利用微型球形天线对自由悬浮的大气等离子体进行微波成形

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Microwave Shaping of Free-Standing Atmospheric Plasma Using a Miniaturized Spherical Antenna

等离子体通过9.3GHz微波场自支撑形成无需材料接触或外部磁场的球状结构，光谱显示非平衡态（700-3050K，10^20-10^21 m?3），支持常压空气及多种气体成分的模拟研究，适用于表面处理、化学辅助及微型反应堆开发。

　　

摘要：

等离子体成形——即等离子体几何形状的合成与控制——对于聚变能源、太空推进、材料加工和环境技术等领域至关重要。传统方法依赖于磁约束、静电控制或结构边界来实现这一目标。本研究展示了一种无需任何物质接触约束、仅通过9.3 GHz微波场在常压下维持的独立球形等离子体。该系统采用了一种微型球形等离子体天线，置于共振腔内，能够产生结构化的分子辐射，包括羟基和一氧化氮信号。光谱诊断结果证实这是一种非平衡放电现象，其中电子温度范围约为700至3050 K，电子密度约为10^20–10^21 m^-3（通过功率平衡模型估算得出）。这种方法消除了对外部磁场、结构壁或气体流动稳定装置的需求，从而实现了一种紧凑且可扩展的等离子体平台，适用于局部高密度等离子体的产生。潜在应用包括表面处理、等离子体辅助化学反应、诊断技术以及微型等离子体反应堆的开发。此外，该系统还支持在不同气体成分和压力条件下（包括常温空气）对聚变相关等离子体成形现象进行模拟研究。这些特性使得GHz驱动的独立球形等离子体成为应用技术和基础等离子体科学领域中一种多功能的研究工具。