CN106771675A - 利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针及测量方法，采用球形探针与其周围等离子体耦合获得相对耦合电势；“悬浮式”恒流源电路向探针施加偏置电流；高阻抗耦合电势检测电路和偏置电流电路均内置于球形探针内部；信号处理单元采集处理探针耦合电势信号并提供偏置电流控制电压信号。探针采用了施加偏置电流的等效方式，改变并使探针浮点电位向其周围等离子体空间电位逼近；依据Langmuir探针诊断等离子体参数，计算得到所施加偏置电流初始值，实现偏置电流值的快速收敛；通过连续增加偏置电流的方法，最终测量获得等离子体空间电位。本发明既可避免发射探针热电子发射及其空间电荷效应，又可提高探针对等离子体空间电位测量精度。

Description

利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针及测量方法

技术领域

本发明涉及测量等离子体空间电位和环境探测技术领域，具体地，涉及利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针及测量方法。

背景技术

等离子体空间电位是研究、创建、诊断和表征等离子体环境的重要参量。采用Langmuir探针，利用其扫描伏安特性曲线的“拐点”（二阶导数为零处）来确定和测量等离子体空间电位是早期的、简单传统的方法，理论和实验研究均表明，该测量方法精度较低，尤其在较高温度和密度的磁流体等离子体环境中应用受限。采用发射探针，利用其扫描伏安特性曲线的“拐点”来确定和测量等离子体空间电位是目前常用的、比较有效的方法，该测量方法对环境扰动较小，精度较高，在存在较强磁场、电子束或离子束的等离子体环境中也可应用，但理论和实验研究表明，其热电子发射鞘层（或空间电荷效应）影响探针对等离子体空间电位精确测量。

基于Langmuir探针和发射探针各自特点和优势，本发明提出了一种利用偏置电流测量等离子体空间电位探针及方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，以实现既可避免发射探针热电子发射及其空间电荷效应，又可提高探针对等离子体空间电位测量精度的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，主要包括：球形壳体，所述球形壳体由内到外，依次为球形导电内层壳体、球形导电中层壳体和球形导电外层壳体，

包括设置于球形导电内层壳体内部的耦合电势检测电路、偏置电流源电路和低通滤波电路，

还包括信号处理单元电路；

所述耦合电势检测电路检测球形导电外层壳体与周围等离子体的相对耦合电势信号，并将检测信号分别发送至信号处理单元电路和低通滤波电路；在信号控制单元的控制下，偏置电流源电路向球形导电外层壳体施加设定方向和大小的偏置电流，并将施加偏置电流后的电势信号发送至信号处理单元电路；

同时检测信号在经过低通滤波电路后，将滤波后的信号发送至球形导电中层壳体。

进一步地，所述球形壳体具体为对称的球形壳体。

进一步地，所述耦合电势检测电路包括高阻抗跟随放大器，用以检测电势信号。

进一步地，所述偏置电流源电路具体为“悬浮式”恒流源电路。

利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将探针置于等离子体环境中，探针与其周围等离子体环境耦合而获得相对耦合电势；

步骤2：通过探针内置电路和信号处理单元检测、采集、处理并得到探针相对耦合电势，该相对耦合电势也即为探针在等离子体环境中浮点电势或电位；

步骤3：依据Langmuir探针诊断等离子体环境参数，并计算分析探针等离子体鞘层等效阻抗；

步骤4：设置初始偏置电流和等离子体鞘层等效阻抗，并检测得到在该偏置电流下探针在等离子体环境中的浮点电位；

步骤5：增加探针偏置电流，但其增加步长逐渐变小，依次检测得到在相应偏置电流下探针的浮点电位；在探针浮点电位不大于其周围等离子体电位条件下，探针浮点电位将逐渐逼近于其周围等离子体空间电位；

