射頻功率放大器在等離子體激勵及發射光譜診斷系統中的應用
實驗名稱：射頻放電等離子體激勵及發射光譜診斷系統
研究方向：探索射頻放電等離子體激勵對超聲速流動中激波/邊界層干擾（SWBLI）非定常性的主動控制效果及其作用機理。研究聚焦于等離子體激勵在流動控制中的應用，旨在通過實驗手段揭示射頻放電等離子體的物理特性及其對激波振蕩和邊界層結構的調控作用。具體分為兩個核心部分：首先在低壓靜態環境中分析等離子體的光譜特性，探究放電參數（功率、頻率）對電子溫度、振動溫度和電子密度的影響規律；其次在超聲速風洞中研究等離子體激勵對SWBLI動態特性的控制效果，重點關注激波振蕩頻率變化和邊界層流動結構的響應。
實驗目的：探究射頻放電等離子體的功率、頻率對等離子體特性（電子溫度等）的影響規律，及其在超聲速流場中對激波低頻振蕩抑制、高頻能量增強和邊界層渦結構誘導的控制效果，為主動流動控制技術提供實驗支撐。
測試設備：射頻功率放大器ATA-8035、表面放電激勵器、低氣壓艙、真空泵、光纖光譜儀、超聲速風洞、壓縮拐角實驗件、高速相機、氙燈光源、凹面鏡、刀口、示波器、數字延遲發生器、阻抗匹配電路。
實驗過程：在低氣壓艙（12kPa）中采用光纖光譜儀（0.4-1.1μm）采集射頻放電等離子體（0.5-1.1MHz，20-50W）的發射光譜，通過Boltzmann斜線法和Stark展寬反演電子溫度、振動溫度及電子密度；同步在Ma=2超聲速風洞中安裝壓縮拐角實驗件（偏轉角20°），通過表面放電激勵器施加等離子體熱擾動，利用紋影成像系統（氙燈光源+凹面鏡+刀口）結合高速相機（100kHz幀率）捕捉激波振蕩與邊界層分離泡動態響應，采用數字延遲發生器實現放電激勵與圖像采集的微秒級同步觸發；通過空間傅里葉變換提取激波振蕩主頻，結合小波相干分析量化分離區渦結構與激波運動的相位關聯，最終基于MATLAB平臺對比不同放電參數下的動態模態分解（DMD）特征，建立等離子體熱擾動與激波/邊界層多尺度耦合的調控模型。
圖1射頻放電發射光譜診斷系統框圖
圖2激波/邊界層干擾（SWBLI）非定常性控制實驗系統框圖
圖3壓縮拐角實驗件
實驗結果：光譜測試顯示，當負載功率從20W增至100W（頻率1MHz固定），氮分子391.4/380.5nm譜線比（表征電子溫度）由2.1升至3.3，而371.1/380.5nm譜線比（振動溫度）穩定在0.82±0.05，Stark展寬法測得電子密度維持（1.2±0.3）×10^{15}cm^{-3}；當頻率從0.5MHz增至1.5MHz（100W固定），電子溫度譜線比呈現先增后降趨勢，峰值3.5出現在1.1MHz。流動控制實驗表明：未施加激勵時激波主頻為0.8-2.5kHz（占比總能量62%），施加0.7MHz激勵后激波低頻能量下降37%，高頻段（>10kHz）能量提升3.2倍，激波位移標準差從3.2mm降至2.5mm；當激勵頻率提升至1.0MHz時，激波特征頻率遷移至5.8kHz（增幅230%），再附邊界層出現空間相干渦結構（能量密度提升4.5倍），激波前緣脈動與放電相位鎖定誤差<5μs，驗證了等離子體熱沖擊對激波/邊界層多尺度耦合的調制效應。
圖4，12kPa氣壓條件下的射頻表面放電圖像及其發射光譜圖
圖5不同負載功率下的發射光譜和相對光譜強度變化圖
圖6不同頻率功率下的發射光譜和相對光譜強度變化圖
圖7激波位置時間序列頻譜圖
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