CN1157103C - 用于等离子体诊断的复合探针 - Google Patents

Abstract

一种新型的复合探针，用于高精度的、实时的与具有空间分辨力的等离子体参数测量，属于等离子体诊断技术领域。其特征在于将朗谬尔(Langmuir)单探针与差分发射探针集成安装在同一探针管内形成一种新型的复合探针，结合朗谬尔(Langmuir)单探针扫描电路、差分发射探针空间电位自动跟踪电路、矩形波脉冲发生电路、计算机接口电路与自动采集与分析数据的计算机软件，实现对等离子体参数的高精度实时测量。其特点是测量精度高、测量速度快、可获取等离子体参数时间与空间分布的信息，还可实时观察朗谬尔(Langmuir)单探针的伏安(V-I)特性曲线，广泛适用于等离子体的科学研究及等离子体的工业应用。

Description

用于等离子体诊断的复合探针

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术领域。是一种基于将朗谬尔(Langmuir)单探针与差分发射探针相结合而形成的新的复合探针诊断技术，涉及到等离子体参数的精确测定、实时监控与时空分布测量。

背景技术

目前，用于等离子体诊断的朗谬尔(Langmuir)静电探针有单探针、双探针、发射探针与差分发射探针等。单探针的结构如附图1所示，前端(即探针)是一根高熔点的细金属丝(或一个小金属圆片，或一个小金属圆球)，用套在绝缘套管(或内绝缘的金属套管)内的导线将探针与一可调节电源相连接。使用时，将探针部分置于等离子体内，将可调节电源之一端与探针引线相连接，另一端与等离子体室壁(该室壁应与等离子体有良好接触)相连接，室壁与实验室地连接。并按图接入电位计与电流表。假定等离子体处在稳定的状态，调节可调电源使其施加不同的电位到探针上，对应探针的每一个电位(由电位计读出)，由电流表读取流经探针的电流。以所测得的探针电位为横坐标，以探针电流为纵坐标作图，即得Langmuir单探针的伏安(V-I)特性曲线(附图2)。分析单探针的伏安特性可得所测等离子体的电子温度、电子密度(并离子密度)、空间电位、悬浮电位与电子能量分布函数等信息。值得指出的是，在这里，等离子体空间电位一般是从单探针伏安特性曲线的拐点读取的，俗称为拐点法。原理上，单探针伏安特性曲线的拐点是这样的一点，在该点扫描电压与等离子体空间电位相等，探针电流达到电子饱和电流，扫描电压继续提高，探针电流仍保持不变，即单探针伏安特性曲线在过了对应等离子体空间电位的扫描电压值后，应保持为一条水平直线，如附图2中虚线所示，意即在横坐标为等离子体空间电位时，会出现一点十分明显的拐点；实际上，由于探针存在边缘效应等原因，当探针电位高于等离子体空间电位时，探针电流仍继续略有增加，如附图2中实线所示，因此拐点的位置变得不很确切，意即将产生拐点定位误差，使得用单探针拐点法求得的等离子体空间电位误差较大。不仅如此，由于对应等离子体空间电位这一横坐标值，其纵坐标值即为电子饱和电流I_e0；而电子饱和电流将用于求解电子密度(并离子密度)。所以，等离子体空间电位的较大误差还将引起电子密度(并离子密度)的较大误差。可见准确测定等离子体空间电位是非常重要的。为此，发射探针与差分发射探针被相继发明出来。如附图3中所示的差分发射探针，它可以实时地直接指示探针所处位置的等离子体空间电位。可惜，发射探针或差分发射探针只能提供等离子体空间电位方面的信息；但是，人们往往还需要其他参数的信息。在这种情况下，人们只好同时采用两种探针：差分发射探针(或发射探针)与单探针。以差分发射探针求得等离子体空间电位，再依据此空间电位值在单探针的伏安特性曲线上较准确地找出拐点位置，从而较准确地找出电子饱和电流值，进而求得电子密度(并离子密度)。事情虽然有了进步，但问题还是存在。请想象一下实际应用情况：若在同一等离子体装置内同时安装两种探针，一是两支探针的插入，必然加大对等离子体的扰动；二是差分发射探针所在位置的等离子体空间电位并非一定就是单探针所在位置的值，只能是一种近似，这就有误差。若是在同一位置相继使用两种探针那就更麻烦了，误差也更大了。

发明内容

本发明的目的是兼顾朗谬尔(Langmuir)单探针与差分发射探针二者的优点，结合微型计算机数据采集与分析技术，提供一种新的高精度的、可自动采集与分析数据并便于实验观察的探针系统。

本发明的技术方案是将朗谬尔(Langmuir)单探针与差分发射探针二者集成安装在同一探针管内构成复合探针，单探针与差分发射探针之间的距离为0.6毫米至2.0毫米；复合探针电路包括单探针扫描电路、差分发射探针空间电位跟踪电路、矩形波脉冲发生电路与计算机接口电路。单探针扫描电路通过隔离运算放大器将相对于虚拟地的探针电流信号转换为相对于实验室地的信号，以便于计算机采集该信号；矩形波脉冲发生电路用于单探针脱机连续扫描，以便于示波器观察单探针的伏安特性曲线。当与微型计算机联机时，由软件完成对朗谬尔(Langmuir)单探针V-I特性曲线数据与差分发射探针跟踪的等离子体空间电位的自动采集，接着软件依据差分发射探针提供的等离子体空间电位对朗谬尔(Langmuir)单探针V-I特性曲线数据进行分析处理，从而得出等离子体空间电位、电子密度与离子密度、悬浮电位、电子温度与电子能量分布函数等；当与微机脱机时，借助矩形波脉冲发生器连续触发V-I特性曲线扫描，从而可用示波器观察V-I特性曲线，并可随时从电压表读取等离子体空间电位。

