高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開一種高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷裝置及方法，裝置主要包括饋源喇叭、位于饋源喇叭底部的介質窗、長度不同的光纖束、光譜儀和相機，所述饋源喇叭靠近介質窗的側壁上分別在沿著三個方向開有矩陣陣列光纖孔；所述三個方向包括與電場極化方向平行的Y方向，與電場極化方向垂直的X方向，以及與微波傳輸方向平行或有一定夾角的Z方向；光纖束的輸入端分別插入所述光纖孔中；光纖束的輸出端的光纖以單排方式依次與光譜儀輸入端連接，光譜儀的輸出端與相機連接；該裝置能夠在單次微波脈沖內診斷等離子體的時間和空間分布。

【技術實現步驟摘要】
高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷裝置及方法
本專利技術屬于高功率微波等離子體診斷
，特別涉及一種單次納秒級微波脈沖內實時等離子體發光光譜隨時間和空間演化的方法。
技術介紹
高功率微波(HighPowerMicrowave，HPM)是指峰值功率超過100MW，頻率1GHz～300GHz的電磁輻射。HPM在科研、民用和國防領域具有非常廣闊的應用前景。主要應用包括：(1)通過電子回旋共振機制對受控熱核等離子體加熱；(2)用于高功率短脈沖雷達，實現較寬頻帶下精確分辨被探測和跟蹤的目標；(3)為地球和太空之間傳輸能量，為宇宙飛船發射到太空軌道或者軌道之間變換提供能量；(4)用于高能粒子射頻加速器，進行高能物理、核物理科學研究；(5)用于HPM定向能武器；將HPM通過定向天線輻射，用高功率、高方向性的窄微波束瞬時照射目標，擊穿或燒毀敵方現代化武器系統的關鍵電子設備，可有效攻擊雷達、通信設備、計算機、飛機和導彈等，HPM武器已成為未來高新技術戰場上可選擇的殺手锏武器。在高功率微波產生裝置中，介質窗保證微波產生所需的真空環境、輻射微波，是必不可缺的重要部件。隨著高功率微波器件的峰值功率和脈沖寬度的提高，特別是大功率、小型化微波裝置的研制，介質窗微波表面擊穿已經成為限制高功率微波傳輸與發射系統功率提高的主要瓶頸。擊穿主要發生在介質窗的真空側，它由二次電子倍增觸發，是在介質表面釋放氣體層中的等離子體電離雪崩放電。高功率微波介質窗擊穿實驗發現不同空間位置的等離子體發光也有不同，因此，需要在單次微波脈沖中診斷等離子體譜線的空間分布。由于高功率微波介質窗真空表面的等離子體通常存在一定的空間不均勻性，發射光譜也隨之呈現空間非均勻。觀測介質窗真空側擊穿產生等離子體的發光光譜，可根據光譜反推等離子體的元素成分、密度、溫度及其時間分布和空間分布(豎向和沿微波傳播方向)，從而更深入地認識其機制。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷裝置及方法，位于納秒放電的光發射時間內，可以實現x、y和z方向的等離子體時間和三維空間演化診斷。本專利技術的技術解決方案是提供一種高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷方法，包括以下步驟：1)饋源喇叭內不同空間位置的等離子體發光同時通過設置在饋源喇叭側壁上三個方向的多個子光纖束引出；所述子光纖束包括多個長度不同的光纖，相鄰光纖之間的長度差相等，長度差為光譜儀時間分辨率與光速的乘積，所述三個方向包括與電場極化方向平行的Y方向，與電場極化方向垂直的X方向，以及與微波傳輸方向平行或有一定夾角的Z方向；2)光譜儀同時采集所有子光纖束的光譜，測量等離子體的發射光譜的空間分辨；3)對每個等離子體光譜進行斯塔克展寬和熱多普勒展寬，得到等離子體發光譜線的展寬，按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得斯塔克展寬的半高寬以得到等離子體密度，再按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得熱多普勒展寬以得到等離子體的溫度；4)通過多個子光纖束同時得到等離子體的時空分布，所述時空分布包括不同時刻、不同空間位置的等離子體的密度和能量參數。