背向微波探針概述10版

第一章強(qiáng)碰撞等離子體診斷簡介當(dāng)今社會(huì)，等離子體技術(shù)應(yīng)用正在飛速發(fā)展，和人民的生活更是息息相關(guān)。近年來，碰撞等離子體的更是在等離子體加工領(lǐng)域扮演著無可取代的角色。它的滲透范圍相當(dāng)廣泛，從等離子體加熱到光源照明，從材料表面處理到國防科技。物質(zhì)的第四態(tài)正在為人類所認(rèn)知、了解、應(yīng)用。因此上，對(duì)碰撞等離子體性質(zhì)的研究也便應(yīng)運(yùn)而生，并蓬勃發(fā)展。這幾年來，隨著工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)一步推廣，為了提高效率，實(shí)現(xiàn)效益，碰撞等離子體的參數(shù)空間逐漸的向強(qiáng)碰撞范圍移動(dòng)，然而利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段對(duì)強(qiáng)碰撞等離子體的研究不再適合，需要建立新的實(shí)驗(yàn)工具來拓展實(shí)踐的廣度。碰撞的等離子體的密度診斷，大體可以分成3個(gè)部分。首先是以經(jīng)典Langmuir探針為基礎(chǔ)，加入碰撞修正的碰撞探針理論；其次，是利用等離子體發(fā)出的光線，進(jìn)行被動(dòng)的光譜診斷；以及被廣泛使用的微波干涉診斷方法。當(dāng)碰撞效應(yīng)逐漸增強(qiáng)的時(shí)候，由于在鞘層內(nèi)部連續(xù)性方程不能很好的滿足，因此上探針理論缺乏有說服力，為廣泛承認(rèn)的修正理論。然而光譜，因?yàn)榻⒛Ｐ偷臅r(shí)候所需要的參數(shù)過多，各個(gè)效應(yīng)之間耦合，難以分離，很難得到一個(gè)在廣泛的參數(shù)空間里適用的模型。微波干涉法利用的是微波的相移來診斷弦積分的等離子體密度，第一強(qiáng)碰撞等離子體對(duì)微波的相位移動(dòng)不明顯，對(duì)其幅度的衰減明顯，相移很小得到的密度信息誤差變大；第二這樣的診斷手段是弦積分效果的體現(xiàn)，是不具有空間分辨能力的。針對(duì)已有手段的不足我們率先提出利用等離子體對(duì)微波的衰減來進(jìn)行強(qiáng)碰撞等離子體密度的診斷。并在這樣的想法牽引下，提出了背向微波探針（BackwardMicrowaveProbe）的診斷方法，文中簡稱為BMP。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于適用于強(qiáng)碰撞等離子體密度診斷，適用參數(shù)空間大，此外還是具有空間分辨能力的診斷方法。第二章BMP理論和模型BMP的基本構(gòu)想是利用微波在等離子體的傳播過程中幅度有衰減，通過測量幅度的衰減來診斷等離子體密度。我們會(huì)分兩個(gè)部分：微波傳輸通道的構(gòu)建，微波在等離子體中傳播的幅度衰減，來闡述BMP的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐模型。2.1微波傳輸通道的構(gòu)建首先如圖2.1.1（a）所示，當(dāng)微波天線置于無限大空間的時(shí)候，能量首先是在同軸電纜內(nèi)部傳輸；如圖2.1.1（b）所示，當(dāng)能量波前傳輸?shù)教炀€表面之后，會(huì)有部分能量背向流動(dòng)到電纜的外表皮；再如圖2.1.1（c）（d）所示，能量會(huì)沿著電纜外側(cè)背向流動(dòng)。這樣就給我們創(chuàng)造了一條微波傳輸?shù)耐ǖ?，測量微波在這條通道上傳輸?shù)乃p幅度A。衰減幅度A是很重要的參數(shù)之一，它與當(dāng)?shù)攸c(diǎn)的等離子體密度有著密切的關(guān)系。圖2.1.1（a）圖2.1.1（b）圖2.1.1（c）圖2.1.1（d）圖2.1.1能流在空間中的傳輸2.2電磁波在均勻等離子體中傳播的數(shù)值計(jì)算電磁波通過等離子體傳播時(shí)，電磁場對(duì)等離子體中的電子和離子將有作用力，使其產(chǎn)生加速度。帶電粒子在波的電磁場的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，又反過來改變波在等離子體中的電磁場分量，從而改變電磁波的特征。