CN101170865A - 等离子体悬浮参考探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量等离子体悬浮电位的参考探针，由电极(1)、低通滤波器(2)、高阻(3)、I－V变换器(4)、数据采集卡(5)、工业控制计算机(6)组成。电极(1)插入等离子体内，另一端接低通滤波器(2)；低通滤波器(2)与高阻(3)连接，高阻(3)另一端连接I－V变换器(4)；I－V变换器将收集信号转换成电压信号并输出；数据采集卡(5)接收I－V变换器(4)的输出信号并将其传给工业控制计算机(6)，工业控制计算机(6)对信号进行处理并显示。探针在等离子体中处于悬浮状态，高阻两端的电位差即为等离子体悬浮电位，采用这种结构可以对各种低温等离子体中悬浮电位实时测量。

Description

等离子体悬浮参考探针

技术领域

本发明涉及等离子体诊断仪器技术领域，特别涉及实时测量低温等离子体悬浮电位的探针。

背景技术

朗缪尔探针是等离子体重要的诊断仪器，应用中它被偏压扫描电源驱动，从而使它吸引等离子体内部的电子、正离子流。通过对其I-V特性曲线进行分析推导得出等离子体空间电位V_s，电子温度T_e，电子以及离子密度N_e、N_i，悬浮电位V_f，电子能量分布函数EEDF等等参数。但在实践中由于朗缪尔探针在扫描电源的驱动下工作，等离子体鞘层阻抗很大时(不良的接地或真空室墙附近电离较差)，等离子体空间电位容易发生低频迁移(波动)，这种迁移不是等离子体空间电位本身的正常变化而是由于测量装置带来的波动。因此诊断时必须将其带来的误差去掉，即将I-V特性曲线中将空间电位的波动去掉。但直接测量等离子体空间电位是不容易的。根据F.F.Chen若鞘层内电子为Maxwellian分布，离子符合Bohm判据，等离子体悬浮电位和空间电位则有如下关系：

$V_s=V_f+\frac{{\mathrm{KT}}_e}{e}\mathrm{In}\sqrt{\left(\frac{2M}{m}\right)}---\left(1\right)$

M离子质量； $T_{\mathrm{eV}}=\frac{{\mathrm{KT}}_e}{e}$ 为电子温度；m电子质量；悬浮电位为V_f；V_s为等离子体空间电位。又假设某时刻电子温度T_eV为常量，则有：

ΔV_s-ΔV_f＝0    (2)

这说明等离子体空间电位的波动和悬浮电位的波动一样，由于测量等离子体悬浮电位较容易，因此一般通过测量等离子体悬浮电位的波动来间接获得空间电位的波动，测量悬浮电位的探针为悬浮探针。

目前比较常见的悬浮探针由电极、低通滤波器、高阻连接而成，电极一端插入等离子体内，另一端连接低通滤波器。等离子体悬浮电位为朗缪尔探针电流为0时的电位，在探针上接入高阻(1M)，由于电阻R很高1M则探针上近似没有电流即探针悬浮，高阻两侧的电位即为等离子体的悬浮电位。实践中，由于测量高阻两侧电位时要求信号采集设备具有极高的输入阻抗，因为探针上高阻1M，这样要求的信号采集设备需要更高的阻抗，因此这种悬浮探针也不能准确的测量等离子体的悬浮电位。

发明内容

针对现有悬浮探针在实践中不能准确测量等离子体的悬浮电位，本发明提供一种准确测量等离子体悬浮电位的等离子体悬浮参考探针。

本发明装置包括电极、低通滤波器、高阻、I-V变换器、数据采集卡、工业控制计算机。其中细金属电极插入等离子体内，另一端接低通滤波器，低通滤波器与高阻连接，高阻另一端连接I-V变换器，I-V变换器与地相连。I-V变换器由LF356JFET输入型运算放大器组成。

探针在等离子体中处于悬浮状态，高阻两端的电位差即为等离子体悬浮电位。其中电极是为了吸收等离子体信号，表面积应该大些，例如4cm²材料，可为不绣钢；低通滤波器(截止频率为1KHz)的作用是将射频以及以上成分滤掉；高值电阻(这里为功率0.5瓦；1M欧姆)其作用是使探针达到悬浮状态；I-V变换器，测量探针的微弱电流信号，并将该信号转换成电压信号并输出；数据采集卡(研华公司的PCL818HG)，其作用是接收I-V变换器的输出信号(探针电流信号)并将其传给工业控制计算机，数据采集卡启动采集，经过A/D转换，然后经过数据滤波，数据存储并显示；工业控制计算机对信号进行处理并显示。

