專利名稱：一種低溫等離子體診斷裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于等離子體診斷技術領域，特別用于實時測量低溫等離子體有關參數，如電子溫度、電子密度、離子密度、空間電位、懸浮電位、德拜長度以及電子能量分布。
背景技術：
目前用于等離子體診斷的方法有多種，朗繆爾探針是其中結構相對簡單的一種。其特點是可以進行時間和空間分辨的等離子體參數測量，可以測量較多的等離子體參數。朗繆爾探針測量等離子體參數的原理是密封在真空陶瓷密封件內的朗繆爾探針(熔點高、功函數大的金屬電極)置于充滿等離子體的等離子體產生及反應器(真空室)中；電源產生從正到負的鋸齒波，加載在取樣電阻(用于測量電壓V)、匹配電阻和等離子體并聯后，再與取樣電阻(用于測量電流)串聯構成的回路上。當加在朗繆爾探針上的電壓為正時，等離子體中的電子被吸到朗繆爾探針針尖上，電壓越大電子電流越大，反之越小；當加在朗繆爾探針針尖上的電壓為負時，則等離子體中的離子被探針針尖所吸引，電壓越負離子流越大；因此在朗繆爾探針上加上正負交替變化的鋸齒波信號時，電路中的電流是電子流和離子流，通過測量電阻則可以測出電流和電壓。這樣由電流I電壓V組成了I-V特性曲線。利用此I-V曲線并根據等離子體有關理論則可以推導出等離子體的相關參數。目前使用朗繆爾探針診斷等離子體時，對等離子體的干擾較大，測量的實時性差，體積大。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明提供一種低溫等離子體診斷裝置。
本發明包括傳感器(朗繆爾探針)、電源信號產生電路、信號采集電路及電源，如圖1所示。傳感器(朗繆爾探針)與信號采集電路相連，信號采集電路和電源信號產生電路相連，電源分別與電源信號產生電路、信號采集電路相連；所述的朗繆爾探針如圖2所示，由四部分組成，分別為朗繆爾探針針尖、朗繆爾探針針體、連接體、法蘭盤。朗繆爾探針針尖與朗繆爾探針針體相連，朗繆爾探針針體通過連接體與法蘭盤相連。
朗繆爾探針針尖的結構如圖3所示，包括金屬鎢絲(直徑為0.175mm)、細陶瓷管(直徑為3mm)、密封圈、鎢絲連接觸點(金屬銅)，其中鎢絲連接觸點的一半置于細陶瓷管的一端，密封圈置于細陶瓷管內的另一端，金屬鎢絲置于細陶瓷管的中心，與密封圈接觸，并與鎢絲連接觸點相連，鎢絲連接觸點與朗繆爾探針針體的觸點接觸，其中密封圈的作用是防止金屬鎢絲和細陶瓷管接觸。朗繆爾探針針體如圖4所示，包括朗繆爾探針針體的觸點、補償電極(不銹鋼圓桶)、電容、濾波電路、參考電極、導線、陶瓷管；其中補償電極(不銹鋼圓桶)置于陶瓷管一端的外層；該陶瓷管此端內放置朗繆爾探針針體的觸點，并有導線與濾波電路、電容相連；參考電極與參考電極的輸出端相連，濾波電路為低通濾波器，用于阻止高頻信號通過；細陶瓷管的一端通過密封圈與陶瓷管相連，使鎢絲連接觸點與朗繆爾探針針體的觸點接觸；針尖和針體的連接如圖5所示；連接體的結構如圖6所示，包括連接螺栓、內徑20mm的不銹鋼件、密封圈、緊固螺釘，其中密封圈置于連接體內，通過連接螺栓與陶瓷管密封連接；法蘭盤結構如圖7所示，包括法蘭連接(不銹鋼件)及其上面的4個法蘭連接孔，陶瓷真空密封，2個電極(1個連接探針，一個連接參考電極)，參考電極多用于測量電容耦合等離子體參數時；連接體通過螺栓與法蘭盤連接，連接探針的電極與濾波電路相連。