所以從原則上來說，解帶有適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件的麥克斯韋方程組及帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)方程，就可以得到等離子體中電磁場的自恰解［項(xiàng)志遴1982］。2.2.1電磁波在均勻等離子體中的傳播的解析分析一般情況下的電磁波在等離子體中傳播，情況非常復(fù)雜，因此，為了簡化問題，我們作了以下幾點(diǎn)假設(shè)：（1）等離子體是無限大的，即等離子體的特征線度D遠(yuǎn)大于入射波長λ。（2）等離子體無磁場且均勻的。（3）波是小振幅的，這樣可以使方程組線性化。（4）只考慮一維情況下的平面波。無限大等離子體中電磁波沿Z方向傳播的平面波為：（2.2.1）其中，，是衰減系數(shù)，為相位常數(shù)。由麥克斯韋方程組可得，均勻無磁場等離子體電磁波波動(dòng)方程為（2.2.2）其中，分別為真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)?？紤]到電子所受的碰撞，碰撞頻率為，則電子在波的電磁場中的速度為（2.2.3）將此式代入電流密度的關(guān)系式，利用，可以求得復(fù)數(shù)電導(dǎo)率為：(2.2.4)式中，為電子的等離子體頻率。根據(jù)的定義式，即可得：(2.2.5)(2.2.6)根據(jù)復(fù)數(shù)運(yùn)算，從上式可以求得等離子體中相位因子與衰減因子：(2.2.7)(2.2.8)從相位因子和衰減因子的表達(dá)式中，可以看出，電磁波在等離子體中的傳播特性與三個(gè)參數(shù)有關(guān)：電磁波的頻率，等離子體頻率，碰撞頻率。2.2.2中頻電磁波在均勻等離子體中傳播特性當(dāng)電磁波的頻率介于碰撞頻率與等離子體密度之間時(shí)（），我們稱之為中頻電磁波?？紤]中頻電磁波在均勻等離子體中的傳播特性時(shí)，電磁波的頻率與碰撞頻率的關(guān)系變得敏感。在強(qiáng)碰撞的情況下，假設(shè)電磁波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碰撞頻率且遠(yuǎn)大于馳豫頻率也即：，同時(shí)滿足。這個(gè)時(shí)候與孰大孰小不確定，但這并不影響討論。振幅：利用上面的兩個(gè)近似關(guān)系式對(duì)振幅進(jìn)繼續(xù)進(jìn)行化簡，這樣電磁波穿越單位長度，振幅衰減為：從化簡后的上式，我們可以看出此時(shí)的衰減近似為一個(gè)只和等離子體密度相關(guān)的常數(shù)，和電磁波頻率，等離子體碰撞頻率無關(guān)。利用衰減因子對(duì)衰減進(jìn)行計(jì)算，電磁波的衰減隨變化的關(guān)系分別如圖2.2.1(a)(b)(c)所示，其中圖中的標(biāo)示和分別表示馳豫頻率和等離子體頻率。從圖2.2.1(a)可以看出，滿足和范圍的電磁波在等離子體中的衰減和無關(guān)，又因?yàn)榇藭r(shí)為強(qiáng)碰撞，故稱之為強(qiáng)碰撞平臺(tái)區(qū)。同弱碰撞平臺(tái)區(qū)相同，這時(shí)等離子體表現(xiàn)出了對(duì)電磁波的寬頻吸收特性。從圖2.2.1(b)可以看出，電磁波的衰減與等離子體的密度成正比，此時(shí)弱碰撞平臺(tái)區(qū)與同透射區(qū)相連。從圖2.2.1(c)可以看出，處于強(qiáng)碰撞平臺(tái)區(qū)的電磁波在等離子體中的衰減和無關(guān)。(a)衰減與電磁波頻率之間的關(guān)系。()(b)衰減與等離子體密度之間的關(guān)系。()(c)衰減與碰撞頻率之間的關(guān)系。()圖2.2.1中頻電磁波在強(qiáng)碰撞等離子體中傳播，衰減與各參數(shù)之間的關(guān)系相位：電磁波在真空中傳播單位長度的相位為，兩者相比，相移為:當(dāng)時(shí)，，相移趨近于零，這個(gè)時(shí)候變化微弱，如圖2.2.2(a)-1所示。因?yàn)檫@時(shí)相移只有一階小量，并且它與密度的關(guān)系不清晰，所以這個(gè)區(qū)的相位差不能用來測量電子弦平均密度。并且這個(gè)時(shí)候等離子體折射率虛部近似為0，這時(shí)等離子體性質(zhì)趨于真空，所以這個(gè)時(shí)候電磁波無反射特性，即：電磁波能夠全部通過等離子體，入射角等于折射角，也即全角度吸收，并且吸收與密度剖面無關(guān)。