上述Z方向的多個子光纖束與微波傳輸方向的夾角為饋源喇叭張角的余角。上述X方向的子光纖束對準介質窗的三象限和四象限；上述Y方向的子光纖束對準介質窗的二象限和三象限；上述Z方向的子光纖束對準介質窗的三象限。本專利技術還提供一種高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷裝置，包括饋源喇叭、位于饋源喇叭底部的介質窗、光纖束、光譜儀和相機，其特殊之處在于：上述饋源喇叭靠近介質窗的側壁上分別在沿著三個方向開有矩陣陣列光纖孔；上述三個方向包括與電場極化方向平行的Y方向，與電場極化方向垂直的X方向，以及與微波傳輸方向平行或有一定夾角的Z方向；上述光纖束包括多個子光纖束；上述子光纖束包括多個長度不同的光纖；上述子光纖束的數量與與光纖孔相同；上述子光纖束的輸入端分別插入所述光纖孔中；上述光纖束的輸出端的光纖以單排方式依次與光譜儀輸入端連接，上述光譜儀的輸出端與相機連接；任意相鄰光纖孔之間的間距不小于兩倍光纖直徑距離，光纖束輸出端相鄰光纖的間距不小于兩倍光纖直徑距離。上述X方向的矩陣陣列光纖孔對準介質窗的三象限和四象限；上述Y方向的矩陣陣列光纖孔對準介質窗的二象限和三象限；上述Z方向的矩陣陣列光纖孔對準介質窗的三象限。優選的，相鄰光纖孔之間的間距相同；同一子光纖束內輸出端相鄰光纖之間的長度差相等，長度差為與光譜儀時間分辨率與光速的乘積。優選的，上述光纖束還包括多根定位光纖，上述定位光纖的輸出端位于相鄰子光纖束之間，上述定位光纖的輸入端遮光處理。上述Z方向的多個子光纖束與微波傳輸方向的夾角為饋源喇叭張角的余角。上述不同子光纖束的結構參數相同，所述矩陣陣列光纖孔為10×2結構。本專利技術的有益效果是：本專利專利技術了一種實時診斷高功率微波介質窗真空表面等離子體時空分辨的裝置，通過該裝置能夠在單次微波脈沖內診斷等離子體的時間和空間分布。附圖說明圖1為本專利技術診斷裝置；圖2為帶有水平X方向、豎直Y方向和微波傳輸Z方向的光纖孔的喇叭側視圖；圖3為帶有水平X方向、豎直Y方向和微波傳輸Z方向的光纖孔的喇叭正視圖；圖4為實施例中的發光圖像，光譜儀是單排，圖中靠數量區分不同方向；圖5為實施例中的實驗譜線。圖中附圖標記為：1-饋源喇叭，2-沿Y方向的光纖孔，3-沿X方向的光纖孔，4-沿Z方向的光纖孔，5-內凹面的介質窗，6-光纖束，7-光譜儀，8-相機。具體實施方式以下結合附圖對本專利技術做進一步的描述。如圖1所示，為本專利技術診斷裝置示意圖，包括在側壁上分別在沿著三個方向開有矩陣陣列光纖孔的喇叭、多光纖束、內凹面介質窗(內凹面確保光纖能夠從介質窗真空側的正側方觀察發光)、光譜儀和EMICCD相機，光纖束的輸入端分別插入光纖孔中；光纖束的輸出端的光纖以單排方式依次與光譜儀輸入端連接，光譜儀的輸出端與相機連接；上述三個方向包括與電場極化方向平行的Y方向，與電場極化方向垂直的X方向，以及與微波傳輸方向平行或有一定夾角的Z方向。光纖孔包括沿水平X方向的M個、并在縱向Z方向重復N排的光纖孔(簡寫為N排乘以M列光纖孔)，每排M個光纖孔用于診斷不同角向的等離子體光譜空間分布，N排光纖孔用于診斷縱向Z方向的光譜空間分布。同理，喇叭另一側面開O排乘以P列的光纖孔，每排P個光纖孔(沿Y方向)用于診斷不同豎直位置的光譜空間分布，O排光纖孔(沿Z方向)用于診斷縱向Z方向的光譜空間分布。喇叭側面還開沿著Q排乘以L列的光纖孔，每排L個光纖孔(沿Z方向)用于觀察沿著微波傳輸方向的光譜空間分布，Q列光纖孔(沿X方向)用于診斷等沿角向的光譜空間分布。