專利名稱：用于等離子體診斷的復合探針的制作方法
技術領域：
本發明屬于等離子體診斷技術領域。是一種基于將朗謬爾(Langmuir)單探針與差分發射探針相結合而形成的新的復合探針診斷技術，涉及到等離子體參數的精確測定、實時監控與時空分布測量。
背景技術：
目前，用于等離子體診斷的朗謬爾(Langmuir)靜電探針有單探針、雙探針、發射探針與差分發射探針等。單探針的結構如附圖1所示，前端(即探針)是一根高熔點的細金屬絲(或一個小金屬圓片，或一個小金屬圓球)，用套在絕緣套管(或內絕緣的金屬套管)內的導線將探針與一可調節電源相連接。使用時，將探針部分置于等離子體內，將可調節電源之一端與探針引線相連接，另一端與等離子體室壁(該室壁應與等離子體有良好接觸)相連接，室壁與實驗室地連接。并按圖接入電位計與電流表。假定等離子體處在穩定的狀態，調節可調電源使其施加不同的電位到探針上，對應探針的每一個電位(由電位計讀出)，由電流表讀取流經探針的電流。以所測得的探針電位為橫坐標，以探針電流為縱坐標作圖，即得Langmuir單探針的伏安(V-I)特性曲線(附圖2)。分析單探針的伏安特性可得所測等離子體的電子溫度、電子密度(并離子密度)、空間電位、懸浮電位與電子能量分布函數等信息。值得指出的是，在這里，等離子體空間電位一般是從單探針伏安特性曲線的拐點讀取的，俗稱為拐點法。原理上，單探針伏安特性曲線的拐點是這樣的一點，在該點掃描電壓與等離子體空間電位相等，探針電流達到電子飽和電流，掃描電壓繼續提高，探針電流仍保持不變，即單探針伏安特性曲線在過了對應等離子體空間電位的掃描電壓值后，應保持為一條水平直線，如附圖2中虛線所示，意即在橫坐標為等離子體空間電位時，會出現一點十分明顯的拐點；實際上，由于探針存在邊緣效應等原因，當探針電位高于等離子體空間電位時，探針電流仍繼續略有增加，如附圖2中實線所示，因此拐點的位置變得不很確切，意即將產生拐點定位誤差，使得用單探針拐點法求得的等離子體空間電位誤差較大。不僅如此，由于對應等離子體空間電位這一橫坐標值，其縱坐標值即為電子飽和電流Ie0；而電子飽和電流將用于求解電子密度(并離子密度)。所以，等離子體空間電位的較大誤差還將引起電子密度(并離子密度)的較大誤差。可見準確測定等離子體空間電位是非常重要的。為此，發射探針與差分發射探針被相繼發明出來。如附圖3中所示的差分發射探針，它可以實時地直接指示探針所處位置的等離子體空間電位。可惜，發射探針或差分發射探針只能提供等離子體空間電位方面的信息；但是，人們往往還需要其他參數的信息。在這種情況下，人們只好同時采用兩種探針差分發射探針(或發射探針)與單探針。以差分發射探針求得等離子體空間電位，再依據此空間電位值在單探針的伏安特性曲線上較準確地找出拐點位置，從而較準確地找出電子飽和電流值，進而求得電子密度(并離子密度)。事情雖然有了進步，但問題還是存在。請想象一下實際應用情況若在同一等離子體裝置內同時安裝兩種探針，一是兩支探針的插入，必然加大對等離子體的擾動；二是差分發射探針所在位置的等離子體空間電位并非一定就是單探針所在位置的值，只能是一種近似，這就有誤差。若是在同一位置相繼使用兩種探針那就更麻煩了，誤差也更大了。
發明內容
本發明的目的是兼顧朗謬爾(Langmuir)單探針與差分發射探針二者的優點，結合微型計算機數據采集與分析技術，提供一種新的高精度的、可自動采集與分析數據并便于實驗觀察的探針系統。