如果考慮一階小量，我們進(jìn)行計(jì)算畫圖，并結(jié)合相移簡化式對(duì)相移與參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。電磁波的相移隨變化的關(guān)系分別如圖2.2.2(a)(b)(c)所示，其中標(biāo)示表示。因?yàn)閷?duì)相位出現(xiàn)既有正數(shù)也有負(fù)數(shù)的情況，我們?nèi)匀徊捎脤?duì)相位取絕對(duì)值的方式來分析相位隨參數(shù)的變化。圖2.2.2(a)-2為(a)-1圖的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示，并且對(duì)相移取了絕對(duì)值。綜合兩圖可以看出，電磁波的相移是隨變化的減函數(shù)；當(dāng)時(shí)存在一個(gè)相移零點(diǎn)；并由此可以將強(qiáng)碰撞平臺(tái)區(qū)再分為兩段區(qū)域：和。當(dāng)時(shí)，相移可以約為：，這時(shí)電磁波通過等離子體相位超前，并且電磁波的相移和成正比；與等離子體密度成正比；與碰撞頻率成正比。當(dāng)時(shí)，相移可以約為：，這時(shí)電磁波通過等離子體相位滯后，并且電磁波的相移和成正比；與等離子體密度成正比；電磁波的相移與碰撞頻率成正比。相移與電磁波頻率之間的關(guān)系。()相移與等離子體密度之間的關(guān)系。()相移與碰撞頻率之間的關(guān)系。()圖2.2.2中頻電磁波在強(qiáng)碰撞等離子體中傳播時(shí)，相移隨各參數(shù)變化關(guān)系2.2.3高頻電磁波在均勻等離子體中的傳播特性可以歸納出此時(shí)的頻率關(guān)系為：。下面分別考慮在這種情況下電磁波的振幅和相位情況。振幅：則電磁波單位長度等離子體，振幅衰減為：從化簡后的上式，我們可以推斷出，在的條件下，振幅衰減量很小，等離子體可以看成稀薄等離子體，我們將此稱之為透射區(qū)；利用衰減因子對(duì)衰減進(jìn)行計(jì)算，電磁波衰減隨變化的關(guān)系分別如圖2.2.3(a)(b)(c)所示，其中標(biāo)示為定義密度處的等離子體頻率。從2.2.3(a)中可以看出，碰撞頻率的高低不會(huì)影響高頻電磁波的衰減特性，但是影響到了透射區(qū)的頻率范圍。在弱碰撞情況下(如)，透射區(qū)的頻率范圍為，分區(qū)點(diǎn)為；而在強(qiáng)碰撞情況下(如)，透射區(qū)的頻率范圍為：，分區(qū)點(diǎn)為。在透射區(qū)內(nèi)，電磁波的衰減與成正比。圖2.2.3(b)中時(shí)，屬于高頻電磁波在弱碰撞等離子體中傳播情況，屬于高頻電磁波在強(qiáng)碰撞等離子體中傳播情況，從圖中可以看出，電磁波的衰減與等離子體密度n成正比。圖2.2.3(c)中，碰撞頻率從0.01GHz變化到400GHz，等離子體從弱碰撞連續(xù)過渡到強(qiáng)碰撞，電磁波的衰減與碰撞頻率成正比。(a)衰減與電磁波頻率之間的關(guān)系。()(b)衰減與等離子體密度之間的關(guān)系()(c)衰減與碰撞頻率之間的關(guān)系。(,)圖2.2.3高頻電磁波的衰減與各參數(shù)之間的關(guān)系相位：電磁波在真空中傳播單位長度的相位為，兩者相比產(chǎn)生的相移為:利用相位因子對(duì)相移進(jìn)行計(jì)算，電磁波的相移隨變化的關(guān)系分別如圖2.2.4(a)(b)(c)所示，其中標(biāo)示為定義密度處的等離子體頻率。從圖2.2.4(a)-1中可以看出，透射區(qū)所在范圍同振幅特性中分析的結(jié)果一樣，在弱碰撞情況下(如)時(shí)，透射區(qū)的頻率范圍為：，而在強(qiáng)碰撞情況下(如)，透射區(qū)的頻率范圍為：。在透射區(qū)內(nèi)，可以看出，相移為負(fù)，表明電磁波通過等離子體相移落后。因?yàn)橄嘁茷樨?fù)數(shù)，所以將相移取相反數(shù)，將透射區(qū)的相移變?yōu)檎龜?shù)，然后用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)來進(jìn)行分析，如圖2.2.4(a)-2所示，這時(shí)可知相移與成正比。