CN101650230A - 等离子体诊断用多功能探针 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体诊断用多功能探针，属于等离子体科学与技术领域，用于诊断等离子体。该多功能探针兼有单探针、双探针和三探针功能，探针电路在计算机软件控制下能够按照设定在单探针、双探针或三探针模式下进行工作，工作模式的切换由计算机指令控制继电器动作实现。本发明的效果和益处是：将单探针、双探针和三探针的功能集于一体，利用三种探针相互互补的优点弥补它们各自的局限性，从而能够不受放电形式制约广泛适用于各种等离子体诊断，并且具有快速诊断能力。
Description
技术领域
本发明属于等离子体科学与技术领域，涉及到一种将单探针、双探针和三探针技术整合于一体的多功能诊断装置，兼有单探针、双探针和三探针功能，用于在各种放电形式下对等离子体进行诊断。
背景技术
探针是诊断等离子体参数常用的装置，可以分为单探针、双探针、三探针等多种类型。单探针是一个置于等离子体中的小金属电极，在探针与等离子体地之间加上扫描偏置电压，然后测量探针电流随扫描偏置电压的变化，得到伏安特性曲线，再通过分析伏安特性曲线就可以得到等离子体的参数。双探针由两个相互靠近的小金属电极构成，扫描偏置电压加在两电极之间，也是通过分析伏安特性曲线获得等离子体的参数。三探针由三个相互靠近的小金属电极构成，在其中两个电极之间加一个固定电压，测量这两个电极与第三电极之间的电压和电流，利用公式就可以计算出等离子体密度和电子温度。
上述三种探针各有优点和局限性：利用单探针能够获得等离子体密度、电子温度、等离子体电位及电子能量分布函数等参数，但单探针对等离子体的扰动较大，而且不能用于无参考地的等离子体；双探针和三探针能够诊断无参考地的等离子体，对等离子体扰动较小，但利用这两种探针不能获得等离子体电位和电子能量分布函数；三探针工作不需要扫描偏置电压，因此时间分辨能力远高于单探针和双探针，但其空间分辨能力略低于双探针和单探针。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种等离子体诊断用多功能探针，该探针将单探针、双探针和三探针技术整合于一体，兼有单探针、双探针和三探针的功能，弥补三种探针各自使用时的局限性，使之能够不受放电形式制约广泛适用于各种等离子体诊断，并且具有快速诊断能力。
本发明的技术方案是：
该多功能探针包括三个相互靠近的金属电极、探针电路、计算机，金属电极的材料、形状和大小相同；探针电路由驱动电路和数据采集卡组成，驱动电路包括继电器、高压运放、取样电阻、反馈电阻和输入电阻，数据采集卡上有模拟信号输入端子、数字信号输出端子、模拟信号输出端子和接地端子；探针电路在计算机控制下按照设定在单探针、双探针或三探针模式下进行工作，分别实现单探针、双探针和三探针功能；工作模式的切换由数据采集卡按照计算机指令控制继电器实现。
单探针和双探针模式下工作所需扫描偏置电压由模拟信号输出端子的模拟输出信号经驱动电路的高压运放升压提供；三探针模式下工作所需固定偏置电压由模拟信号输出端子的模拟输出电压直接提供；探针工作模式切换由数字信号输出端子的数字输出电平控制继电器动作实现；探针的电压、电流信号由模拟信号输入端子采集。
本发明的效果和益处是将单探针、双探针和三探针的功能集于一体，利用三种探针相互互补的优点弥补它们各自的局限性，从而能够不受放电形式制约广泛适用于各种等离子体诊断，并且具有快速诊断能力。
附图说明
图1是本发明的电原理图。
图2是本发明在单探针模式下工作的接线图。
图3是本发明在双探针模式下工作的接线图。
图4是本发明在三探针模式下工作的接线图。
图5是利用本发明在单探针模式下对直流放电等离子体进行诊断的实测特性曲线图。
图6是利用本发明在双探针模式下对射频放电等离子体进行诊断的实测特性曲线图。
图7是利用本发明在三探针模式下对微波电子回旋共振等离子体进行诊断的等离子体密度和电子温度测量结果。
图中：1金属电极A，2金属电极B，3金属电极C，4数据采集卡，5继电器，6高压运放，7取样电阻，8反馈电阻，9输入电阻，10模拟信号输入端子，11数字信号输出端子，12模拟信号输出端子，13接地端子，14等离子体。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
在图1中，金属电极A、金属电极B和金属电极C都是直径0.2mm、长4mm的钨丝，互相平行排列，间距都是1mm。数据采集卡4使用National Instruments公司的USB-6211，高压运放6使用Apex公司的PA08。取样电阻7、反馈电阻8和输入电阻9的值分别为1kΩ、100kΩ、10kΩ
在图2中，数字信号输出端子11输出低电平信号，继电器5开关掷向左侧，接地端子13与等离子体14参考地连接，金属电极A和金属电极C不起作用，探针工作于单探针模式。
在图3中，数字信号输出端子11输出低电平信号，继电器5开关掷向左侧，接地端子13与金属电极C连接，金属电极B不起作用，探针工作于双探针模式。
在图4中，数字信号输出端子11输出高电平信号，继电器5开关掷向右侧，探针工作于三探针模式。
在图5的实施例中，利用本发明在单探针模式下对直流磁控放电等离子体进行诊断得到伏安特性曲线。探针距磁控阴极4cm。对伏安特性曲线分析计算得出等离子体密度为9.8×109cm-3，电子温度为1.14eV，等离子体空间电位2V，悬浮电位-7.76V。
在图6的实施例中，利用本发明在双探针模式下对射频60MHz电容耦合放电等离子体进行诊断得到伏安特性曲线。电极间距20mm。对伏安特性曲线分析计算得出等离子体密度为1.89×1010cm-3，电子温度为3.4eV。
在图7的实施例中，利用本发明在三探针模式下对微波电子回旋共振等离子体进行诊断得到等离子体密度和电子温度的值及其随时间的变化。
Claims (1)
1.一种等离子体诊断用多功能探针，其特征在于：该多功能探针包括三个相互靠近的金属电极(A、B和C)、探针电路、计算机，金属电极的材料、形状和大小相同；探针电路由驱动电路和数据采集卡(4)组成，驱动电路包括继电器(5)、高压运放(6)、取样电阻(7)、反馈电阻(8)和输入电阻(9)，数据采集卡(4)上有模拟信号输入端子(10)、数字信号输出端子(11)、模拟信号输出端子(12)和接地端子(13)；探针电路在计算机控制下能够按照设定在单探针、双探针或三探针模式下进行工作，分别实现单探针、双探针和三探针功能；工作模式的切换由数据采集卡(4)按照计算机指令控制继电器(5)实现；
单探针和双探针模式下工作所需扫描偏置电压由模拟信号输出端子(12)的模拟输出信号经驱动电路的高压运放升压提供；三探针模式下工作所需固定偏置电压由模拟信号输出端子(12)的模拟输出电压直接提供；探针工作模式切换由数字信号输出端子(11)的数字输出电平控制继电器动作实现；探针的电压、电流信号由模拟信号输入端子(10)采集。
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