CN107087338A - 一种气体放电型等离子体密度自动调控系统及装置 - Google Patents

Abstract

一种气体放电型等离子体密度自动调控系统及装置，涉及一种等离子体密度自动调控系统及装置。为了解决目前的等离子源需要通过传统的人工手段调节放电电压进而调节并测量等离子体密度的问题。本发明所述的系统，包括：用于控制气体流量控制器工作为等离子体源供气的气体流量控制单元；用于检测加在朗缪尔探针上的电压信号以及等离子体与朗缪尔探针作用时朗缪尔探针产生的电流信号的朗缪尔探针电特性参数检测单元；计算出所对应的等离子体源中等离子体的密度的等离子体密度计算单元；用于输出射频电源控制信号控制射频电源为等离子体源提供相应的工作电压的PID控制单元。本发明适用于等离子体密度自动调控。

Description

一种气体放电型等离子体密度自动调控系统及装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体密度自动调控系统及装置。

背景技术

等离子体不仅是空间物理和聚变核物理的主要研究对象，还在人们的生产生活中发挥着极其重要的作用。在工业方面，等离子体应用技术日益广泛，包括在材料合成、涂层技术、材料表面改性、等离子体刻蚀、纳米技术、冶金技术等众多领域发挥着重要作用。例如，在诸多消费电子产品中广泛使用的大规模、超大规模集成电路，就是使用等离子体刻蚀技术生产的。类似的等离子体表面处理工艺在其他关系到国计民生的重要工业门类中也起着重要的作用，如航空航天、汽车制造、钢铁冶炼等。由于气体放电可以产生具有化学活性的物质，因而利用气体放电等离子体可以制造出许多具有特殊结构和表面特性的材料，这种效果是其他商业技术手段无法实现的。在环保方面，等离子体技术在废水废气处理、放射性废物处理和生态环境监测等的研究已经取得了一定进展，在可以预期的未来将逐渐走入人们的生活。另外，等离子体技术在新能源和医学等方面也逐渐崭露头角，开辟了许多新的途径和方向，如基于等离子体技术的医学仪器清洗，伤口消毒，使用等离子体替代抗生素进行杀菌。这些新的技术手段对未来人们的生活具有及其深远的意义。在军事方面，利用高密度等离子体能够对电磁波进行吸收和耗散的特点，等离子体技术在武器系统隐身等方面发挥着重要的作用。此外，以等离子体技术为基础的等离子体天线技术和等离子体推进技术分别在军事通讯和探测、航天器推进等领域扮演着重要的角色。所以，对等离子体技术的研究一直是等离子体领域研究的热点之一。

上述诸多等离子体应用技术都离不开等离子体的产生装置，即等离子体源。在实验室中，目前最受关注的等离子体产生方式有气体放电、射线辐照、热致电离、光电离和激光辐射电离等，但至今最成熟和最主要的还是气体放电法。早在距今几百年前，就已经出现了在实验室中以气体放电的方式人工产生等离子体的文献记载。随着近二、三十年来等离子体研究与应用技术的不断发展与突破，无论是在传统的工业应用领域中(如材料的表面改性、加工与制造业等)，还是在新兴的许多新技术领域中(如生物与环境工程、等离子体化工、航天科学技术等)，都可以看到气体放电等离子体技术大放异彩。

为了进一步研究等离子体在实验中效果，必须明确等离子体物理过程、特性和参数的准确测量，如等离子体密度、等离子体温度等。等离子体诊断技术一直是国内外学者研究的重点，经过长时间的研究和总结，人们发展出一系列对等离子体参数进行诊断的方法，主要分两大类——介入式诊断和非介入式诊断。

其中介入式(或称接触式)诊断方法中主要包括各种类型的探针，比如静电探针、电导率探针、磁探针、阻抗探针等。其中最常用的，也是发展最久的方法是朗缪尔探针，也叫静电探针。它利用一根伸入等离子体内的导体探针测量流入探针的电流与加在探针上的偏压之间的关系曲线，对曲线处理得到等离子体的各种参数。这一方法虽然原理简单，但还存在部分研究人员只能使用手动采集，人工处理数据的问题，这对于测量准确性和速度都有影响。目前人们已经在测量控制以及数据处理方面做出一些改进。

国内申请号201310038992.2中公开的“用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路”中，搭建了等离子体装置之外的一套电路控制系统，内有三个朗缪尔单探针、交流锯齿波供电电压发生装置、直流供电电压发生装置、以及各种开关和转换电阻，可通过控制开关实现郎缪尔单探针，双探针和三探针之间的切换，并且可以实现对探针的清洗工作，使测量更加方便快捷，结果准确性提高。但是并未对探针的测量方式做出改进。

