一種凸凹探針及其等離子體診斷方法與流程

本發明屬于等離子體技術領域，涉及到一種凸凹探針及其等離子體診斷方法，用于診斷等離子體獲得準確的等離子體空間電位、電子密度和電子能量分布函數。

背景技術：

現有診斷等離子體最常用的技術是單探針，是把一個小金屬電極即探針置于等離子體中，在探針與等離子體接地電極之間加上掃描偏置電壓，然后測量探針電流隨掃描偏置電壓的變化，得到伏安特性曲線，再通過分析伏安特性曲線得到等離子體的參數，包括等離子體空間電位、電子密度和電子能量分布函數等。其中探針的形狀為球形、平面或圓柱形，分析伏安特性曲線的方法是：對伏安特性曲線進行微分，用微分最大值對應的電位作為等離子體空間電位，用此電位處的探針電流作為電子飽和電流計算電子密度，以此電位為基準點計算電子能量分布函數。

上述方法對于理論上不存在空間電荷效應的情況是準確的，但實際上當探針偏置在等離子體空間電位附近時，電子向探針匯集一定會產生空間電荷效應，使得伏安特性曲線在等離子體空間電位處的拐點變圓滑，伏安特性曲線在低于實際等離子體空間電位的某處就偏離指數變化，從而在那里而不是實際等離子體空間電位處出現微分最大值，導致以此獲得的等離子體空間電位值低于實際的等離子體空間電位值，并由此進一步導致計算出的電子密度值偏低和電子能量分布函數不準確。

另一方面，現有技術使用的各種探針形狀也存在問題。其中，圓柱形探針由于其易制作和對等離子體擾動較小而最為廣泛使用，但圓柱形探針空間對稱性不好，尖端電場較強，探針上的收集電流密度不均勻，從而產生沿面電勢差和電流，影響測量的準確性。另外，圓柱形探針靠近其絕緣支架的部分會受到絕緣支架鞘層的遮擋而不能有效收集電子，因此不能準確確定有效的電流收集面積，從而使電子密度計算不準確。與圓柱形探針相比，球形探針對等離子體擾動更小且空間對稱性好，但球形探針也不能避免其靠近絕緣支架的部分受絕緣支架鞘層的遮擋而不能有效收集電子的問題，使有效的電流收集面積不能準確確定以及由此導致電子密度計算不準確。平面探針因其對等離子體擾動大和理論不完善而最少使用，且平面探針同樣存在電場不均勻和探針受絕緣支架鞘層遮擋的問題。

技術實現要素：

本發明提供一種凸凹探針及其等離子體診斷方法，以解決現有的單探針等離子體診斷技術由于空間電荷效應和探針形狀結構原因所造成的診斷結果不準確的問題，獲得準確的等離子體空間電位、電子密度和電子能量分布函數。

本發明技術方案是：

一種凸凹探針由凸探針、絕緣管和金屬導線組成；凸探針為半球形，直徑為0.5-50mm；絕緣管與凸探針直徑相同；凸探針半球的平面部分與絕緣管的一端正對接觸或留一個縫隙，縫隙的寬度不大于凸探針半球和絕緣管直徑的1/10；凸探針半球的平面上連接一根金屬導線，金屬導線從絕緣管中穿過與外部電路連接。

凹探針組件由凹探針、絕緣套管和金屬導線組成；凹探針為圓筒形，內徑為0.5-50mm，深徑比大于10；凹探針圓筒的一端開放，凹探針圓筒外緊套一個絕緣套管，凹探針圓筒開放的一端邊緣與絕緣套管邊緣平齊；凹探針圓筒的另一端連接一根金屬導線，金屬導線從絕緣套管中穿過與外部電路連接。