同樣的處理方法利用在分析圖2.2.4(b)-1中，可從圖2.2.4(b)-2中的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中看出，在透射區(qū)范圍內(nèi)，相移與等離子體密度成正比。圖2.2.4(c)中所示為相移與碰撞頻率的關(guān)系。當(dāng)碰撞頻率從0.01GHz變化到400GHz，等離子體從弱碰撞連續(xù)過度到強(qiáng)碰撞，在透射區(qū)內(nèi)，相移不隨碰撞頻率改變而變，電磁波的相移與碰撞頻率無關(guān)。(a)相移與電磁波頻率之間的關(guān)系。()(b)相移與等離子體密度之間的關(guān)系()(c)相移與碰撞頻率之間的關(guān)系。(，)圖2.2.4高頻電磁波相移與各參數(shù)之間的關(guān)系。2.2.4電磁波在等離子體中傳播的衰減特性如下表所示，總結(jié)了中頻地磁波和高頻電磁波在碰撞等離子體中傳輸?shù)姆人p的特性傳播區(qū)域頻率范圍衰減幅度A(dB)與磁波頻率的關(guān)系（正比）與等離子體密度n的關(guān)系（正比）與碰撞頻率的關(guān)系（正比）強(qiáng)碰撞平臺(tái)區(qū)無關(guān)透射區(qū)實(shí)驗(yàn)裝置及診斷設(shè)備為了驗(yàn)證BMP方法的可行性，我搭建了微波診斷系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)首次診斷高氣壓射頻感應(yīng)耦合等離子體的密度。3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境等離子體在一個(gè)真空室內(nèi)產(chǎn)生，與此真空室相輔助的是配氣系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)，用于控制工作氣體的壓強(qiáng)和種類。如圖3.1.1所示。圖3.1.1真空室為一個(gè)直徑0.4m，高0.25m的圓柱形不銹鋼真空罐。3.2等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)我們實(shí)驗(yàn)中采用射頻電源產(chǎn)生電感耦合等離子體（ICP，InductivelyCoupledPlasma）。我們使用的是可變功率的13.56MHz的射頻功率源（功率最大值500W）射頻功率就是通過這個(gè)線圈耦合到等離子體中的。這里可以把整個(gè)系統(tǒng)比作一個(gè)變壓器，其中等離子體就相當(dāng)于一個(gè)單匝的、并且損耗很大的短路次級(jí)線圈。這種放電模式等離子體密度高，成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的工業(yè)和科學(xué)研究用等離子體源之一。另外，根據(jù)其不同的應(yīng)用要求，電感耦合等離子體可以在不同的氣壓范圍內(nèi)工作，并且可以加工出各種放電位形。3.3微波診斷系統(tǒng)利用微波來診斷等離子體參數(shù)的方式由來已久，相比于探針診斷，它避免了探針污染，鞘層修正等問題，成為應(yīng)用越來越廣泛的一種診斷手段。在我們實(shí)驗(yàn)中，微波診斷要應(yīng)用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和背向微波探針。3.3.1微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種射頻微波儀器，用來測量微波通過等離子體后透射量和反射量的變化，直觀地反映等離子體對(duì)微波的吸收，反射和散射等作用，以此推斷出等離子體的基本參數(shù)特性。我們所使用的是惠普8720D微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（以下簡稱為矢儀）。如圖3.3.1所示。它包含4個(gè)主要部分：信號(hào)源，信號(hào)分離設(shè)備，接收設(shè)備，信號(hào)處理和顯示設(shè)備。其工作原理圖如3.3.2所示。