CN108022824A - 高精度离子能量分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度离子能量分析仪，包括：传感器探头、机箱与上位机；其中：所述传感器探头设有微弱电流检测电路，用于在机箱中系统控制单元的控制下进行电流检测，并将检测到的微弱电流信号转换为标准电流信号；机箱中设有系统控制单元、数据采集单元与扫描电压和偏压单元；所述系统控制单元受控于上位机；所述扫描电压和偏压单元在系统控制单元的控制下对传感器探头的扫描测量模式及相关参数进行设置，所述数据采集单元在系统控制单元的控制下进行工作状态参数的设定，以及接收微弱电流检测电路输出的标准电流信号并进行处理，再将处理后的数字信号经系统控制单元传输至上位机。该离子能量分析仪可以提高等离子体测量结果的精确度。

Description

高精度离子能量分析仪

技术领域

本发明涉及等离子体测量领域，尤其涉及一种高精度离子能量分析仪。

背景技术

离子能量分析仪是一种用于等离子体环境中离子能量分布测量的专业仪器,在空间等离子体模拟系统、等离子体材料处理、低地球轨道空间等离子体环境等场合有着越来越广泛的应用。

目前离子能量分析仪是由多层栅网和离子收集极组成，对于不同的应用场景，栅网层数、尺寸、间距等略有不同。一般，将多层栅网(包括1层悬浮栅网、2层阻滞栅网、1层电子抑制栅网)和离子收集极所构成的探头置于等离子体环境内。悬浮栅网接仪器地，防止内部栅网的扫描电压和偏压影响等离子体的状态。阻滞栅网上施加扫描电压，只有高于该层栅网电压能量的离子才能通过。离子收集极用于收集通过阻滞网的离子。根据检测不同扫描电压下的离子收集电流，得到I-V特性曲线，再对其求一阶微分，可得到离子能量分布。

早在20世纪60年代，美国等国家就已经开始进行星载离子能量分析仪的在轨试验。在随后的几十年里，离子能量分析仪也在不断的改进，正逐步满足等离子体基本测量需求。但是由于有限的微弱电流检测能力、外部噪声干扰、传感器探头带来的测量误差、测量信号长线传输等众多因素影响，使得现有技术的离子能量分析仪在针对低密度等离子体测量时，无法取得高精度结果。

中国专利申请号CN201280023721.3公布的一种离子能量分析仪，《离子能量分析仪、在该离子能量分析仪中发电信号的方法及制造和操作该离子能量分析仪的方法》。采用多栅网结构传感器，主要是涉及测量等离子体材料处理系统内的离子能量分布。在材料处理等方面的应用中，等离子体密度较大，离子能量较高，因此测量的离子能量信号强。但是该离子能量分析仪在低密度等离子体领域，当信号十分微弱，约为pA量级时，这种测量方法无法获取所需要的测量结果。同时，上述离子能量分析仪将微弱信号由多栅网传感器端经由长信号线传输到数据采集单元，这种方法在实际使用中必然会引入传输噪声，给低密度等离子体测量带来很大干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度离子能量分析仪，可以提高等离子体测量结果的精确度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高精度离子能量分析仪，包括：传感器探头、机箱与上位机；其中：

所述传感器探头设有微弱电流检测电路，用于在机箱中系统控制单元的控制下进行电流检测，并将检测到的微弱电流信号转换为标准电流信号；

机箱中设有系统控制单元、数据采集单元与扫描电压和偏压单元；所述系统控制单元受控于上位机；所述扫描电压和偏压单元在系统控制单元的控制下对传感器探头的扫描测量模式及相关参数进行设置，所述数据采集单元在系统控制单元的控制下进行工作状态参数的设定，以及接收微弱电流检测电路输出的标准电流信号并进行处理，再将处理后的数字信号经系统控制单元传输至上位机。

所述传感器探头包括：套筒、挡板、多栅网结构以及底板；

所述多栅网结构设置在套筒中，套筒与多栅网结构的前端用于挡板隔离，套筒的底部通过底板密封；

所述多栅网结构由高到低依次为：第一绝缘垫片、悬浮栅网、第二绝缘垫片、第一阻滞栅网、第三绝缘垫片、第二阻滞栅网、第四绝缘垫片、电子抑制栅网、第五绝缘垫片、收集极与微弱电流检测电路；其中悬浮栅网、第一阻滞栅网、第二阻滞栅网、电子抑制栅网、收集极与微弱电流检测电路都有一根信号线引出；多栅网结构上下两端均通过定位螺钉分别对应的固定在挡板与底板上，信号线通过底板中的信号线引出孔引出。

