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基于太赫兹波的极端环境等离子体参数诊断--AITC 2024+摘要

极端环境,等离子体诊断,电子密度分布,太赫兹波

飞行器进入大气层时会形成等离子体鞘套，严重影响飞行器通信，甚至会导致通信中断，即通信“黑障”，地面模拟等离子体是对等离子体进行研究的重要方法。等离子体诊断是等离子体相关实（试）验研究的基础环节，在众多诊断方法中，微波透射法的软件直播观看十分成熟，测量过程中不会对目标等离子体产生物理干扰，并且诊断精度高、诊断速度快，因此被广泛应用。



本研究针对临近空间高速目标等离子电磁科学实验装置所实现的高密度、大尺寸等离子体，设计了一套基于太赫兹波的等离子体诊断系统。系统针对高温低压极端环境，设计了水冷箱以保证THz模块稳定运行；针对THz波传输损耗高的问题，将THz波模块架设在等离子体两侧，并采用柔性同轴线缆将其与实验真空腔体外的矢量网络分析仪连接，满足了在实验腔体内的信息低损耗采集与参数分布诊断的需求。并通过傅里叶-汉克尔变换算法，重建等离子体的电子密度径向分布。



在实验中，利用该诊断系统进行了工质气体为氩气、空气、氩气空气混合三种情况不同功率下的等离子体诊断实验，以及不同功率下工质气体为空气的等离子体电子密度分布诊断实验。实验结果显示，相较于Ka波段，太赫兹波段能够显著减少相位的周期模糊，实现高精度的等离子体电子密度诊断。特别地，分别对功率为230kW和500kW的等离子体电子密度分布进行重建，并与探针结果对比，结果表明对于高状态（500kW）等离子体的诊断，太赫兹波诊断结果与探针诊断结果吻合较好，而对于较低状态（230kW）的等离子体，太赫兹波诊断和探针诊断结果差异较大，是因为230kW等离子体产生的相移小，容易被由插值引起的噪声影响，可增加采样点数减小噪声。



综上所述，本研究所设计的基于太赫兹波的等离子体诊断系统对高温低压极端环境内大尺寸、高密度等离子体的诊断中表现出显著的优势，能够实现其高精度诊断，不仅扩展了传统微波诊断的频段，并为等离子体电磁试验提供了新的软件直播观看手段。未来将进一步优化系统设计，增加采样点数，以提高电子密度分布诊断的准确性和可靠性。