本發明的技術方案是將朗謬爾(Langmuir)單探針與差分發射探針二者集成安裝在同一探針管內構成復合探針，單探針與差分發射探針之間的距離為0.6毫米至2.0毫米；復合探針電路包括單探針掃描電路、差分發射探針空間電位跟蹤電路、矩形波脈沖發生電路與計算機接口電路。單探針掃描電路通過隔離運算放大器將相對于虛擬地的探針電流信號轉換為相對于實驗室地的信號，以便于計算機采集該信號；矩形波脈沖發生電路用于單探針脫機連續掃描，以便于示波器觀察單探針的伏安特性曲線。當與微型計算機聯機時，由軟件完成對朗謬爾(Langmuir)單探針V-I特性曲線數據與差分發射探針跟蹤的等離子體空間電位的自動采集，接著軟件依據差分發射探針提供的等離子體空間電位對朗謬爾(Langmuir)單探針V-I特性曲線數據進行分析處理，從而得出等離子體空間電位、電子密度與離子密度、懸浮電位、電子溫度與電子能量分布函數等；當與微機脫機時，借助矩形波脈沖發生器連續觸發V-I特性曲線掃描，從而可用示波器觀察V-I特性曲線，并可隨時從電壓表讀取等離子體空間電位。
本發明的效果和益處是顯著提高了等離子體參數的探測精度與速度，可對等離子體參數進行實時測量；結合動態密封機構，可對等離子體參數進行空間分布測量；還可用示波器直接觀察V-I特性曲線，便于對等離子體發生器進行調試。
附圖1是單探針原理電路圖。
附圖2是單探針V-I特性曲線圖。
附圖3是差分發射探針原理電路圖。
附圖4是復合探針原理電路圖。
圖中(1)等離子體，(2)石英導管，(3)鎢探針，(4)隔離環，(5)室壁，(6)法蘭盤，(7)鎳絲，(8)動密封，(9)探針管，(10)真空密封塞，(11)電流表，(12)電位計，(13)電位器，(14)電池組，(15)差分發射探針等離子體空間電位自動跟蹤電路，(16)差分發射探針，(17)矩形脈沖發生器，(18)帶功率放大的觸發式鋸齒波發生器，(19)隔離運算放大器，(20)雙通道示波器，(21)計算機接口。
本復合探針雖然同時具備朗謬爾(Langmuir)單探針與差分發射探針的功能，但它只作為一支探針插入等離子體內。這樣，不僅保障了二者所獲取的是等離子體空間同一點的信息，而且減小了對等離子體的干擾。
本復合探針同時具備朗謬爾(Langmuir)單探針與差分發射探針的功能，但它不是二者簡單的相加，而是二者有機的組合。二者不僅處于等離子體空間的同一點，而且二者通過計算機的控制可以提供同一時刻探針所在位置的等離子體參數信息(這里所謂的“同一時刻”與掃描電壓速率及數據采樣速率有關，目前可以做到微秒量級)。因此，利用同一位置同一時刻由差分發射探針精確測定的等離子體空間電位來分析單探針的伏安特性曲線，將明顯提高所得等離子體參數的準確度與可信度。
本復合探針采用動密封安裝在等離子體裝置的室壁上，因此可以方便地改變探針在等離子體中的位置，為等離子體參數的空間分布測量創造了條件。
本復合探針電路中，示波器接口的設置便于在實驗中隨時觀察單探針伏安特性曲線，為實時地監視等離子的狀態提供了一種有效而方便的途徑，在調試等離子體發生器時特別有用。
本復合探針軟件包括對探針系統的控制、數據的采集與數據的處理，等離子體空間某位置某時刻的各種參數可在亞亳秒量級的時間內獲得，并顯示或打印出來。
具體實施例方式
以下結合附圖詳細說明本發明的實施例。
