CN101056493A - 一种低温等离子体诊断装置 - Google Patents

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Abstract

一种低温等离子体诊断装置，特别涉及等离子体诊断技术，针对现有同类技术抗干扰能力弱、实时性差而公开一种低温等离子体诊断装置；该装置由朗缪尔探针、电源信号产生电路、信号采集电路及电源组成；朗缪尔探针与信号采集电路相连，信号采集电路和电源信号产生电路相连，电源分别与电源信号产生电路、信号采集电路相连；本装置的优点是对等离子体的干扰小，可以进行实时测量，体积小，使用方便。

Description

一种低温等离子体诊断装置
技术领域
本发明属于等离子体诊断技术领域，特别用于实时测量低温等离子体有关参数，如电子温度、电子密度、离子密度、空间电位、悬浮电位、德拜长度以及电子能量分布。
背景技术
目前用于等离子体诊断的方法有多种，朗缪尔探针是其中结构相对简单的一种。其特点是可以进行时间和空间分辨的等离子体参数测量，可以测量较多的等离子体参数。朗缪尔探针测量等离子体参数的原理是密封在真空陶瓷密封件内的朗缪尔探针(熔点高、功函数大的金属电极)置于充满等离子体的等离子体产生及反应器(真空室)中；电源产生从正到负的锯齿波，加载在取样电阻(用于测量电压V)、匹配电阻和等离子体并联后，再与取样电阻(用于测量电流)串联构成的回路上。当加在朗缪尔探针上的电压为正时，等离子体中的电子被吸到朗缪尔探针针尖上，电压越大电子电流越大，反之越小；当加在朗缪尔探针针尖上的电压为负时，则等离子体中的离子被探针针尖所吸引，电压越负离子流越大；因此在朗缪尔探针上加上正负交替变化的锯齿波信号时，电路中的电流是电子流和离子流，通过测量电阻则可以测出电流和电压。这样由电流I电压V组成了I-V特性曲线。利用此I-V曲线并根据等离子体有关理论则可以推导出等离子体的相关参数。目前使用朗缪尔探针诊断等离子体时，对等离子体的干扰较大，测量的实时性差，体积大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低温等离子体诊断装置。
本发明包括传感器(朗缪尔探针)、电源信号产生电路、信号采集电路及电源，如图1所示。传感器(朗缪尔探针)与信号采集电路相连，信号采集电路和电源信号产生电路相连，电源分别与电源信号产生电路、信号采集电路相连；所述的朗缪尔探针如图2所示，由四部分组成，分别为朗缪尔探针针尖、朗缪尔探针针体、连接体、法兰盘。朗缪尔探针针尖与朗缪尔探针针体相连，朗缪尔探针针体通过连接体与法兰盘相连。
朗缪尔探针针尖的结构如图3所示，包括：金属钨丝(直径为0.175mm)、细陶瓷管(直径为3mm)、密封圈、钨丝连接触点(金属铜)，其中钨丝连接触点的一半置于细陶瓷管的一端，密封圈置于细陶瓷管内的另一端，金属钨丝置于细陶瓷管的中心，与密封圈接触，并与钨丝连接触点相连，钨丝连接触点与朗缪尔探针针体的触点接触，其中密封圈的作用是防止金属钨丝和细陶瓷管接触。朗缪尔探针针体如图4所示，包括：朗缪尔探针针体的触点、补偿电极(不锈钢圆桶)、电容、滤波电路、参考电极、导线、陶瓷管；其中补偿电极(不锈钢圆桶)置于陶瓷管一端的外层；该陶瓷管此端内放置朗缪尔探针针体的触点，并有导线与滤波电路、电容相连；参考电极与参考电极的输出端相连，滤波电路为低通滤波器，用于阻止高频信号通过；细陶瓷管的一端通过密封圈与陶瓷管相连，使钨丝连接触点与朗缪尔探针针体的触点接触；针尖和针体的连接如图5所示；连接体的结构如图6所示，包括连接螺栓、内径20mm的不锈钢件、密封圈、紧固螺钉，其中密封圈置于连接体内，通过连接螺栓与陶瓷管密封连接；法兰盘结构如图7所示，包括法兰连接(不锈钢件)及其上面的4个法兰连接孔，陶瓷真空密封，2个电极(1个连接探针，一个连接参考电极)，参考电极多用于测量电容耦合等离子体参数时；连接体通过螺栓与法兰盘连接，连接探针的电极与滤波电路相连。
电源信号产生电路和信号采集电路如图8所示。电源信号产生电路，是由信号产生器U3和功率放大器U4组成，U3的管脚19与U4的管脚5相连，产生±Vs的锯齿波。
信号采集电路是由PC机、数据采集卡U5、采样电阻R1、R2、电阻R3及差分放大器U1、U2组成，其中探针的电极与电阻R1及U1相连，U1、U2分别通过电阻R3与U4相连，U5通过数据线与PC机相连，U1、U2的输出端通过导线分别与U5相连，U1的输入端分别与电阻R1的两端相连，U2的输入端分别与电阻R2的两端相连。信号采集电路目的是采集探针上的电流和电压值，并将测量的电流、电压值进行A/D转换输入到PC机中；PC机利用数据采集卡提供的程序实时读取电流、电压值，并可实时显示探针的I-V特性曲线。
本装置的优点是对等离子体的干扰小，可以进行实时测量，体积小，使用方便。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是朗缪尔探针结构示意图；
图3是朗缪尔探针针尖的结构示意图；
图4是朗缪尔探针针体的结构示意图；
图5是朗缪尔探针针尖安装示意图；
图6是连接体的结构示意图；
图7是法兰盘的结构示意图；
图8是朗缪尔探针电路原理图；
图中1-朗缪尔探针针尖，2-朗缪尔探针针体，3-连接体，4-法兰盘，5-金属钨丝，6-密封圈，7-细陶瓷管，8-钨丝连接触点，9-补偿电极，10-朗缪尔探针针体的触点，11-导线，12-参考电极，13-陶瓷管，14-导线，15-导线，16-电容，17-低通滤波器，18-密封圈，19-连接螺栓，20-不锈钢件，21-密封圈，22-紧固螺钉，23-法兰盘，24-陶瓷真空密封，25-2个电极，A-探针；
具体实施方式
朗缪尔探针针尖的结构如图3所示，包括：金属钨丝5(直径为0.175mm)、细陶瓷管7(直径为3mm)、密封圈6、钨丝连接触点8(金属铜)，其中钨丝连接触点的一半置于细陶瓷管的一端，密封圈置于细陶瓷管内的另一端，金属钨丝置于细陶瓷管的中心，与密封圈接触，并与钨丝连接触点相连，钨丝连接触点与朗缪尔探针针体的触点接触，其中密封圈的作用是防止金属钨丝和细陶瓷管接触。朗缪尔探针针体如图4所示，包括：朗缪尔探针针体的触点10、补偿电极9(不锈钢圆桶)、电容16、滤波电路17、参考电极12、导线14、陶瓷管13；其中补偿电极(不锈钢圆桶)置于陶瓷管一端的外层；该陶瓷管此端内放置朗缪尔探针针体的触点，并有导线与滤波电路、电容相连；参考电极与参考电极的输出端相连，滤波电路为低通滤波器，用于阻止高频信号通过；细陶瓷管的一端通过密封圈与陶瓷管相连，使钨丝连接触点与朗缪尔探针针体的触点接触；针尖和针体的连接如图5所示。连接体的结构如图6所示，包括连接螺栓19、内径20mm的不锈钢件20、密封圈21、紧固螺钉22，其中密封圈置于连接体内，通过连接螺栓与陶瓷管密封连接；法兰盘结构如图7所示，包括法兰连接23(不锈钢件)及其上面的4个法兰连接孔，陶瓷真空密封24，2个电极25(1个连接探针，一个连接参考电极)，参考电极多用于测量电容耦合等离子体参数时；连接体通过螺栓与法兰盘连接，连接探针的电极与滤波电路相连。
电源信号产生电路和信号采集电路如图8所示。电源信号产生电路，是由信号产生器U3和功率放大器U4组成；U3采用MAX038芯片，U4采用PA88芯片；U3的管脚19与U4的管脚5相连，U3的输出端管脚19输出±1.7V的锯齿波，经U4放大后产生±100V锯齿波。
信号采集电路是由PC机、数据采集卡U5、电流采样电阻R1、电压采样电阻R2、电阻R3及差分放大器U1、U2组成，其中探针的电极与电阻R1及U1相连，U1、U2分别通过电阻R3与U4相连，U5通过数据线与PC机相连，U1、U2的输出端分别通过导线与U5相连，U1的输入端分别与电阻R1的两端相连，U2的输入端分别与电阻R2的两端相连。U1、U2采用LF353芯片，U5采用PCL818HG数据采集卡；信号采集电路目的是采集探针上的电流和电压值，并将测量的电流、电压值进行A/D转换输入PC机；PC机利用数据采集卡提供的程序实时读取电流、电压值，并可实时显示探针的I-V特性曲线。