電源信號產生電路和信號采集電路如圖8所示。電源信號產生電路，是由信號產生器U3和功率放大器U4組成，U3的管腳19與U4的管腳5相連，產生±Vs的鋸齒波。
信號采集電路是由PC機、數據采集卡U5、采樣電阻R1、R2、電阻R3及差分放大器U1、U2組成，其中探針的電極與電阻R1及U1相連，U1、U2分別通過電阻R3與U4相連，U5通過數據線與PC機相連，U1、U2的輸出端通過導線分別與U5相連，U1的輸入端分別與電阻R1的兩端相連，U2的輸入端分別與電阻R2的兩端相連。信號采集電路目的是采集探針上的電流和電壓值，并將測量的電流、電壓值進行A/D轉換輸入到PC機中；PC機利用數據采集卡提供的程序實時讀取電流、電壓值，并可實時顯示探針的I-V特性曲線。
本裝置的優點是對等離子體的干擾小，可以進行實時測量，體積小，使用方便。
圖1是本發明系統結構示意圖；圖2是朗繆爾探針結構示意圖；圖3是朗繆爾探針針尖的結構示意圖；圖4是朗繆爾探針針體的結構示意圖；圖5是朗繆爾探針針尖安裝示意圖；圖6是連接體的結構示意圖；圖7是法蘭盤的結構示意圖；圖8是朗繆爾探針電路原理圖；圖中1-朗繆爾探針針尖，2-朗繆爾探針針體，3-連接體，4-法蘭盤，5-金屬鎢絲，6-密封圈，7-細陶瓷管，8-鎢絲連接觸點，9-補償電極，10-朗繆爾探針針體的觸點，11-導線，12-參考電極，13-陶瓷管，14-導線，15-導線，16-電容，17-低通濾波器，18-密封圈，19-連接螺栓，20-不銹鋼件，21-密封圈，22-緊固螺釘，23-法蘭盤，24-陶瓷真空密封，25-2個電極，A-探針；具體實施方式
朗繆爾探針針尖的結構如圖3所示，包括金屬鎢絲5(直徑為0.175mm)、細陶瓷管7(直徑為3mm)、密封圈6、鎢絲連接觸點8(金屬銅)，其中鎢絲連接觸點的一半置于細陶瓷管的一端，密封圈置于細陶瓷管內的另一端，金屬鎢絲置于細陶瓷管的中心，與密封圈接觸，并與鎢絲連接觸點相連，鎢絲連接觸點與朗繆爾探針針體的觸點接觸，其中密封圈的作用是防止金屬鎢絲和細陶瓷管接觸。朗繆爾探針針體如圖4所示，包括朗繆爾探針針體的觸點10、補償電極9(不銹鋼圓桶)、電容16、濾波電路17、參考電極12、導線14、陶瓷管13；其中補償電極(不銹鋼圓桶)置于陶瓷管一端的外層；該陶瓷管此端內放置朗繆爾探針針體的觸點，并有導線與濾波電路、電容相連；參考電極與參考電極的輸出端相連，濾波電路為低通濾波器，用于阻止高頻信號通過；細陶瓷管的一端通過密封圈與陶瓷管相連，使鎢絲連接觸點與朗繆爾探針針體的觸點接觸；針尖和針體的連接如圖5所示。連接體的結構如圖6所示，包括連接螺栓19、內徑20mm的不銹鋼件20、密封圈21、緊固螺釘22，其中密封圈置于連接體內，通過連接螺栓與陶瓷管密封連接；法蘭盤結構如圖7所示，包括法蘭連接23(不銹鋼件)及其上面的4個法蘭連接孔，陶瓷真空密封24，2個電極25(1個連接探針，一個連接參考電極)，參考電極多用于測量電容耦合等離子體參數時；連接體通過螺栓與法蘭盤連接，連接探針的電極與濾波電路相連。
電源信號產生電路和信號采集電路如圖8所示。電源信號產生電路，是由信號產生器U3和功率放大器U4組成；U3采用MAX038芯片，U4采用PA88芯片；U3的管腳19與U4的管腳5相連，U3的輸出端管腳19輸出±1.7V的鋸齒波，經U4放大后產生±100V鋸齒波。
