等离子体科学和技术作为国防和航空领域中的重要研究学科,近年来,随着等离子体隐身,等离子体推进以及高超音速飞行器再入气动物理等重大科学问题的提出得到了广泛的发展和应用。尤其是高超声速飞行器的研制,现今世界各国都不遗余力的投入了大量的研发成本,继音障和热障之后,突破黑障成为科学家研制高超音速飞行器的又一严峻挑战。黑障问题又称通讯中断问题,是指飞行器在大气层中以高超音速飞行时,其表面因激波加热以及热防护材料的烧蚀形成的致密的电离气体薄层—等离子体’鞘套’对外界电磁波信号的吸收和反射,导致外界与飞行器之间信号中断的现象。因此,研究等离子体鞘套及其物理特性就成为突破黑障问题的关键和前提。由于等离子体鞘套的瞬态过程,以及强碰撞,高流速和化学成分的复杂性等特点,导致鞘套中的物理参数诊断成为长期困扰科学家和工程技术人员的难题,如何有效获得等离子体鞘套中的物理参数,消减甚至消除通讯中断现象,是我们国家航空与国防领域的技术瓶颈之一。基于此因,本文开展了平装探针诊断的研究工作。等离子体激元的激发是解决等离子体鞘套引起的通讯中断的有效方法之一。表面等离子体激元(Surfaceplasmons,SPs)是一种高度局域的电磁表面模式,沿着两种介质的分界面进行传播,而在垂直于分界面方向分别向两侧的介质内以指数衰减。等离子体激元的重要物理特性是可以与满足一定耦合条件的电磁波发生耦合,使电磁波的能量转化为表面等离子体激元能量;也可以在适当的条件下,等离子体激元再次转化为自由空间电磁波。因此电磁波的传输特性可以由等离子体激元的激发进行控制。金属可以看作是电子密度远大于入射微波截止密度的过密等离子体,在微波领域,雷达波在金属中与在过密等离子体中的传输具有类似的色散模型。因此金属边界的表面等离子体激元和过密等离子体的表面等离子体激元具有类似的物理性质。由此,本文开展了微波通过亚波长金属缝阵列结构的透射增强工作,通过在金属表面构造周期性台阶结构成功激发表面等离子体激元,并与入射电磁波进一步耦合,使入射电磁波和狭缝波导达到最优的阻抗匹配,实验中成功观察到在X波段的宽频带透射增强以及聚焦效应。因为这种超强传输现象发生在亚波长尺度范围,超出了光学经典理论,突破了衍射极限,将促进光学与电磁波器件应用的发展。此外,等离子体在工业上的应用方兴未艾,除了材料处理和表面改性等应用外,其在电力系统中的应用也备受关注。电力系统中,功率转换器作为国家电网重要组成部分,承担着将高压电力源转换为民用和工业用电的核心作用,如何实现更高效率以及更低成本的功率转换,一直是国内外电力研究的热点问题。通用电气公司全球研究院近年来致力于利用气体击穿产生等离子体实现功率转换器开关模式的研究,试图进一步提高功率转换的效率,降低功率转换的成本。这种气体放电管的击穿物理特性不同于低电压下(～1kV)的汤生放电理论所描述,电力系统中的电压普遍为100kV量级,甚至达到1000kkV量级,因此应用在电力系统中的等离子体开关不再单纯由电子击穿过程所主导,而将是电子,离子和高能粒子三种粒子的综合作用,同时,在如此高的粒子能量下,击穿的表面过程也会对气体击穿产生重要影响,比如电子和高能粒子的背散射过程。为了研究高压(～100kV)氦气放电管击穿特性,我们开展了实验,粒子模拟和理论研究,对其中各个粒子的动力学过程以及击穿的物理机制进行了较深入探究,为氦气放电管实现等离子体开关应用提供实验和理论基础。本论文的主要内容及创新之处在于:1.我们从物理与结构上设计了旨在应用于再入等离子体鞘套环境中的双通道平装探针诊断系统,包括平装探针机械结构和集成化的诊断电子学系统,该电子学系统集成了信号发生,光电隔离和数据采集等功能。2.实验研究了平装探针在不同参数下的氩气辉光等离子体的诊断结果。实验发现,平装探针的离子流收集与端部边缘效应和离子电荷转移碰撞密切相关,我们利用探针诊断基本理论以及鞘层理论,给出了边缘效应和离子碰撞对平装探针诊断理论的修正。该工作为平装探针应用于诊断等离子体鞘套奠定了实验和理论基础。3.利用表面衍射光栅耦合技术以及表面等离子体激元的基本理论,成功地在金属铝的表面上激发了表面等离子体激元。在此背景下,我们对X波段微波通过表面有周期性结构(台阶结构)的亚波长金属缝阵列的透射性质进行了系统研究。实验结果表明,周期性台阶结构能够大幅度提高微波的透射量,在微波的X波段实现了电磁波通过亚波长金属狭缝阵列的透射增强和聚束效应。实验证实,透射增强和聚束效应与表面等离子体激元的激发有密切的联系,而且相邻台阶之间形成的微槽可以大幅度提高入射微波和狭缝波导之间的阻抗匹配程度,从而实现了在X波段的超强透射和聚焦。这种表面具有周期性台阶的金属缝阵列结构为微波波段实现透射增强,突破衍射极限提供了最新科学途径。4.根据高压100kkV范围下的氦气放电管击穿特性,我们建立了包括电子,离子和高能粒子的击穿物理模型(包括气相物理过程和表面过程)。气相物理过程包括电子,离子和高能粒子的弹性散射、碰撞激发和碰撞电离过程,而离子的弹性散射过程中的电荷转移,提供了高能粒子的最主要来源。表面过程除了离子轰击阴极产生的二次电子发射以外,还考虑了高能粒子和光子轰击阴极产生的二次电子、离子和高能粒子的背散射过程。在该物理模型中,我们的创新工作体现在如下两点:a)电子、离子和高能粒子的所有碰撞过程都是各向异性的,这一工作可以帮助真实地反映各个粒子的动力学过程;b)重粒子(离子和高能粒子)的背散射过程,为氦气击穿提供了新的电子-离子对来源,甚至勿需二次电子发射过程,击穿过程也可以发生。5.利用蒙特卡洛方法,我们着重研究了各个基本物理过程对放电击穿的影响,结果表明:a)高能粒子的各向同性散射会使得帕邢曲线严重偏离实验结果,而考虑各向异性散射则与实验结果非常吻合;b)高能粒子的背散射过程为放电击穿提供了新的电离源,它对击穿过程产生重要影响;c)高能粒子的碰撞电离过程对击穿过程起主导作用。我们通过建立稳态Townsend-like放电理论模型,给出了氦气发生击穿的解析解。帕邢曲线的理论结果、模拟与实验结果三者相互吻合,完整地揭示了100kV量级氦气击穿的物理规律。