射频功率放大器在等离子体激励及发射光谱诊断系统中的应用

实验名称：射频放电等离子体激励及发射光谱诊断系统

研究方向：探索射频放电等离子体激励对超声速流动中激波/边界层干扰（SWBLI）非定常性的主动控制效果及其作用机理。研究聚焦于等离子体激励在流动控制中的应用，旨在通过实验手段揭示射频放电等离子体的物理特性及其对激波振荡和边界层结构的调控作用。具体分为两个核心部分：首先在低压静态环境中分析等离子体的光谱特性，探究放电参数（功率、频率）对电子温度、振动温度和电子密度的影响规律；其次在超声速风洞中研究等离子体激励对SWBLI动态特性的控制效果，重点关注激波振荡频率变化和边界层流动结构的响应。

实验目的：探究射频放电等离子体的功率、频率对等离子体特性（电子温度等）的影响规律，及其在超声速流场中对激波低频振荡抑制、高频能量增强和边界层涡结构诱导的控制效果，为主动流动控制技术提供实验支撑。

测试设备：射频功率放大器ATA-8035、表面放电激励器、低气压舱、真空泵、光纤光谱仪、超声速风洞、压缩拐角实验件、高速相机、氙灯光源、凹面镜、刀口、示波器、数字延迟发生器、阻抗匹配电路。

实验过程：在低气压舱（12kPa）中采用光纤光谱仪（0.4-1.1μm）采集射频放电等离子体（0.5-1.1MHz，20-50W）的发射光谱，通过Boltzmann斜线法和Stark展宽反演电子温度、振动温度及电子密度；同步在Ma=2超声速风洞中安装压缩拐角实验件（偏转角20°），通过表面放电激励器施加等离子体热扰动，利用纹影成像系统（氙灯光源+凹面镜+刀口）结合高速相机（100kHz帧率）捕捉激波振荡与边界层分离泡动态响应，采用数字延迟发生器实现放电激励与图像采集的微秒级同步触发；通过空间傅里叶变换提取激波振荡主频，结合小波相干分析量化分离区涡结构与激波运动的相位关联，最终基于MATLAB平台对比不同放电参数下的动态模态分解（DMD）特征，建立等离子体热扰动与激波/边界层多尺度耦合的调控模型。

图1射频放电发射光谱诊断系统框图

图2激波/边界层干扰（SWBLI）非定常性控制实验系统框图

图3压缩拐角实验件

实验结果：流动控制实验表明：未施加激励时激波主频为0.8-2.5kHz（占比总能量62%），施加0.7MHz激励后激波低频能量下降37%，高频段（>10kHz）能量提升3.2倍，激波位移标准差从3.2mm降至2.5mm；当激励频率提升至1.0MHz时，激波特征频率迁移至5.8kHz（增幅230%），再附边界层出现空间相干涡结构（能量密度提升4.5倍），激波前缘脉动与放电相位锁定误差<5μs，验证了等离子体热冲击对激波/边界层多尺度耦合的调制效应。

图4，12kPa气压条件下的射频表面放电图像及其发射光谱图

图5不同负载功率下的发射光谱和相对光谱强度变化图

图6不同频率功率下的发射光谱和相对光谱强度变化图

图7激波位置时间序列频谱图

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审核编辑 黄宇