所述微弱电流检测电路包括：依次连接的第一I/V转换电路、二阶低通滤波电路、加法电路以及电流环发生电路；所述I/V转换电路用于根据切换的不同取样电阻来切换到不同的量程，从而获得不同的测量范围。

所述机箱分为上下两层结构，上层结构放置有系统控制单元、数据采集单元与扫描电压和偏压单元；下层结构放置有为上层结构各单位提供电源的电源模块。

所述扫描电压和偏压单元在系统控制单元的控制下对传感器探头的扫描测量模式进行设置，所述传感器探头的扫描测量模式包括：单点测量模式与I-V扫描测量模式；I-V扫描测量模式中的相关参数包括：阻滞栅网扫描起始电压、阻滞栅网扫描终止电压、阻滞栅网电压单步步长、测量时间、抑制栅网电压、收集极电压以及偏压；

所述数据采集单元在系统控制单元的控制下进行工作状态参数的设定，其中的工作状态参数，包括取样电阻阻值、放大倍数以及采样点数量。

所述数据采集单元包括依次连接的第二I/V转换电路、50Hz陷波电路、二阶低通滤波电路与A/D转换电路。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，将微弱电流检测电路置于多栅网结构传感器内部(离子收集极下方)，把检测出的微弱电流信号转换为标准电流信号(4-20mA)，再进行长线传输，以解决现有离子能量分析仪存在检测信号长线传输噪声干扰、微弱电流检测能力有限、离子能量分布测量分辨率不高的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种高精度离子能量分析仪的示意图；

图2为本发明实施例提供的机箱内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的套筒结构示意图；

图4为本发明实施例提供的挡板结构示意图；

图5为本发明实施例提供的多栅网结构示意图；

图6为本发明实施例提供的底板结构示意图；

图7为本发明实施例提供的高精度离子能量分析仪的模块框图；

图8为本发明实施例提供的高精度离子能量分析仪的工作流程图；

图9为本发明实施例提供的工作状态设定窗口示意图；

图10为本发明实施例提供的扫描测量模式相关参数设定窗口示意图；

图11为本发明实施例提供的根据测量结果绘制出的一阶微分曲线示意图；

图12为本发明实施例提供的两种对比方案的本底噪声示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种高精度离子能量分析仪，如图1所示，其主要包括：传感器探头1、机箱2与上位机3。

所述传感器探头1设有微弱电流检测电路101，用于在机箱2中系统控制单元201的控制下进行电流检测；

机箱2中设有系统控制单元201、数据采集单元202与扫描电压和偏压单元203；所述系统控制单元201受控于上位机3；所述扫描电压和偏压单元203在系统控制单元201的控制下对传感器探头1的扫描测量模式及相关参数进行设置，所述数据采集单元202在系统控制单元201的控制下进行工作状态参数的设定，以及接收微弱电流检测电路101输出的4-20mA标准电流信号并进行处理，再将处理后的数字信号经系统控制单元201传输至上位机3。

如图1所示，传感器探头1与机箱2通过信号传输线4连接，机箱2与上位机3通过以太网线5连接；在进行测量工作时，传感器探头1放置真空室6内的等离子体环境7中；机箱2中设有相应的以太网端口204与信号线端口205，同时还带有一个电接连插头231及开关232。

机箱2的内部结构可如图2a～图2b所示。如图2a所示，机箱2分为上下两层结构，通过铝板206以及相应的支撑柱(图2a中仅示出两个支撑柱207～208)隔开。上层结构放置有系统控制单元201、数据采集单元202与扫描电压和偏压单元203；系统控制单元201通过控制信号线209、210对应的与数据采集单元202、扫描电压和偏压单元203连接。系统控制单元201通过以太网连接线211连接在机箱后面板212的以太网机箱内侧端口213上；数据采集单元202通过信号线214，以及扫描电压和偏压单元203通过偏压电连接线215连接在机箱后面板212的信号线机箱内侧端口233上，数据采集单元202主要负责采集微弱电流检测电路101输出的4-20mA标准电流信号并将其转换为电压，扫描电压和偏压单元203主要负责给传感器探头1提供一些必要的工作电压。

本发明实施例中，所述数据采集单元202包括依次连接的第二I/V转换电路、50Hz陷波电路、二阶低通滤波电路与A/D转换电路；通过第二I/V转换电路将4-20mA标准电流信号转换为相应电压信号，再依次经过50Hz陷波电路、二阶低通滤波电路做相应滤波处理后，由A/D转换电路进行模数转换。所述数据采集单元202在系统控制单元201的控制下进行工作状态参数的设定，其中的工作状态参数，包括取样电阻阻值、放大倍数以及采样点数量。