X方向的矩陣陣列光纖孔對準介質窗的三象限和四象限；Y方向的矩陣陣列光纖孔對準介質窗的二象限和三象限；Z方向的矩陣陣列光纖孔對準介質窗的三象限。多光纖束共分為R個子束，代表可實現R分幅成像。多光纖束的每個子束包含若干根長度不同的光纖，用于傳輸同一空間位置不同時間的發光；光纖長度可呈等差數列，長度之差與光速之商即為時間分辨率。為采集不同空間位置的等離子體發光，多光纖束的子束插入喇叭的光纖孔。Z方向的多個子光纖束與微波傳輸方向的夾角為饋源喇叭張角的余角。為避免每個子束所搜集的發光在空間上發生重疊，輸入端的孔間距(可本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷方法，其特征在于：包括以下步驟：1)饋源喇叭內不同空間位置的等離子體發光同時通過設置在饋源喇叭側壁上三個方向的多個子光纖束引出；所述子光纖束包括多個長度不同的光纖，相鄰光纖之間的長度差相等，長度差為光譜儀時間分辨率與光速的乘積，所述三個方向包括與電場極化方向平行的Y方向，與電場極化方向垂直的X方向，以及與微波傳輸方向平行或有一定夾角的Z方向；2)光譜儀同時采集所有子光纖束的光譜，測量等離子體的發射光譜的空間分辨；3)對每個等離子體光譜進行斯塔克展寬和熱多普勒展寬，得到等離子體發光譜線的展寬，按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得斯塔克展寬的半高寬以得到等離子體密度，再按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得熱多普勒展寬以得到等離子體的溫度；4)通過多個子光纖束同時得到等離子體的時空分布，所述時空分布包括不同時刻、不同空間位置的等離子體的密度和能量參數。

【技術特征摘要】
1.一種高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷方法，其特征在于：包括以下步驟：1)饋源喇叭內不同空間位置的等離子體發光同時通過設置在饋源喇叭側壁上三個方向的多個子光纖束引出；所述子光纖束包括多個長度不同的光纖，相鄰光纖之間的長度差相等，長度差為光譜儀時間分辨率與光速的乘積，所述三個方向包括與電場極化方向平行的Y方向，與電場極化方向垂直的X方向，以及與微波傳輸方向平行或有一定夾角的Z方向；2)光譜儀同時采集所有子光纖束的光譜，測量等離子體的發射光譜的空間分辨；3)對每個等離子體光譜進行斯塔克展寬和熱多普勒展寬，得到等離子體發光譜線的展寬，按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得斯塔克展寬的半高寬以得到等離子體密度，再按照洛侖茲和高斯分布函數反卷積獲得熱多普勒展寬以得到等離子體的溫度；4)通過多個子光纖束同時得到等離子體的時空分布，所述時空分布包括不同時刻、不同空間位置的等離子體的密度和能量參數。2.根據權利要求1所述高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷方法，其特征在于：所述Z方向的多個子光纖束與微波傳輸方向的夾角為饋源喇叭張角的余角。3.根據權利要求1或2所述高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷方法，其特征在于：所述X方向的子光纖束對準介質窗的三象限和四象限；所述Y方向的子光纖束對準介質窗的二象限和三象限；所述Z方向的子光纖束對準介質窗的三象限。4.高功率微波介質窗擊穿真空側等離子體診斷裝置，包括饋源喇叭、位于饋源喇叭底部的介質窗、光纖束、光譜儀和相機，其特征在于：所述饋源喇叭靠近介質窗的側壁上分別在沿著三個方向開有矩陣陣列光纖孔...

【專利技術屬性】
技術研發人員：常超，朱夢，蒲以康，伍成，曹亦兵，
申請(專利權)人：西北核技術研究所，
類型：發明
國別省市：陜西,61