气压直流放电过程,重点探讨了电极结构与电极材料对等离子体参数的影响,其中电极要求宽高为4mm,间距大于40mm。实验采用朗缪尔双探针法诊断,通过改变气压、放电功率等条件分析了电极结构对自制的直流等离子体放电装置的电子密度分布及电子温度的影响。结果表明:通过增加电极表面积,采取特殊的电极结构都可以有效地提高等离子体密度。实验中还发现,随着气压降低,正柱区逐渐缩小、等离子体密度沿电场方向变化趋于平缓,阳极的直流等离子体密度逐渐升高,这时等离子体空间分布均匀度提高,且在16Pa时取得最大值。     

HL—1M装置注入和加热实验的流速与电场测量

利用马赫－郎缪尔探针组研究了ＨＬ－１Ｍ装置刮离层和边缘等离子体流在欧姆放电、中性束注入、低杂波注入、离子回旋加热和电子回旋加热等情况下的极向流速、径向电场和极向电场的变化与分布,研究并讨论了它们对降低边缘粒子径向传输和改善等离子体约束性能的影响。     

静电探针收集电子流

导出了静电探针在非平衡态的辉光放电等离子体中收集电子流的公式，证明了在探 针鞘电压为负值时，对平板形、球形、圆柱形探针具有相似的公式。当探针鞘电压为正 值时不同形状的探针收集电子流的公式是不同的。在鞘电压为０点附近，探针收集的电 子流是连续的。而且电子流对鞘电压的一次微商在鞘电压为０时达到最大值。这可以作 为测量等离子空间电位的依据。     

Langmuir探针诊断微波ECR非平衡磁控溅射等离子体

利用朗谬尔探针诊断了ECR非平衡磁控溅射等离子体,给出了微观等离子体参量随宏观工艺参量变化关系.实验测得基片架附近等离子体密度达到1010～1011数量级,电子温度在(5～10) eV之间.随溅射靶功率变化,等离子体密度在130W时取得最大值;同样随微波源功率变化,等离子体密度在功率为850W时也达到最大值.电子温度、等离子体空间电位变化与等离子体密度呈相同趋势.     

液态金属离子源在航天器电位主动控制的应用

航天器在轨运行期间太阳光照条件下,受光电子发射影响,航天器光照表面的电位达到正的数十伏。航天器表面带电现象会对其在轨安全稳定运行和空间等离子体探测数据的准确性造成严重影响。带正电航天器周围电场中离子和电子的速率和空间分布被扭曲,等离子体电子在鞘层加速,光照产生的光电子被吸引进入传感器,在低能量下引起高计数率,而且加速仪器微通道板的老化,使低密度等离子体的测量变得异常困难。因此,必须对航天器的电位进行主动控制。液态金属离子源电位主动控制器已在许多航天器上得到广泛的应用,通过主要介绍国外关于液态金属离子源电位主动控制器在航天器上的应用,为自主研制电位主动控制器满足空间科学探测的需求提供参考,也为军事和应用卫星在轨可靠运行提供防护方法。