摘要：等离子体诊断技术是一种探测等离子体特性的技术，本文对微波法等离子体探测的原理进行理论分析，主要包括自由传播法和空腔法，并对该方法的特点进行讨论。本讨论对等离子体光谱诊断具有一定参考意义和价值。
关键词：微波法；等离子体诊断；原理分析
一、引言
在自然物质中，除了固体、液体和气体这三种基本形态之外，还有第四大基本形态——等离子体。如今，等离子体已成为物理学科学研究中的重要组成部分。等离子体技术已经在各个领域有了显著的发展。
等离子体是多粒子体系，由处在非束缚态的带电粒子组成，泛指那些电离后气体。等离子体与普通的气体不同，它不仅含有中性的分子和原子，还有大量的电子及离子，所以具有很好的导电性。另外，因为等离子体中的正负电荷量是相等的，所以等离子体整体对外是显示中性的，因此稱为等离子体。
等离子体在宇宙中占据绝大多数。它的出现通常会有华丽的光芒和色彩，形成宏伟、神秘的自然奇观。生活中的雷电、极光等现象是我们常见的天然等离子体。除此之外，还有白炽灯、荧光灯灯管中的气体、电焊时的高温电弧以及等离子显示器。在外太空存在着大量的等离子体，如太阳风、星际介质、星云等。
等离子体特性诊断是利用物理规律和现象测定等离子体特性的一种方法。根据测量要求和实验条件选取不同的诊断方法。常用的方法包括光谱法、探针法和微波法。在常见等离子体特性诊断中，需要测得的参数主要有电子的温度、电子数密度和离子温度等。本文主要对微波法的具体原理进行分析讨论。
二、微波法等离子体诊断的基本原理
等离子体如果遇到微波，二者就会产生相互作用。微波法就是利用二者的相互作用产生的可视变化，得到描述等离子体特征参量的方法。等离子体中有微波通过时，微波器件会有一系列的变化，微波在等离子体中也会表现出相位移动、微波折射、反射等物理现象。在实验中，我们可以测得微波在等离子体中的位移量、衰减量等相关物理量；再通过理论分析，可以推测出等离子体中粒子的碰撞频率和电子密度等参量，从而确定等离子体的特性。
通过微波在等离子体中通过产生的物理现象测量数据并推测等离子体特性的诊断过程称为微波传输的测量。此测量过程可使用两种方法，自由传播法和空腔法。自由传播法还可以细分为微波反射测量、衰减测量、相位移动测量等基本方法。
微波法除微波传输的测量之外，还有一种可以诊断等离子体特性的方法，即等离子体微波辐射的测量。等离子体微波辐射测量的基本原理与微波传输测量有些差别，等离子体微波辐射不用借助外来电磁波谱，而是直接测量等离子体本身的黑体辐射、相干辐射、回旋辐射等物理量，通过测得等离子体辐射发出的电磁波的参数判断等离子体特性。
三、微波法常用测试设备
1.微波谐振腔
微波谐振腔是一个金属腔，这个金属腔可以传输微波的谐振和波导。腔内有封闭的等离子体，当腔内等离子体有微波穿过时，谐振腔的状态就会根据等离子体特性的不同而有不同的表现。由扰动分析等方法，结合数据能得到谐振频率的移动、谐振腔品质因数与等离子体特性的关系，根据得到的关系式及测得的数据就可以推算出描述等离子体特性的参数，如电子密度、电子温度、电导率等。空腔法只适用于电子密度不高、体积适中的等离子体特性诊断。
2.微波干涉仪
微波干涉仪是一套微波装置，该装置可以利用微波相位的移动检测等离子体特性参量。微波传输测量中自由传播法常用到微波干涉仪，微波干涉仪可以测量出传输信号的衰减，并在瞬变等离子体的观测中得到了广泛应用。在微波干涉仪中，微波信号在内部分成两部分，一部分从被测等离子体中通过，这一部分微波信号的相位随着等离子体特性参数的变化而产生变化；另一部分称为参考路径，这部分微波信号的相位是不会发生移动的。在微波干涉仪内分开的这两部分信号通过了相应的路径后，会在耦合器等微波器件中再次相遇，并叠加起来产生微波干涉现象。相位的移动和振幅的衰减都会影响干涉仪的响应。被测等离子体的电子密度、温度以及电子碰撞的频率都可以由微波干涉仪测出。
四、微波法诊断特点
微波法诊断等离子体特性是实际诊断中常用的方法。在微波法诊断等离子体特性时，被诊断的等离子体特性不会被微波所干扰，故测得的数据比较精确。但微波法的使用是有局限性的，微波法测量的动态范围相对较小，空间响应能力不强。故微波法要在适合的情况下使用才能发挥优势。
参考文献：
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