国内申请号201610980115.0中公开的“一种高集成度朗缪尔探针诊断系统及方法”中，将探针，触发器，扫描电源，数据采集单元和数据处理单元集成为一个系统。触发器扫描电源产生特定锯齿波电压，加载至探针，数据采集单元同时将电流电压数据进行多次采集和存储，采集结束后将结果发送至数据处理单元，通过程序自动处理分析，并显示特性曲线和其他参数。这一方法自动化程度和自动处理分析能力都有很大提升。

非介入式诊断包括光谱法，比如发射光谱、吸收光谱、光腔衰荡激、光诱导荧光光谱等，通过检测等离子体辐射产生的多种电磁波谱并进行分析，可得到粒子密度，成分分布，温度等参量。如文献“朱永红,吴卫东,陆晓曼,唐永建,孙卫国.采用发射光谱和朗缪尔探针诊断低温低压氢等离子体[J].强激光与粒子束,2008,(04):601-606.”中应用激发态氢原子密度直接关系谱线强度，而激发态氢原子密度与电子数密度的特点，应用氢谱线相对强度来反应等离子体状态。光谱法作为非介入方法，对于均匀或非均匀等离子体都可精确测量，而且可以测量瞬态等离子体参量。

国内申请号201310205165.8中公开的“一种等离子体空间场内瞬时温度的快速诊断方法和装置”中，通过在等离子体与光纤探测头之间设置一个可稳定移动且可调节的微孔取光装置，实现对某诊断点进行光谱采集，然后通过计算机计算得到该点的空间瞬时温度。该方法实现了对空间某点温度的快速精确测量。但是测量点的调整需要单独控制，且一段时间内的温度变化采集无法自动完成。以上工作重在测量，没有涉及控制等离子密度的相关方法。

国内申请号201610356451.8中公开的“采用等离子体调制增强小型化全向天线电磁辐射的装置”中，研究团队采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，通过在真空腔本体中放置天线，调节等离子密度，实现辐射增益高、增益可调、体积小、噪声小的天线。其等离子体源采用放电电极缠绕在真空腔本体的侧壁上，真空腔本体内充满工作气体，通过传统的人工手段调节工作气体气压及放电电压调节并测量等离子体密度，进而发现天线辐射增强波段。

在等离子体的实际应用中，必须寻找合适的等离子体参数，其中最重要的参数为等离子体密度，传统等离子体诊断方法，采用人工采集和人工计算，周期长精度差。即使在目前已经发展的结合自动化技术的等离子体测量方法也不能实现对等离子体密度的自动调控。当需要等离子体达到指定等离子体密度时，常规做法是通过人工手动调节放电电压，这种方法调节周期长且不能保持稳定性。

发明内容

本发明为了解决目前的等离子源需要通过传统的人工手段调节放电电压进而调节并测量等离子体密度的问题。

一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，包括：

气体流量控制单元，用于检测气体流量控制器的状态，控制气体流量控制器为等离子体源供气；

朗缪尔探针电特性参数检测单元，用于检测加在朗缪尔探针上的电压信号以及等离子体与朗缪尔探针作用时朗缪尔探针产生的电流信号；

等离子体密度计算单元，根据朗缪尔探针电特性参数检测单元采集到的电压信号和电流信号计算出所对应的等离子体源中等离子体的密度；

PID控制单元，根据等离子体密度计算单元计算出的等离子体密度与等离子体密度设定值的比较结果进行控制，输出射频电源控制信号控制射频电源为等离子体源提供相应的工作电压。

进一步地，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控系统还包括：

射频电源电特征检测单元，用于采集射频电源的电压和电流信号，并判断射频电源工作是否正常以及等离子体的放电稳定性。

进一步地，所述射频电源电特征检测单元包括：

射频电源电压检测模块，用于检测射频电源的电压信号；

射频电源电流检测模块，用于检测射频电源的电流信号；

电特征检测模块，用于判断射频电源工作的放电稳定性以及判断射频电源工作是否正常。

进一步地，所述朗缪尔探针电特性参数检测单元包括：

探针电压检测模块，用于检测探针的电压信号；

探针电流检测模块，用于检测探针的电流信号。

进一步地，所述PID控制单元输出的射频电源控制信号为模拟量信号。

进一步地，所述等离子体密度计算单元接收到的电压信号和电流信号均为模拟量信号。

一种气体放电型等离子体密度自动调控装置，包括：气源、气体流量控制器、等离子体源、朗缪尔探针、射频电源和用于实现所述一种气体放电型等离子体密度自动调控系统功能的计算机；