本发明的效果和益处是显著提高了等离子体参数的探测精度与速度，可对等离子体参数进行实时测量；结合动态密封机构，可对等离子体参数进行空间分布测量；还可用示波器直接观察V-I特性曲线，便于对等离子体发生器进行调试。

附图说明

附图1是单探针原理电路图。

附图2是单探针V-I特性曲线图。

附图3是差分发射探针原理电路图。

附图4是复合探针原理电路图。

图中1等离子体，2石英导管，3钨探针，4隔离环，5室壁，6法兰盘，7镍丝，8动密封，9探针管，10真空密封塞，11电流表，12电位计，13电位器，14电池组，15差分发射探针等离子体空间电位自动跟踪电路，16差分发射探针，17矩形脉冲发生器，18带功率放大的触发式锯齿波发生器，19隔离运算放大器，20双通道示波器，21计算机接口。

本复合探针虽然同时具备朗谬尔(Langmuir)单探针与差分发射探针的功能，但它只作为一支探针插入等离子体内。这样，不仅保障了二者所获取的是等离子体空间同一点的信息，而且减小了对等离子体的干扰。

本复合探针同时具备朗谬尔(Langmuir)单探针与差分发射探针的功能，但它不是二者简单的相加，而是二者有机的组合。二者不仅处于等离子体空间的同一点，而且二者通过计算机的控制可以提供同一时刻探针所在位置的等离子体参数信息(这里所谓的“同一时刻”与扫描电压速率及数据采样速率有关，目前可以做到微秒量级)。因此，利用同一位置同一时刻由差分发射探针精确测定的等离子体空间电位来分析单探针的伏安特性曲线，将明显提高所得等离子体参数的准确度与可信度。

本复合探针采用动密封安装在等离子体装置的室壁上，因此可以方便地改变探针在等离子体中的位置，为等离子体参数的空间分布测量创造了条件。

本复合探针电路中，示波器接口的设置便于在实验中随时观察单探针伏安特性曲线，为实时地监视等离子的状态提供了一种有效而方便的途径，在调试等离子体发生器时特别有用。

本复合探针软件包括对探针系统的控制、数据的采集与数据的处理，等离子体空间某位置某时刻的各种参数可在亚毫秒量级的时间内获得，并显示或打印出来。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施例。

如附图4，复合探针是在一支探针管内同时装入单探针3与差分发射探针16。复合探针电路包括单探针扫描电路、差分发射探针空间电位跟踪电路15、矩形波脉冲发生电路17与计算机接口电路21。单探针扫描电路又包括带功率放大的触发式锯齿波发生器18、隔离运算放大器19、探针电压分压取样电阻R1与R2以及探针电流取样电阻R3。在这里，隔离运算放大器19将相对于虚拟地的探针电流信号(即IxR3)转换为相对于实验室地的信号，以便于计算机采集。S1至S5为5刀双掷开关。当S1至S5置于虚线位置时，为脱机状态，系统用于观察单探针的V-I特性曲线。此时矩形波发生器17产生一系列矩形波，从而触发锯齿波发生器18使之产生一系列锯齿波。这些锯齿波通过R3加在单探针3上。对应每一个锯齿波，其电压幅值由R1与R2分压取样送至示波器的通道1(CH1)；而探针电流信号(I)由取样电阻R3取样(IxR3)，经隔离运放19送至示波器的通道2(CH2)。这样，示波器在X-Y模式下即显示单探针的V-I特性曲线。对应一系列锯齿波，即可重复显示单探针的V-I特性曲线，使之便于观察。此时并可从差分发射探针电路15中的电压表(Vp)随时读取等离子体空间电位。当S1至S5置于实线位置时，系统与计算机联机，即为联机状态，由计算机控制采集等离子体空间电位与单探针的V-I特性曲线。其步骤如下：首先由软件控制在D/A输出线上输出一个矩形波，用以触发锯齿波发生器18，使之输出一个锯齿波加于单探针3上。在此锯齿波期间，软件通过数据线A/D(1)与A/D(2)循环采集探针电压(V)与探针电流(I)信号，即获取单探针的V-I特性曲线数据；锯齿波之后，通过数据线A/D(3)读取等离子体空间电位Vp。接着由计算机利用从差分发射探针获取的等离子体空间电位Vp对单探针的V-I特性曲线进行数据处理，从而得到一系列等离子体参数，即等离子体空间电位、电子温度、电子密度、离子密度、悬浮电位与电子能量分布函数等。

本复合探针采用动密封安装在等离子体装置的室壁上，因此可以方便地改变探针在等离子体中的位置，为等离子体参数的空间分布测量创造了条件，空间分辨力可达到毫米量级。当复合探针处于等离子体空间某一位置时，可在不同时刻获取上述等离子体参数，时间分辨力取决于计算机接口21的A/D转换速度，设A/D转换时间为1微秒，采集100对V-I数据，则时间分辨力可达到0.25毫秒。

Claims (1)

1.一种用于等离子体诊断的复合探针，其特征是：以单探针与差分发射探针集成安装在同一探针管内构成复合探针，配合复合探针电路，复合探针电路包括单探针扫描电路、差分发射探针空间电位跟踪电路、矩形波脉冲发生电路及计算机接口电路与计算机软件实时地测定等离子体的各种参数。

Images