步骤6：继续增加偏置电流，当探针浮点电位变化小于微伏量级时，得到的探针浮点电位即为其周围等离子体空间电位。

进一步地，步骤4中，所述等离子体鞘层等效阻抗小于500KΩ。

进一步地，步骤3中，所述等离子体环境参数包括电子密度、温度以及离子密度和温度参数，步骤3具体为包括，利用已知等离子体参数，当不考虑探针光电子发射电流以及电子或离子定向飘移运动等时，由公式（1）计算得到等离子体鞘层阻抗：

（1）

式中，为探针浮点电势，为探针电势测量回路电流， 为鞘层外等离子体密度，为电子电荷量，为波尔兹曼常量，为电子温度，为离子质量（准确讲应该是离子当量质量），为探针半径。

进一步地，步骤4中，设置初始偏置电流，具体为设置探针偏置电流初始值，使得由公式（2）计算得到的等离子体鞘层阻抗不大于500kΩ，以实现偏置电流值快速收敛；

（2）

式中，为向探针所施加的偏置电流，流向探针为正值。

进一步地，步骤5具体包括，增加探针所偏置电流，但增加的步长逐渐减小，由公式（3）可知，探针的浮点电位逐渐向其周围等离子体空间电位逼近；

（3）

式中，为探针周围等离子体空间电位。

进一步地，步骤6具体包括，继续增加探针偏置电流，由公式（3）可知，当偏置电流满足公式（4）所示条件时，即：

（4）

则有，

此时，所测量得到的探针浮点电位即为其周围等离子体空间电位。

本发明各实施例的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，由于采用了向探针施加偏置电流的等效方式；依据Langmuir探针诊断等离子体参数，计算得到所施加偏置电流初始值，以实现偏置电流值的快速收敛；通过连续增加偏置电流方法，使探针浮点电势向其周围等离子体空间电位逐渐逼近，并最终高精度测量得到等离子体空间电位，既避免了发射探针热电子发射及其空间电荷效应，又可提高探针对等离子体空间电位测量精度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针结构图；

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-球形导电外层壳体；2-导电中层壳体；3-导电内层壳体；4-内置的耦合电势检测电路；5-信号处理单元；6-偏置电流电路；7-低通滤波电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

具体地，利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，由球形导电外层壳体1、导电中层壳体2、导电内层壳体3、内置的耦合电势检测电路4、偏置电流源电路6、低通滤波电路7、以及信号处理单元5等组成。

探针球形导电外层壳体1与其周围等离子体耦合而获得相对耦合电势；耦合电势检测电路4用以检测外层壳体1耦合电势；偏置电流源电路6用以提供所要求的施加于外层壳体1的偏置电流；低通滤波电路7用以提供耦合电势经低通滤波后信号；信号处理单元5用以采集处理耦合电势信号等，并提供偏置电流控制电压信号；导电中层壳体2用以减小耦合电势检测电路4输入端寄生电容；导电内层壳体3用于屏蔽探针内置电路。

其中，探针采用了球形对称结构，可有效增加探针在低密度冷等离子体环境中的收集电流，从而提高测量灵敏度和一致性；探针将耦合电势检测电路4、偏置电流源电路6、低通滤波电路7内置于其球形结构内部，可有效降低信号噪声和干扰；耦合电势检测电路4采用高阻抗跟随放大器检测电势信号，避免了传统采样电阻热噪声和温度漂移；偏置电流源电路6为“悬浮式”恒流源电路，偏置电流仅受控于其控制电压和特征电阻阻值；低通滤波电路7对偏置电流响应频率可达到10KHz，从而可有效减小寄生电容阻抗对探针耦合电势检测精度。

本发明的方法的技术解决方案是：利用偏置电流测量等离子体空间电位方法，包括下列步骤和过程：

（1）将探针置于等离子体环境中，探针与其周围等离子体环境耦合而获得相对耦合电势；

（2）通过探针内置电路和信号处理单元检测、采集、处理并获得探针相对耦合电势，该相对耦合电势也即为探针在等离子体环境中浮点电位；

（3）依据Langmuir探针诊断等方法已知的等离子体电子密度、温度以及离子密度、温度等参数，利用相应软件计算分析探针等离子体鞘层等效阻抗；

（4）设置初始偏置电流，使探针等离子体鞘层等效阻抗至少小于500kΩ，并检测得到在该偏置电流下探针在等离子体环境中的浮点电势；

（5）增加探针偏置电流，但其增加步长逐渐变小，依次检测得到在相应偏置电流下探针的浮点电位；在探针浮点电位不大于其周围等离子体电位条件下，探针浮点电位将逐渐逼近于其周围等离子体空间电位；

