[发明专利]一种测量离子密度对相对介电常数影响的装置及测量方法

权利要求书

1.一种应用于测量离子密度对相对介电常数影响的装置的测量方法，

测量离子密度对相对介电常数影响的装置包括主控装置、空心腔体结构、射频收发装置、电气控制装置以及真空控制装置；

所述主控装置分别与所述真空控制装置以及电气控制装置连接，用于控制所述真空控制装置以及所述电气控制装置的工作状态；

所述真空控制装置与所述空心腔体结构连接，用于接收所述主控装置的控制信号将所述空心腔体结构内部环境改变为真空状态；

所述电气控制装置与所述空心腔体结构连接，用于接收所述主控装置的控制信号将所述空心腔体结构内部环境改变为等离子体状态；

所述射频收发装置与所述空心腔体结构连接，用于向所述空心腔体结构内部输入不同频率信号，接收所述空心腔体结构的输出信号，并通过输出信号的功率计算相对介电常数；

所述射频收发系统包括发射天线、接受天线、定向耦合器、波导、负载、收发系统和示波器；

所述发射天线依次通过所述定向耦合器、所述波导与所述收发系统连接，用于接收经过所述波导、所述定向耦合器传输所述收发系统的输出信号，并将该输出信号转化为电磁波能量后进行发射；

所述波导分别与所述收发系统、所述定向耦合器连接，用于将所述收发系统输出信号传输到所述定向耦合器；

所述定向耦合器分别与所述波导、所述发射天线连接，用于将所述波导传输的信号耦合到所述发射天线中；

所述接受天线与所述射频输入端连接；

所述示波器与所述收发系统连接，用于检测该传输信号的幅值，并计算信号功率；

所述负载与所述定向耦合器另一端连接，用于吸收泄露到所述定向耦合器隔离端的功率；

其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用真空控制装置接收主控装置的控制信号，将空心腔体内部环境改变为高真空状态；

S2、将发射天线置于发射天线入射口，将接收天线置于接收天线接收口；

S3、打开射频收发装置，使频率为ω₁的信号垂直透射整个处于高真空状态的空心腔体，利用接收天线接收透射信号，并通过示波器检测当前信号幅值，计算接收天线接收透射信号的入射功率P_i1；

S4、打开电气控制装置，使处于高真空状态下的空心腔体充满电子、离子以及稀有气体，形成等离子体状态；

S5、打开射频收发装置，以步骤S3中相同频率的信号透射整个处于等离子体状态的空心腔体，利用发射天线、接收天线分别接收反射信号以及透射信号，并通过示波器检测当前信号幅值，计算发射天线接收反射信号的反射功率P_r1以及接收天线接收透射信号的透射功率P_t1；

S6、利用射频收发装置改变发射信号频率为ω₂和ω₃，重复步骤S3、步骤S4以及步骤S5，得到不同频率下的入射功率P_i2、P_i3，反射功率P_r2、P_r3以及透射功率P_t2、P_t3；

S7、利用步骤S5以及步骤S6得到的各功率计算等离子体的相对介电常数ε_r；

S8、利用电气控制装置中离子源改变空心腔体中离子密度，重复步骤S3至步骤S7，得到不同离子密度下等离子体的相对介电常数ε_r；

S9、在相同信号频率、不同离子密度的情况下，分析不同离子密度对入射信号相位的影响。

2.根据权利要求1所述的一种测量方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

打开真空控制装置中机械泵，将空心腔体抽为真空状态，直至真空控制器检测到当前环境的真空度小于预设值，则反馈信号给真空控制单元，利用真空控制单元控制真空分子泵控制器向分子泵传输控制信号，驱动分子泵将空心腔体抽为高真空状态，从而得到处于高真空状态的空心腔体。

3.根据权利要求1所述的一种测量方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括以下分步骤：

S71、根据步骤S5以及步骤S6得到的三个不同频率的信号功率计算能量衰减值S₁，S₂，S₃，表示为：

其中，G_t＝10lg(P_t/P_i)，G_r＝10lg(P_r/P_i)；

S72、根据步骤S71得到的能量衰减值S₁，S₂，S₃，构建能量衰减值方程组，表示为：

其中，α₁、α₂、α₃分别为频率为ω₁、ω₂和ω₃的衰减常数；

S73、利用步骤S72得到的能量衰减值方程组结合衰减常数α计算等离子体频率ω_p和等离子体中电子与中性粒子的碰撞频v，衰减常数α表达式为：

S74：利用步骤S73得到的等离子体频率ω_p和等离子体中电子与中性粒子的碰撞频v计算等离子体的相对介电常数ε_r，表示为：

其中，ω为信号频率，j为复数单位标识。