所述的气源连接气体流量控制器，然后连接到等离子体源的供气端，气体流量控制器根据气体流量控制单元的控制信号对等离子体源的气源流量进行控制；等离子体源内部设有朗缪尔探针，朗缪尔探针的信号输出端连接计算机；计算机为射频电源提供控制输入；射频电源连接等离子体源的放电电极；

气体流量控制器与计算机信号连接。

进一步地，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括滤波电路；朗缪尔探针的信号输出端连接滤波电路，然后连接到计算机上。滤波电路对朗缪尔探针产生的电压信号和电流信号进行滤波；朗缪尔探针电特性参数检测单元检测朗缪尔探针产生的电压信号和电流信号是经过波电路滤波后的电压信号和电流信号。

进一步地，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括放大电路；朗缪尔探针的信号输出端连接滤波电路，然后连接放大电路，再连接到计算机上。放大电路对滤波后的信号进行放大。

进一步地，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括模数转换器和数模转换器；

气体流量控制单元和气体流量控制器之间通过模数转换器、数模转换器对信号转换后进行通信。

本发明具有以下有益效果：

针对传统的朗缪尔探针诊断系统在等离子体在数据采集和数据分析处理过程中存在的问题和不能对等离子密度自动调控的不足，本发明的等离子体密度自动调控系统及装置不但能够实现等离子体密度自动监测和调节，能够对等离子体放电系数进行监测，整个监测和调节过程无需人工干预，能够实现百分之百的自动化控制；而且还能够避免通过传统的人工手段调节工作气体气压及放电电压而导致的调节误差，提高实验效率。

附图说明

图1为气体放电型等离子体密度自动调控系统及装置的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，是对等离子体源进行放电参数监测和密度调控的系统，所述的等离子体源(电感耦合型等离子体源，ICP)通过气源供气，气体流量控制器，设置在气源和等离子体源的供气端之间，对等离子体源的气源流量进行控制；等离子体源通过机械泵排气；等离子体源内部设有朗缪尔探针,射频电源向等离子体源放电电极供电；

所述一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，包括：

气体流量控制单元，用于检测气体流量控制器的状态，控制气体流量控制器为等离子体源供气；

朗缪尔探针电特性参数检测单元，用于检测加在朗缪尔探针上的电压信号以及等离子体与朗缪尔探针作用时朗缪尔探针产生的电流信号；

等离子体密度计算单元，根据朗缪尔探针电特性参数检测单元采集到的电压信号和电流信号计算出所对应的等离子体源中等离子体的密度；

PID控制单元，根据等离子体密度计算单元计算出的等离子体密度与等离子体密度设定值的比较结果进行控制，输出射频电源控制信号控制射频电源为等离子体源提供相应的工作电压。

具体实施方式二：

本实施方式所述的所述一种气体放电型等离子体密度自动调控系统还包括：

射频电源电特征检测单元，用于采集射频电源的电压和电流信号，并判断射频电源工作是否正常以及等离子体的放电稳定性。可以通过射频电源的正常的电压及电流与采集射频电源的电压和电流信号进行比较，从而射频电源工作是否正常；放电稳定性可以通过射频电源的电流信号的稳定性进行判断。

其他单元和模块与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式所述射频电源电特征检测单元包括：

射频电源电压检测模块，用于检测射频电源的电压信号；

射频电源电流检测模块，用于检测射频电源的电流信号；

电特征检测模块，用于判断射频电源工作的放电稳定性以及判断射频电源工作是否正常。

其他单元和模块与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述朗缪尔探针电特性参数检测单元包括：

探针电压检测模块，用于检测探针的电压信号；

探针电流检测模块，用于检测探针的电流信号。

其他单元和模块与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

本实施方式所述的PID控制单元输出的射频电源控制信号为模拟量信号。

其他单元和模块与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述的所述等离子体密度计算单元接收到的电压信号和电流信号均为模拟量信号。

其他单元和模块与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，

一种气体放电型等离子体密度自动调控装置，包括：气源、气体流量控制器、等离子体源、朗缪尔探针、射频电源和用于实现实施方式1至6所述一种气体放电型等离子体密度自动调控系统功能的计算机；