如附圖4，復合探針是在一支探針管內同時裝入單探針(3)與差分發射探針(16)。復合探針電路包括單探針掃描電路、差分發射探針空間電位跟蹤電路(15)、矩形波脈沖發生電路(17)與計算機接口電路(21)。單探針掃描電路又包括帶功率放大的觸發式鋸齒波發生器(18)、隔離運算放大器(19)、探針電壓分壓取樣電阻R1與R2以及探針電流取樣電阻R3。在這里，隔離運算放大器(19)將相對于虛擬地的探針電流信號(即I×R3)轉換為相對于實驗室地的信號，以便于計算機采集。S1至S5為5刀雙擲開關。當S1至S5置于虛線位置時，為脫機狀態，系統用于觀察單探針的V-I特性曲線。此時矩形波發生器(17)產生一系列矩形波，從而觸發鋸齒波發生器(18)使之產生一系列鋸齒波。這些鋸齒波通過R3加在單探針(3)上。對應每一個鋸齒波，其電壓幅值由R1與R2分壓取樣送至示波器的通道1(CH1)；而探針電流信號(I)由取樣電阻R3取樣(I×R3)，經隔離運放(19)送至示波器的通道2(CH2)。這樣，示波器在X-Y模式下即顯示單探針的V-I特性曲線。對應一系列鋸齒波，即可重復顯示單探針的V-I特性曲線，使之便于觀察。此時并可從差分發射探針電路(15)中的電壓表(Vp)隨時讀取等離子體空間電位。當S1至S5置于實線位置時，系統與計算機聯機，即為聯機狀態，由計算機控制采集等離子體空間電位與單探針的V-I特性曲線。其步驟如下首先由軟件控制在D/A輸出線上輸出一個矩形波，用以觸發鋸齒波發生器(18)，使之輸出一個鋸齒波加于單探針(3)上。在此鋸齒波期間，軟件通過數據線A/D(1)與A/D(2)循環采集探針電壓(V)與探針電流(I)信號，即獲取單探針的V-I特性曲線數據；鋸齒波之后，通過數據線A/D(3)讀取等離子體空間電位Vp。接著由計算機利用從差分發射探針獲取的等離子體空間電位Vp對單探針的V-I特性曲線進行數據處理，從而得到一系列等離子體參數，即等離子體空間電位、電子溫度、電子密度、離子密度、懸浮電位與電子能量分布函數等。
本復合探針采用動密封安裝在等離子體裝置的室壁上，因此可以方便地改變探針在等離子體中的位置，為等離子體參數的空間分布測量創造了條件，空間分辨力可達到毫米量級。當復合探針處于等離子體空間某一位置時，可在不同時刻獲取上述等離子體參數，時間分辨力取決于計算機接口(21)的A/D轉換速度，設A/D轉換時間為1微秒，采集100對V-I數據，則時間分辨力可達到0.25毫秒。
權利要求
1.一種用于等離子體診斷的復合探針，其特征是以單探針與差分發射探針集成安裝在同一探針管內構成復合探針，單探針與差分發射探針之間的距離為0.6毫米至2.0毫米。
2.根據權利要求1所述的復合探針，其電路包括單探針掃描電路、差分發射探針空間電位跟蹤電路、矩形波脈沖發生電路與計算機接口電路，其特征是單探針掃描電路是通過隔離運算放大器將相對于虛擬地的探針電流信號轉換為相對于實驗室地的信號。
全文摘要
一種新型的復合探針,用于高精度的、實時的與具有空間分辨力的等離子體參數測量,屬于等離子體診斷技術領域。其特征在于將朗謬爾(Langmuir)單探針與差分發射探針集成安裝在同一探針管內形成一種新型的復合探針,結合朗謬爾(Langmuir)單探針掃描電路、差分發射探針空間電位自動跟蹤電路、矩形波脈沖發生電路、計算機接口電路與自動采集與分析數據的計算機軟件,實現對等離子體參數的高精度實時測量。其特點是測量精度高、測量速度快、可獲取等離子體參數時間與空間分布的信息,還可實時觀察朗謬爾(Langmuir)單探針的伏安(V－I)特性曲線,廣泛適用于等離子體的科學研究及等離子體的工業應用。
文檔編號G01N27/00GK1380811SQ02109519
公開日2002年11月20日 申請日期2002年4月19日 優先權日2002年4月19日
發明者鄧新綠, 劉莉瑩, 鄧凡, 陸文琪, 張家良, 徐軍, 牟宗信 申請人:大連理工大學