设等离子体悬浮电位为V_f，悬浮探针上电流为I_s，经过电阻R_f上的电流为I_f。测出电流I_s并根据V_f＝I_s·R即可知道悬浮电位。LF356JFET输入型运算放大器测量电流I_s并将其转换成电压Vo信号输出。根据放大器原理，输出信号V_o＝I_f·R_f，I_f≈I_s。因此LF356的输出Vo即为悬浮电位V_f。如果V_f太大则设R＝10MΩ，这样该电路成为电压衰减器，即V_o＝0.1·V_f。LF356JFET输入型运算放大器等效阻抗r_i为：

r_i＝U_i/I_s＝U_i/(V₀/R_f)＝R_f/K₀＝10⁵/2×10⁵＝0.5Ω，因此电路中接入LF356对信号测量影响非常小。电路中的低通滤波器(截止频率为1KHz)用来阻挡悬浮电位的射频成分，使低频信号通过。该悬浮探针插入等离子体中，测量悬浮电位随着朗缪尔探针电压的波动而波动的情况。如图4。正常情况下悬浮电位应该是朗缪尔探针电流时候的朗缪尔探针上的电位应该是在扫描期间不变的量；但从图4可见，悬浮电位随着朗缪尔探针电源的波动而单调变化；说明该悬浮探针可以实时的监测等离子体悬浮电位的变化。

使用这种结构的等离子体悬浮参考探针连接到I-V变换器、数据采集卡、工业控制计算机，由于测量悬浮电位时信号，利用I-V变换器转换并用计算机显示，可以更精确的测量等离子体悬浮电压。

附图说明

图1悬浮探针组成图

图2等离子体悬浮参考探针I-V变换电路

图3滤波器和悬浮电位测量电路

图4悬浮电位V_f(V_p)随着朗缪尔探针电压V_p变化关系曲线

图5数据采集软件流程图

图中：1电极、2低通滤波器、3高阻、4I-V变换器、5数据采集卡、6工业控制计算机、7反馈电阻、8直流电源A、9直流电源B、10I-V变换器输出电压

具体实施方式

等离子体悬浮探针组成如图1，由电极1、低通滤波器2、高阻3、I-V变换器4、数据采集卡5、工业控制计算机6组成，细属电极1插入等离子体内，另一端接低通滤波器2；低通滤波器2与高阻3连接，高阻3另一端连接I-V变换器4；I-V变换器将收集信号转换成电压信号并输出；数据采集卡5接收I-V变换器4的输出信号并将其传给工业控制计算机6，工业控制计算机6对信号进行处理并显示。悬浮探针电极1插入等离子体中；为了更好地吸收等离子体信号，表面积应该大些例如4cm²材料可为不锈钢；低通滤波器2(截止频率为1KHz)作用是将射频以及以上成分滤掉；高值电阻3(这里为功率0.5瓦；1M欧姆)其作用是使探针达到悬浮状态；I-V变换器4，测量探针的微弱电流信号，并将该信号转换成电压信号并输出；数据采集卡5(研华公司的PCL818HG)，其作用是接收I-V变换器的输出信号(探针电流信号)并将其传给工业控制计算机6；工业控制计算机6对信号进行处理并显示。

I-V变换器4的具体结构如图2。I-V变换器由LF356JFET输入型运算放大器组成。高阻3和LF356的2脚连接，3脚和地连接；反馈电阻7；直流电源A8和直流电源B9；I-V变换器的输出阻抗为50Ω。

如图5所示的数据采集卡采集过程，其步骤如下：

1、数据采集卡启动采集，将I-V变换器输出的数据采集

2、经过A/D转换，将采集的数据转换

3、经过数据滤波，

4、数据存储并显示。

Claims (1)

1.一种用于测量等离子体悬浮电位的等离子体悬浮参考探针，由电极(1)、低通滤波器(2)、高阻(3)、I-V变换器(4)、数据采集卡(5)、工业控制计算机(6)组成，其特征在于：所述的电极(1)插入等离子体内，另一端接低通滤波器(2)；低通滤波器(2)与高阻(3)连接，高阻(3)另一端连接I-V变换器(4)；I-V变换器将收集信号转换成电压信号并输出；数据采集卡(5)接收I-V变换器(4)的输出信号并将其传给工业控制计算机(6)，工业控制计算机(6)对信号进行处理并显示。

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