（6）继续增加偏置电流，当探针浮点电位变化小于微伏量级时，此时，所得到的探针浮点电位即为其周围等离子体空间电位。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）探针等离子体空间电位测量精度高（优于0.01V）；

（2）避免了发射探针热电子发射及其空间电荷效应；

（3）特别适合于低密度冷等离子体环境（电子密度小于5×10¹³/ m³，电子温度小于3×10⁴K）。

如图1所示，为本发明的利用偏置电流测量等离子体空间电位探针，由球形导电外层壳体1、导电中层壳体2、导电内层壳体3、内置的耦合电势检测电路4、偏置电流电路6、低通滤波电路7、以及信号处理单元5等组成。

探针球形导电外层壳体1与其周围等离子体耦合而获得耦合电势，该相对耦合电势被高阻抗跟随放大器检测电路4检测，经信号处理单元5采集、处理而得到。由于测量回路电流近似为零，所以探针相对耦合电势即为探针浮点电位。而探针偏置电流大小和方向由信号处理单元5控制，仅取决于其控制电压与特征电阻的比值，与探针浮点电位无关。偏置电流初始值可由

已知等离子体参数计算得到的等离子体鞘层阻抗来判断和确定，对于低密度冷等离子体而言，所施加的初始偏置电流至少使得探针等离子体鞘层阻抗小于500kΩ。增加偏置电流，但其增加步长变小，并依次获得探针在等离子体环境中浮点电位；随着偏置电流逐渐增加，探针浮点电位将逐渐逼近于其周围等离子体空间电位。继续增加偏置电流，当探针浮点电位变化小于微伏量级时，可认为此时的探针浮点电位即为其周围等离子体空间电位。

实施步骤如下：

（1）将探针置于所测试等离子体环境中，探针球形导电外层壳体1与其周围等离子体耦合而获得相对耦合电势；

（2）通过信号处理单元5获取探针相对耦合电势，该相对耦合电势即为探针在等离子体环境中浮点电位；

（3）利用已知等离子体参数，当不考虑探针光电子发射电流以及电子或离子定向飘移运动等时，可由公式（1）计算得到等离子体鞘层阻抗：

（1）

式中，为探针浮点电势，为探针电势测量回路电流， 为鞘层外等离子体密度，为电子电荷量，为波尔兹曼常量，为电子温度，为离子质量（准确讲应该是离子当量质量），为探针半径。

（4）设置探针偏置电流初始值，使得由公式（2）计算得到的等离子体鞘层阻抗大于500kΩ，以实现偏置电流值快速收敛；

（2）

式中，为向探针所施加的偏置电流，流向探针为正值。

（5）增加探针所偏置电流，但增加的步长逐渐减小，由公式（3）可知，探针的浮点电位逐渐向其周围等离子体空间电位逼近；

（3）

式中，为探针周围等离子体空间电位。

（6）继续增加探针偏置电流，由公式（3）可知，当偏置电流满足公式（4）所示条件时，即：

（4）

则有，

此时，所测量得到的探针浮点电位即为其周围等离子体空间电位。

采用球形探针与其周围等离子体耦合而获得相对耦合电势，该电势即为探针在等离子体环境中的浮点电势（或电位）；采用“悬浮式”恒流源电路向探针施加偏置电流，用以改变探针浮点电势；高阻抗耦合电势检测电路和偏置电流电路均内置于球形探针内部；信号处理单元采集处理探针耦合电势信号等，并提供偏置电流控制电压信号。探针采用了施加偏置电流的等效方式，改变并使探针浮点电位向其周围等离子体空间电位逼近；依据Langmuir探针诊断等离子体参数，计算得到所施加偏置电流初始值，用以实现偏置电流值的快速收敛；通过连续增加偏置电流的方法，最终测量获得等离子体空间电位。本发明的探针及方法既可避免发射探针热电子发射及其空间电荷效应，又可提高探针对等离子体空间电位测量精度，特别适合于低密度冷等离子体环境。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，其特征在于，包括球形壳体，所述球形壳体由内到外，依次为球形导电内层壳体、球形导电中层壳体和球形导电外层壳体，

