[發明專利]基于太赫茲時域光譜的等離子體密度測量方法

有效

• 申請號: 202110257733.3
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113038678B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: 孫金海;蔡禾;朱先立;張旭濤;李進春;李糧生
• 申請（專利權）人: 北京環境特性研究所
• 主分類號: H05H1/00
• 分類號: H05H1/00
• 代理公司: 北京格允知識產權代理有限公司 11609
• 代理人: 張莉瑜

本發明涉及一種基于太赫茲時域光譜的等離子體密度測量方法，包括：利用太赫茲時域光譜系統分別測量無等離子體時的參考時域光譜和有等離子體時的樣品時域光譜；對參考時域光譜和樣品時域光譜分別進行傅立葉變換，得到對應的參考頻譜和樣品頻譜；根據樣品頻譜與參考頻譜的相位差和頻譜幅度之比，結合等離子體的厚度，確定等離子體的介電常數的實部；基于等離子體的介電常數的實部，計算等離子體密度。本發明能夠實現等離子體密度無接觸式實時測量，可以為等離子體研究提供重要的參數輸入與技術支持。

技術領域

本發明涉及等離子體密度測量技術領域，尤其涉及一種基于太赫茲時域光譜的等離子體密度測量方法。

背景技術

電磁波在傳播過程中遇到等離子體鞘套時，因被吸收而衰減，并出現偏折、延時、相移等效應，情況嚴重時出現“黑障”。“黑障”的出現給高速飛行器的測控通信帶來極大的困難。等離子體之所以可對雷達波隱身，根本原因在于微波波段電磁波的電場加速等離子體中帶電粒子，帶電粒子和中性粒子發生碰撞，從而轉移微波電磁波的能量。

初步研究表明，不同密度的等離子體對電磁波的吸收效果不同，由此可見，研究電磁波與等離子體的相互作用的一個重要參量，即等離子體密度。因此，實時、準確地測量等離子體密度顯得尤為重要。并且，由于等離子體密度的分布大多數是不均勻的，對等離子體空間分布的測量，也是定量研究等離子體與電磁波相互作用的一個必要條件。

目前，現有的等離子體密度測量方法通常依賴探針，探針本身在測量過程中接觸等離子體，可能影響測量結果的準確性，且對于大面積/區域的等離子體的局部測量，較為耗時、耗力。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是解決現有技術難以快速、準確、無接觸地測量等離子體密度的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于太赫茲時域光譜的等離子體密度測量方法，包括如下步驟：

S1、利用太赫茲時域光譜系統分別測量無等離子體時的參考時域光譜和有等離子體時的樣品時域光譜；

S2、對參考時域光譜和樣品時域光譜分別進行傅立葉變換，得到對應的參考頻譜和樣品頻譜，以及相應的相位；

S3、根據樣品頻譜與參考頻譜的相位差和頻譜幅度之比，結合等離子體的厚度，確定等離子體的介電常數的實部；

S4、基于等離子體的介電常數的實部，計算等離子體密度。

優選地，所述步驟S3中，確定等離子體的介電常數的實部時，先根據等離子體的厚度d、樣品頻譜與參考頻譜的相位差Δφ，以及樣品頻譜與參考頻譜的頻譜幅度之比ρ，計算等離子體的折射率n和吸收系數κ，表達式為：

其中，c表示光速，ω表示探測的太赫茲波角頻率；

再根據等離子體的折射率n和吸收系數κ，計算等離子體的介電常數的實部，表達式為：

ε_r＝n²-κ²。

優選地，所述步驟S4中，計算等離子體密度時，表達式為：

其中，n_e表示電子密度，ε₀表示真空介電常量，m_e表示電子質量，e表示電子電荷量，ν_m表示彈性碰撞頻率，電子密度n_e等于等離子體密度。

優選地，所述步驟S4中，計算等離子體密度時，彈性碰撞頻率ν_m的表達式為：