圖3.3.1微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀面板圖圖3.3.2微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理圖我們按照矢儀原理，編輯出處理軟件，界面如圖3.3.3所示，可以直觀地對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度、相位、時(shí)域和頻域間轉(zhuǎn)換，以及提供時(shí)間門的處理，完成了矢儀部分內(nèi)部信息處理功能，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖3.3.3信號(hào)處理軟件界面3.3.2背向微波探針如圖3.3.4所示，背向微波探針由錯(cuò)開的兩根平行的同軸電纜線構(gòu)成，前端露出內(nèi)導(dǎo)體，作為天線。圖3.3.4背向微波探針實(shí)物圖同軸線（coaxialline）是由兩根同軸的圓柱導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)，如圖3.3.5。同軸線按結(jié)構(gòu)可以分為硬同軸線和軟同軸線兩種。硬同軸線外導(dǎo)體是金屬管，內(nèi)導(dǎo)體是實(shí)心導(dǎo)體，內(nèi)外導(dǎo)體間的介質(zhì)為空氣，其間用絕緣墊圈或四分之一波長“金屬絕緣子”作支撐。軟同軸線可以自由彎曲，通常也叫同軸電纜，它的外導(dǎo)體由金屬絲編織而成，其外套以塑料管，內(nèi)導(dǎo)體由單根或者多根（相互絕緣的）導(dǎo)體構(gòu)成，內(nèi)外導(dǎo)體間填充四氟乙烯、聚乙烯等低耗介質(zhì)材料。我們實(shí)驗(yàn)室所用的即為軟同軸線，如圖3.3.6所示，它有兩層外導(dǎo)體，除銅絲編織的外導(dǎo)體外，還有一層銅皮制作的金屬屏蔽層，用以屏蔽掉外磁場的干擾。圖3.3.5同軸線示意圖圖3.3.6同軸線實(shí)物圖同軸線是一種雙導(dǎo)體導(dǎo)行系統(tǒng)，可以傳輸TEM導(dǎo)波。但當(dāng)同軸線的橫向尺寸可與工作波長比擬時(shí)，同軸線中也會(huì)出現(xiàn)TE模和TM模，它們是同軸線的高次模。要保證同軸線只傳輸TEM模，即要求滿足最小工作波長，其中，a，b分別是同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體半徑。BMP的天線針長為5mm，發(fā)射天線和接收天線之間的距離是10mm。我們采用的工作角頻率區(qū)間為314MHz~126GHz。第四章背向微波探針診斷高氣壓等離子體密度等離子體密度一直是等離子體的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)它的準(zhǔn)確而可靠的測量是等離子體研究過程中不可或缺的一步。隨著工業(yè)上對(duì)碰撞等離子體應(yīng)用愈發(fā)的廣泛，而在較高氣壓下（大于幾十帕），等離子體中的電子與中性粒子的碰撞頻率（）與等離子體頻率（）相當(dāng)時(shí)，最基本的診斷手段――朗謬爾探針的理論復(fù)雜，并且在測量過程中，還存在著射頻影響、探針污染和探針的鞘層等問題，所以，不受這些問題干擾并且能進(jìn)行密度局域測量的微波診斷方法成為研究的熱點(diǎn)。到目前為止，將微波與探針相結(jié)合的診斷方法已經(jīng)有微波共振探針(其中包括發(fā)夾探針：HairpinProbe，HP)，截止探針(theCut-offProbe)，等離子體振蕩探針(PlasmaOscillationMethod,POM),等離子體吸收探針(PlasmaAbsorptionProbe,PAP,其中又包括敏感型和非敏感型)，等離子體傳輸探針(PlasmaTransmissionProbe,PTP)，等離子體阻抗探針(PlasmaImpedanceProbe)。但是這些探針的工作氣壓都在低氣壓范圍，測量范圍最高的PAP和PTP探針也只能達(dá)到1Torr，并且由于探針尺寸的影響，空間分辨率也只能達(dá)到厘米量級(jí)。本章通過電磁波在強(qiáng)碰撞等離子體里傳播出現(xiàn)的幅度衰減現(xiàn)象，提出一種具有較高空間分辨能力的等離子體密度診斷方法——背向微波探針。它利用微波在等離子體中傳播的特點(diǎn)進(jìn)行測量，避免了Langmuir探針的鞘層、電位干擾、表面污染等問題。尤為重要的是它的工作環(huán)境的氣壓可以提高到1KPa~10KPa，甚至更高，真正意義上實(shí)現(xiàn)了高氣壓下的微波局域測量。