上述凸探針和凹探針的材料是相同的非磁性金屬；上述絕緣管和絕緣套管的材料為陶瓷、玻璃或塑料。

上述凸探針組件和凹探針組件構成凸凹探針組合使用，凸凹探針組合包括分體式凸凹探針組合和一體伸縮式凸凹探針組合兩種形式；分體式凸凹探針組合中，凸探針組件和凹探針組件靠近安裝，凹探針圓筒開放的一端靠近凸探針，凹探針組件不遮擋凸探針；一體伸縮式凸凹探針組合中，凸探針組件和凹探針組件共軸安裝，凸探針組件可以處于縮入凹探針組件內的狀態和伸出凹探針組件外的狀態；凸探針組件縮入凹探針組件內的狀態中，凸探針縮入凹探針圓筒內的深度大于凹探針圓筒直徑的10倍；凸探針組件伸出凹探針組件外的狀態中，凸探針靠近凹探針圓筒邊緣但不被凹探針遮擋。

診斷等離子體時，將凸凹探針組合置于等離子體中；同時或分別在凸探針和凹探針與等離子體接地電極之間加上掃描偏置電壓，并測量凸探針和凹探針各自的電流隨掃描偏置電壓的變化，得到凸探針和凹探針各自的伏安特性曲線(對于一體伸縮式凸凹探針組合，在凸探針組件縮入凹探針組件內的狀態下測量凹探針的伏安特性曲線，在凸探針組件伸出凹探針組件外的狀態下測量凸探針的伏安特性曲線)；從凹探針的伏安特性曲線上找到它的拐點，讀出該拐點對應的偏置電壓值，這個偏置電壓值就是等離子體空間電位V_S；從凸探針的伏安特性曲線上讀出上述偏置電壓值對應的電流，這個電流就是凸探針的飽和電子電流I_es，然后利用公式計算獲得電子密度n_e，上述公式中，e、m_e和T_e分別是電子電量、電子質量和電子溫度，A是凸探針半球面的面積；對凸探針的伏安特性曲線做二次微分，利用公式獲得電子能量分布函數f(E)，其中E＝e(V_S-V)是電子能量，V是探針偏置電壓，取值V≤V_S。

本發明的有益效果是：

1.凹探針利用開口和空腔收集電子，沒有金屬-等離子體界面，從而能夠消除空間電荷效應，使伏安特性曲線清晰地顯示出拐點，指示出準確的等離子體空間電位；2.由于獲得了準確的等離子體空間電位，利用它計算獲得的電子密度和電子能量分布函數更準確；3.凸探針和絕緣管的結構設計方案能夠避免絕緣管的鞘層對部分探針面積的遮擋，使凸探針的電子收集面積能夠準確確定(等于半球面的面積)，從而能夠準確計算電子密度；3.凸探針的半球面形狀對等離子體擾動最小，且電流密度均勻，獲得的伏安特性曲線質量好，使以之為基礎計算獲得的電子能量分布函數更準確。

附圖說明

圖1是分體式凸凹探針組合的示意圖。

圖2是一體伸縮式凸凹探針組合的示意圖。

圖3是利用凸凹探針診斷等離子體的電原理圖。

圖4是利用凸凹探針診斷空間等離子體的示意圖。

圖5是利用凸凹探針診斷等離子體獲得的伏安特性曲線。

圖6是利用凸凹探針診斷等離子體獲得的電子能量分布函數。

圖中：1凸探針；2絕緣管；3金屬導線；4凹探針；5絕緣套管；6分體式凸凹探針組合；7等離子體；8等離子體接地電極；9衛星；10凹探針的伏安特性曲線；11拐點；12凸探針的伏安特性曲線。

具體實施方式

下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。

實施例一：

圖1中凸探針1、絕緣管2和金屬導線3組成凸探針組件；凸探針1為半球形，直徑為2mm；絕緣管2與凸探針1直徑相同；凸探針1半球的平面部分與絕緣管2的一端正對，之間留一個0.2mm的縫隙；凸探針1半球的平面上連接金屬導線3，金屬導線3從絕緣管2中穿過與外部電路連接。

圖1中凹探針4、絕緣套管5和金屬導線3組成凹探針組件；凹探針4為圓筒形，內徑為1.7mm，深30mm；凹探針4圓筒的一端開放，凹探針4圓筒外緊套一個絕緣套管5，凹探針4圓筒開放的一端邊緣與絕緣套管5邊緣平齊；凹探針4圓筒的另一端連接金屬導線3，金屬導線3從絕緣套管5中穿過與外部電路連接。

