磁化感应耦合放电等离子体产生数值模拟研究

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针对高超音声速飞行器在参与临近空间中的飞行活动时会与外部大气层发生摩擦并在其外部表层产生一种包覆的特殊物质——“等离子鞘套”,此物质可能会直接使飞行器信息通信和飞行探测过程中的信号产生严重程度的畸变,导致信息系统特性发生很大程度的改变,以及物理特性也会发生很大程度改变,甚至可能会直接导致信息通信“黑障”等问题相继产生,飞行器与临近地面间的信息通信以及探测信号线的接收等都会严重受到此物质的影响,因此对于研究等离子鞘套与电磁波相互作用以及等离子体中与鞘套物理性质相关联的物理科学问题就显得十分重要,从而需在地面再现此等离子体环境并展开相关实验研究工作,但目前由于地面装置产生的等离子体很难具有真实等离子体鞘套特性以及高电子密度等相关特点,故提出采用一种给感性耦合等离子体放电装置外部加入恒定静磁场的方法,即磁化感应耦合等离子体(Magnetic Inductively Coupled Plasma,MICP)放电方式来探索实现高密度特点的等离子体环境,使在地面再现真实临近空间等离子环境成为可能。本文主要研究内容和贡献如下:1、设计了一台射频动态可控的等离子体发生装置,实现等离子体电子密度的动态可控方法。在结构设计方面,辐射屏蔽处理以及冷却处理等方面进行了全新改进设计,并且利用微波干涉法以及朗缪尔双探针诊断法,对在不同外部条件下所产生的平均动态等离子体电子密度进行了诊断对比;另外,利用不同频率波形信号发生器实现等离子体电子密度的动态性,并验证所得到的动态等离子电子密度变化频率与施加在等离子体负载上的波形信号变化频率是否一致。最后表明,所设计的射频动态可控等离子体发生装置实现了等离子体动态可控性,并利用微波干涉法以及朗缪尔双探针,对在不同条件下所产生的平均动态等离子体进行了诊断与对比,发现两种方法诊断的等离子体电子密度误差在一个数量级内,并且所产生的动态等离子电子密度变化频率与施加在等离子体负载上的波形信号的自身变化频率相一致,吻合结果较好。2、建立ICP放电装置的二维轴对称流体力学模型,并利用相关理论方程来描述其放电过程,比如电子质量守恒方程、电子间的能量守恒方程等,然后对ICP放电进行建模仿真计算,对不同放电功率等条件下ICP放电物理特性进行研究,并与ICP实际放电实验结果对比。结果发现,随着放电功率和气体压强的不断增加等离子体电子密度也随着增加,实验与仿真对比后,两者数值误差保持在一个数量级内,仿真模拟的正确性以及可靠性得到验证。此外,在前面的基础上进一步优化改进ICP放电模型外观设计和相关参数,同样根据质量守恒方程等理论对ICP放电进行建模仿真计算,从电感线圈设计入手对ICP放电物理特性进行相关分析研究。研究结果表明,不同电感线圈的设计等条件下都存在最佳放电状态,此时得到的等离子体电子密度最高。3、建立MICP放电的二维轴对称流体模型。根据相关粒子方程对MICP放电产生的原理及方法进行叙述,与ICP放电区别是MICP受外加恒定静磁场的相关影响,等离子体性质由各向同性变为各向异性,对MICP放电进行建模与数值仿真,在不同输入条件以及不同外部静磁场条件下MICP放电物理特性进行研究。研究结果表明,随着放电功率和气体压强不断增加,等离子体电子密度也随着增加,另外与ICP放电进行对比,得到等离子体电子密度得到了明显提升,且等离子体电子密度在腔体内部分布的形状也发生了很大变化。综上所述,在ICP放电装置外加恒定静磁场方法为进一步提高等离子体电子密度提供可能,并且在地面再现真实临近空间等离子体环境提供了一种新的产生实现途径。
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