包括设置于球形导电内层壳体内部的耦合电势检测电路、偏置电流源电路和低通滤波电路，

还包括信号处理单元电路；

所述耦合电势检测电路检测球形导电外层壳体与周围等离子体的相对耦合电势信号，并将检测信号分别发送至信号处理单元电路和低通滤波电路；在信号控制单元的控制下，偏置电流源电路向球形导电外层壳体施加设定方向和大小的偏置电流，并将施加偏置电流后的电势信号发送至信号处理单元电路；

同时检测信号在经过低通滤波电路后，将滤波后的信号发送至球形导电中层壳体。

2.根据权利要求1所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，其特征在于，所述球形壳体具体为对称的球形壳体。

3.根据权利要求2所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，其特征在于，所述耦合电势检测电路包括高阻抗跟随放大器，用以检测电势信号。

4.根据权利要求3所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，其特征在于，所述偏置电流源电路具体为“悬浮式”恒流源电路。

5.基于权利要求4所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将探针置于等离子体环境中，探针与其周围等离子体环境耦合而获得相对耦合电势；

步骤2：通过探针内置电路和信号处理单元检测、采集、处理并得到探针相对耦合电势，该相对耦合电势也即为探针在等离子体环境中浮点电势或电位；

步骤3：依据Langmuir探针诊断已知的等离子体环境参数，并计算分析探针等离子体鞘层等效阻抗；

步骤4：设置初始偏置电流和等离子体鞘层等效阻抗，并检测得到在该偏置电流下探针在等离子体环境中的浮点电位；

步骤5：增加探针偏置电流，但其增加步长逐渐变小，依次检测得到在相应偏置电流下探针的浮点电位；在探针浮点电位不大于其周围等离子体电位条件下，探针浮点电位将逐渐逼近于其周围等离子体空间电位；

步骤6：继续增加偏置电流，当探针浮点电位变化小于微伏量级时，得到的探针浮点电位即为其周围等离子体空间电位。

6.根据权利要求5所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针的测量方法，其特征在于，步骤4中，所述等离子体鞘层等效阻抗小于500KΩ。

7.根据权利要求6所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针的测量方法，其特征在于，步骤3中，所述等离子体环境参数包括电子密度、温度以及离子密度和温度参数，步骤3具体为包括，利用已知等离子体参数，当不考虑探针光电子发射电流以及电子或离子定向漂移运动等时，由公式（1）计算得到等离子体鞘层阻抗：

（1）

式中，为探针浮点电势，为探针电势测量回路电流， 为鞘层外等离子体密度，为电子电荷量，为波尔兹曼常量，为电子温度，为离子质量（准确讲应该是离子当量质量），为探针半径。

8.根据权利要求7所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针的测量方法，其特征在于，步骤4中，设置初始偏置电流，具体为设置探针偏置电流初始值，使得由公式（2）计算得到的等离子体鞘层阻抗不大于500kΩ，以实现偏置电流值快速收敛；

（2）

式中，为向探针所施加的偏置电流，流向探针为正值。

9.根据权利要求8所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针的测量方法，其特征在于，步骤5具体包括，增加探针所偏置电流，但增加的步长逐渐减小，由公式（3）可知，探针的浮点电位逐渐向其周围等离子体空间电位逼近；

（3）

式中，为探针周围等离子体空间电位。

10.根据权利要求9所述的利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针的测量方法，其特征在于，步骤6具体包括，继续增加探针偏置电流，由公式（3）可知，当偏置电流满足公式（4）所示条件时，即：

（4）

则有，

此时，所测量得到的探针浮点电位即为其周围等离子体空间电位。