Claims (7)

1.一种低温等离子体诊断装置，其特征在于该装置包括朗缪尔探针、电源信号产生电路、信号采集电路及电源；朗缪尔探针与信号采集电路相连，信号采集电路和电源信号产生电路相连，电源分别与电源信号产生电路、信号采集电路相连。
2.根据权利要求1所述的低温等离子体诊断装置，其特征在于所述的朗缪尔探针包括朗缪尔探针针尖、朗缪尔探针针体、连接体、法兰盘，朗缪尔探针针尖与朗缪尔探针针体相连，朗缪尔探针针体通过连接体与法兰盘相连。
3.根据权利要求2所述的低温等离子体诊断装置，其特征在于所述的朗缪尔探针针尖由金属钨丝、细陶瓷管、密封圈、钨丝连接触点组成，其中钨丝连接触点的一半置于细陶瓷管的一端，密封圈置于细陶瓷管内的另一端，金属钨丝置于细陶瓷管的中心，与密封圈接触，并与钨丝连接触点相连，钨丝连接触点与朗缪尔探针针体的触点接触。
4.根据权利要求2所述的低温等离子体诊断装置，其特征在于所述的朗缪尔探针针体由朗缪尔探针针体的触点、补偿电极、电容、滤波电路、参考电极、导线、陶瓷管组成；其中补偿电极置于陶瓷管一端的外层；该陶瓷管此端内放置朗缪尔探针针体的触点，并有导线与滤波电路、电容相连；参考电极与参考电极的输出端相连。
5.根据权利要求2所述的低温等离子体诊断装置，其特征在于所述的朗缪尔探针针尖与朗缪尔探针针体的连接是由细陶瓷管的一端通过密封圈与陶瓷管相连，使钨丝连接触点与朗缪尔探针针体的触点接触。
6.根据权利要求1所述的低温等离子体诊断装置，其特征在于所述的电源信号产生电路是由电路信号产生器和功率放大器组成，产生±Vs的锯齿波。
7.根据权利要求1所述的低温等离子体诊断装置，其特征在于所述的信号采集电路是由PC机、数据采集卡U5、电流采样电阻R1、电压采样电阻R2、电阻R3及两个差分放大器U1、U2组成，它将采集的电流和电压值进行A/D转换输入PC机，PC机则实时显示探针的I-V特性曲线。
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