信號采集電路是由PC機、數據采集卡U5、電流采樣電阻R1、電壓采樣電阻R2、電阻R3及差分放大器U1、U2組成，其中探針的電極與電阻R1及U1相連，U1、U2分別通過電阻R3與U4相連，U5通過數據線與PC機相連，U1、U2的輸出端分別通過導線與U5相連，U1的輸入端分別與電阻R1的兩端相連，U2的輸入端分別與電阻R2的兩端相連。U1、U2采用LF353芯片，U5采用PCL818HG數據采集卡；信號采集電路目的是采集探針上的電流和電壓值，并將測量的電流、電壓值進行A/D轉換輸入PC機；PC機利用數據采集卡提供的程序實時讀取電流、電壓值，并可實時顯示探針的I-V特性曲線。
權利要求
1.一種低溫等離子體診斷裝置，其特征在于該裝置包括朗繆爾探針、電源信號產生電路、信號采集電路及電源；朗繆爾探針與信號采集電路相連，信號采集電路和電源信號產生電路相連，電源分別與電源信號產生電路、信號采集電路相連。
2.根據權利要求1所述的低溫等離子體診斷裝置，其特征在于所述的朗繆爾探針包括朗繆爾探針針尖、朗繆爾探針針體、連接體、法蘭盤，朗繆爾探針針尖與朗繆爾探針針體相連，朗繆爾探針針體通過連接體與法蘭盤相連。
3.根據權利要求2所述的低溫等離子體診斷裝置，其特征在于所述的朗繆爾探針針尖由金屬鎢絲、細陶瓷管、密封圈、鎢絲連接觸點組成，其中鎢絲連接觸點的一半置于細陶瓷管的一端，密封圈置于細陶瓷管內的另一端，金屬鎢絲置于細陶瓷管的中心，與密封圈接觸，并與鎢絲連接觸點相連，鎢絲連接觸點與朗繆爾探針針體的觸點接觸。
4.根據權利要求2所述的低溫等離子體診斷裝置，其特征在于所述的朗繆爾探針針體由朗繆爾探針針體的觸點、補償電極、電容、濾波電路、參考電極、導線、陶瓷管組成；其中補償電極置于陶瓷管一端的外層；該陶瓷管此端內放置朗繆爾探針針體的觸點，并有導線與濾波電路、電容相連；參考電極與參考電極的輸出端相連。
5.根據權利要求2所述的低溫等離子體診斷裝置，其特征在于所述的朗繆爾探針針尖與朗繆爾探針針體的連接是由細陶瓷管的一端通過密封圈與陶瓷管相連，使鎢絲連接觸點與朗繆爾探針針體的觸點接觸。
6.根據權利要求1所述的低溫等離子體診斷裝置，其特征在于所述的電源信號產生電路是由電路信號產生器和功率放大器組成，產生±Vs的鋸齒波。
7.根據權利要求1所述的低溫等離子體診斷裝置，其特征在于所述的信號采集電路是由PC機、數據采集卡U5、電流采樣電阻R1、電壓采樣電阻R2、電阻R3及兩個差分放大器U1、U2組成，它將采集的電流和電壓值進行A/D轉換輸入PC機，PC機則實時顯示探針的I-V特性曲線。
全文摘要
一種低溫等離子體診斷裝置，特別涉及等離子體診斷技術，針對現有同類技術抗干擾能力弱、實時性差而公開一種低溫等離子體診斷裝置；該裝置由朗繆爾探針、電源信號產生電路、信號采集電路及電源組成；朗繆爾探針與信號采集電路相連，信號采集電路和電源信號產生電路相連，電源分別與電源信號產生電路、信號采集電路相連；本裝置的優點是對等離子體的干擾小，可以進行實時測量，體積小，使用方便。
文檔編號H05H1/00GK101056493SQ20071001124
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月10日 優先權日2007年5月10日
發明者王慶, 巴德純 申請人:東北大學