4.1實(shí)驗(yàn)安排實(shí)驗(yàn)在如圖4.1.1不銹鋼真空室中進(jìn)行，包括等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)、微波發(fā)射和測量系統(tǒng)。等離子體是由如圖凹腔型感應(yīng)耦合射頻(ICP)放電管產(chǎn)生。微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(以下簡稱“矢儀”)掃頻功率為5mW，掃瞄頻范圍在314MHz~126GHz，標(biāo)記點(diǎn)數(shù)為1601個(gè)。我們選用的工作氣體為Ar氣，工作氣壓為3KPa，其碰撞角頻率約為13.84GHz放電功率是400W。圖4.1.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境示意圖4.2參數(shù)空間的判定根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)（碰撞頻率ν=13.84GHz,微波頻率314MHz~126GHz）其主要部分落在滿足條件的“微波透射區(qū)”。電磁波在等離子體中傳播的衰減特性傳播區(qū)域頻率范圍衰減幅度A(dB)與電磁波頻率的關(guān)系（正比）與等離子體密度n的關(guān)系（正比）與碰撞頻率的關(guān)系（正比）強(qiáng)碰撞平臺(tái)區(qū)無關(guān)透射區(qū)那么我們的模型，理論推導(dǎo)衰減幅度A(dB)≈通過矢量分析儀測量出傳輸系數(shù)S21，來觀察不同地點(diǎn)的等離子體對(duì)微波的衰減幅度A。4.3數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析診斷3KPa400W射頻感應(yīng)耦合等離子體密度，采集離源區(qū)距離不等，間距相等的幾個(gè)點(diǎn)的掃頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。等離子體密度和微波頻率兩個(gè)量是可控變量。4.3.1不同位置收到的S21信號(hào)幅度如圖4.3.1所示，BMP處于距離等離子體源區(qū)距離分別為0，1mm，2mm，3mm的地方的時(shí)候測得的S21。圖4.3.1不同位置的S21表征衰減幅度距離等離子體源區(qū)越近，測得的信號(hào)幅度越小，等離子體對(duì)微波的衰減越大。衰減幅度和當(dāng)?shù)氐牡入x子體的密度成正比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合了理論預(yù)期。同樣可以從上圖看出S21曲線呈現(xiàn)上密下疏的結(jié)構(gòu)，說明距離源區(qū)的等離子體對(duì)微波的衰減比外部等離子體的衰減明顯。4.3.2相同等離子體對(duì)不同的頻率微波的衰減我們分析一下衰減幅度A和頻率ω之間的關(guān)系，如圖4.3.2所示，圖中的三條曲線是不同的位置的等離子體對(duì)微波的衰減幅度和微波頻率之間的關(guān)系。圖4.3.2衰減幅度A和微波頻率ω的關(guān)系從圖4.3.2中可見，同樣的等離子體對(duì)不同頻率的微波的衰減幅度也是不同，高頻部分衰減得少，低頻部分衰減得多。和文中提及的衰減幅度和微波頻率的平方成反比的理論預(yù)期定性的吻合。其形狀和2.2.3(a)給出的后半部分形狀相似，驗(yàn)證了“微波透射區(qū)”參數(shù)空間的假設(shè)。同時(shí)可以看出等離子對(duì)微波的吸收很強(qiáng)烈，以5G為例，在向外移動(dòng)1mm的時(shí)候就會(huì)衰減2dB左右，可見強(qiáng)碰撞等離子體對(duì)微波的衰減幅度很大，也說明利用幅度衰減來診斷強(qiáng)碰撞等離子體是切實(shí)可行的。我們通過改變等離子體密度和改變微波頻率的方法，驗(yàn)證了我們的理論，同時(shí)也證明了微波診斷系統(tǒng)和理論是自洽的。4.4測量等離子體密度剖面我們依據(jù)前文中的假設(shè)，我們的實(shí)驗(yàn)所處的參數(shù)空間屬于“微波透射區(qū)”，按照透射區(qū)的衰減幅度公式來計(jì)算我們的探針在不同地點(diǎn)的等離子體密度。但是由于我們建立的是平