所述的气源连接气体流量控制器，然后连接到等离子体源的供气端，气体流量控制器根据气体流量控制单元的控制信号对等离子体源的气源流量进行控制；等离子体源内部设有朗缪尔探针，朗缪尔探针的信号输出端连接计算机；计算机为射频电源提供控制输入；射频电源连接等离子体源的放电电极；

气体流量控制器与计算机信号连接。

本发明的等离子体密度自动调控装置不但能够实现等离子体密度自动监测和调节，能够对等离子体放电系数进行监测，整个监测和调节过程无需人工干预，能够实现百分之百的自动化控制。利用本发明能够达到以下控制指标：

a、供电与数据采集的主要技术指标

(1)测量范围

电子温度：0～10eV

电子数密度：10¹⁵m^-3～10¹⁷m^-3

(2)采集指标

电压扫描范围：-50V～+50V

探针捕获电流：-10mA～100mA。

b、等离子体密度最后误差范围一般不超过±5％，在实际的等离子源使用过程中完全能够保证等离子密度量级相同。

具体实施方式八：

本实施方式所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括滤波电路；朗缪尔探针的信号输出端连接滤波电路，然后连接到计算机上。滤波电路对朗缪尔探针产生的电压信号和电流信号进行滤波；朗缪尔探针电特性参数检测单元检测朗缪尔探针产生的电压信号和电流信号是经过波电路滤波后的电压信号和电流信号。

其他装置与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：

本实施方式所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括放大电路；朗缪尔探针的信号输出端连接滤波电路，然后连接放大电路，再连接到计算机上。放大电路对滤波后的信号进行放大。

其他装置与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：

本实施方式所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括模数转换器和数模转换器；

气体流量控制单元和气体流量控制器之间通过模数转换器、数模转换器对信号转换后进行通信。

其他装置与具体实施方式七、八或九相同。

Claims (10)

1.一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，其特征在于，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，包括：

气体流量控制单元，用于检测气体流量控制器的状态，控制气体流量控制器为等离子体源供气；

朗缪尔探针电特性参数检测单元，用于检测加在朗缪尔探针上的电压信号以及等离子体与朗缪尔探针作用时朗缪尔探针产生的电流信号；

等离子体密度计算单元，根据朗缪尔探针电特性参数检测单元采集到的电压信号和电流信号计算出所对应的等离子体源中等离子体的密度；

PID控制单元，根据等离子体密度计算单元计算出的等离子体密度与等离子体密度设定值的比较结果进行控制，输出射频电源控制信号控制射频电源为等离子体源提供相应的工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，其特征在于，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控系统还包括：

射频电源电特征检测单元，用于采集射频电源的电压和电流信号，并判断射频电源工作是否正常以及等离子体的放电稳定性。

3.根据权利要求2所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，其特征在于，所述射频电源电特征检测单元包括：

射频电源电压检测模块，用于检测射频电源的电压信号；

射频电源电流检测模块，用于检测射频电源的电流信号；

电特征检测模块，用于判断射频电源工作的放电稳定性以及判断射频电源工作是否正常。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，其特征在于，所述朗缪尔探针电特性参数检测单元包括：

探针电压检测模块，用于检测探针的电压信号；

探针电流检测模块，用于检测探针的电流信号。

5.根据权利要求4所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，其特征在于，所述PID控制单元输出的射频电源控制信号为模拟量信号。

6.根据权利要求5所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控系统，其特征在于，所述等离子体密度计算单元接收到的电压信号和电流信号均为模拟量信号。

7.一种气体放电型等离子体密度自动调控装置，其特征在于，包括：气源、气体流量控制器、等离子体源、朗缪尔探针、射频电源和用于实现权利要求1至6之一所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控系统功能的计算机；

所述的气源连接气体流量控制器，然后连接到等离子体源的供气端；等离子体源内部设有朗缪尔探针，朗缪尔探针的信号输出端连接计算机；计算机为射频电源提供控制输入；射频电源连接等离子体源的放电电极；

气体流量控制器与计算机信号连接。

8.根据权利要求7所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控装置，其特征在于，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括滤波电路；朗缪尔探针的信号输出端连接滤波电路，然后连接到计算机上。

9.根据权利要求8所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控装置，其特征在于，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括放大电路；朗缪尔探针的信号输出端连接滤波电路，然后连接放大电路，再连接到计算机上。

10.根据权利要求7、8或9所述的一种气体放电型等离子体密度自动调控装置，其特征在于，所述一种气体放电型等离子体密度自动调控装置还包括模数转换器和数模转换器；

气体流量控制单元和气体流量控制器之间通过模数转换器、数模转换器对信号转换后进行通信。