圖1中凸探針1和凹探針4的材料相同，均為黃銅；絕緣管2和絕緣套管5的材料為玻璃。

圖1中凸探針組件和凹探針組件構成分體式凸凹探針組合，凸探針組件和凹探針組件靠近安裝，凹探針4圓筒開放的一端靠近凸探針1，凹探針組件不遮擋凸探針1。

實施例二：

圖2中凸探針1、絕緣管2和金屬導線3組成凸探針組件；凸探針1為半球形，直徑為1.8mm；絕緣管2與凸探針1直徑相同；凸探針1半球的平面部分與絕緣管2的一端正對，之間留一個0.16mm的縫隙；凸探針1半球的平面上連接金屬導線3，金屬導線3從絕緣管2中穿過與外部電路連接。

圖2中凹探針4、絕緣套管5和金屬導線3組成凹探針組件；凹探針4為圓筒形，內徑為2mm，深30mm；凹探針4圓筒的一端開放，凹探針4圓筒外緊套一個絕緣套管5，凹探針4圓筒開放的一端邊緣與絕緣套管5邊緣平齊；凹探針4圓筒的另一端連接金屬導線3，金屬導線3從絕緣套管5中穿過與外部電路連接。

圖2中凸探針1和凹探針4的材料相同，均為鉭；絕緣管2和絕緣套管5的材料為陶瓷。

圖2中凸探針組件和凹探針組件構成一體伸縮式凸凹探針組合，凸探針組件和凹探針組件共軸安裝，凸探針組件可以處于縮入凹探針組件內和伸出凹探針組件外兩種狀態；凸探針組件縮入凹探針組件內的狀態中，凸探針1縮入凹探針4圓筒內的深度大于凹探針4圓筒直徑的10倍，凸探針組件伸出凹探針組件外的狀態中，凸探針1靠近凹探針4圓筒邊緣但不被凹探針遮擋。

實施例三：

圖3中凸探針組件和凹探針組件構成分體式凸凹探針組合6置于等離子體7中；同時在凸探針1和凹探針4與等離子體接地電極8之間加上掃描偏置電壓，并測量凸探針1和凹探針4各自的電流隨掃描偏置電壓的變化，得到凸探針和凹探針各自的伏安特性曲線。

實施例四：

圖4中凸探針組件和凹探針組件構成一體伸縮式凸凹探針組合隨衛星9發射至空間等離子體7中，其中凸探針1為半球形，直徑為48mm；絕緣管2與凸探針1直徑相同；凸探針1半球的平面部分與絕緣管2的一端正對接觸；凹探針4為圓筒形，內徑為50mm，深600mm；凸探針1和凹探針4的材料相同，均為鈦，絕緣管2的材料為陶瓷；分別在凸探針1和凹探針4與作為等離子體接地電極的衛星9之間加上掃描偏置電壓，并測量凸探針1和凹探針4各自的電流隨掃描偏置電壓的變化，得到凸探針1和凹探針4各自的伏安特性曲線，其中在凸探針組件縮入凹探針組件內的狀態下測量凹探針4的伏安特性曲線，在凸探針組件伸出凹探針組件外的狀態下測量凸探針1的伏安特性曲線。

實施例五：

圖5是將凸凹探針組合置于等離子體中，分別在凸探針(直徑2mm)和凹探針與等離子體接地電極之間加上掃描偏置電壓，然后測量凸探針和凹探針各自的電流隨掃描偏置電壓的變化得到的凸探針和凹探針各自的伏安特性曲線；從凹探針的伏安特性曲線10上找到它的拐點11，讀出該拐點11對應的偏置電壓值9.93V，這個偏置電壓值9.93V就是等離子體空間電位V_S；從凸探針的伏安特性曲線12上讀出上述偏置電壓值9.93V對應的電流1.33mA，這個電流就是凸探針的飽和電子電流I_es，然后利用公式計算獲得電子密度n_e，上述公式中，e、m_e和T_e分別是電子電量、電子質量和電子溫度，A是凸探針半球面的面積；圖6中，對圖5中的凸探針的伏安特性曲線12做二次微分，利用公式獲得電子能量分布函數f(E)，其中E＝e(V_S-V)是電子能量，V是探針偏置電壓，取值V≤V_S。