所述扫描电压和偏压单元203在系统控制单元201的控制下对传感器探头101的扫描测量模式进行设置，所述传感器探头101的扫描测量模式包括：单点测量模式与I-V扫描测量模式；I-V扫描测量模式中的相关参数包括：阻滞栅网扫描起始电压、阻滞栅网扫描终止电压、阻滞栅网电压单步步长、测量时间、抑制栅网电压、收集极电压以及偏压。

如图2b所示，下层结构主要放置为上层结构各单位提供电源的电源模块，包括：电源滤波器216、±110V电源模块217、±15V电源模块218、±12V电源模块219、±45V电源模块220以及+5V电源模块221。其中，电源滤波器216与220V电源连接线222连接；±110V电源模块217、±15V电源模块218以及±45V电源模块220为扫描电压和偏压单元203供电，如图2a所示，±110V电源模块217、±15V电源模块218以及±45V电源模块220通过相应的电源线223、224、225与扫描电压和偏压单元203连接；+5V电源模块221为系统控制单元201供电，如图2a所示，+5V电源模块221通过电源线226与系统控制单元201连接；±12V电源模块219为数据采集单元202供电，如图2a所示，±12V电源模块219通过电源线234与数据采集单元202连接。此外，机箱底板上相应的开设了固定支撑住的四个螺孔227～230。

本发明实施例中，所述传感器探头主要包括：套筒、挡板、多栅网结构以及底板，其结构可对应的参照图3～图6。

所述多栅网结构设置在套筒中，套筒与多栅网结构的前端用于挡板隔离，套筒的底部通过底板密封。

所述多栅网结构由高到低依次为：第一绝缘垫片102、悬浮栅网103、第二绝缘垫片104、第一阻滞栅网105、第三绝缘垫片106、第二阻滞栅网107、第四绝缘垫片108、电子抑制栅网109、第五绝缘垫片110、收集极111与微弱电流检测电路101；其中悬浮栅网103、第一阻滞栅网105、第二阻滞栅网107、电子抑制栅网109、收集极111与微弱电流检测电路101都有一根信号线引出；多栅网结构上下两端均通过定位螺钉分别对应的固定在挡板与底板上，信号线通过底板中的信号线引出孔引出。

本发明实施例中，所述多栅网结构中的绝缘垫片通常为聚四氟乙烯(或云母)绝缘垫片。

本发明实施例中，所述微弱电流检测电路101主要包括：依次连接的第一I/V转换电路、二阶低通滤波电路、加法电路以及电流环发生电路；所述I/V转换电路用于根据切换的不同取样电阻来切换到不同的量程，从而获得不同的测量范围。

以上为本发明实施例所提供的高精度离子能量分析仪的主要组成及结构；下面从功能及工作过程的方面进行介绍。

本发明实施例中，高精度离子能量分析仪的模块框图如图7所示；其中上位机的主要功能可以通过其内部的系统软件来实现；另外，图7右下方还示例性的给出了电源模块可提供的电压数值，其中的+3.3V是系统控制单元中由+5V转换得到，用于给MCU(微处理器单元)供电；其余的在前文已经介绍，不再赘述。

整个高精度离子能量分析仪的工作流程如图8所示，如图8所示，主要包括：

第一步，打开机箱主电源开关，将以太网线一头连接在机箱以太网端口，另一端连接至上位机的以太网口，打开上位机软件进行通信连接。

第二步，通信连接成功后，在上位机软件的工作状态设定窗口，如图9所示，设置取样电阻阻值、放大倍数以及采样点数等测量参数进行状态设定。

第三步，系统控制单元接收到所设定的状态后，通过I/O口将继电器切换到指定状态。本发明有两种测量方式，一种为单点测量，另一种为I-V扫描测量。以I-V扫描测量方法为例，如图10所示，首先在上位机软件上设定阻滞栅网扫描起始电压(-110V～110V)，阻滞栅网扫描终止电压(-110V～110V)，阻滞栅网电压单步步长，测量时间，抑制栅网电压(0～-45V)，收集极电压(0～-45V)，偏压(0～-45V)。系统控制单元接收到指令后，先通过扫描电压和偏压单元输出设定电压(包括抑制栅网电压，偏压)，并通过扫描电压和偏压单元将阻滞栅网电压输出到多栅网结构传感器探头的阻滞栅网上，从设定的阻滞栅网扫描起始电压到阻滞栅网扫描终止电压单步增加。同时，系统控制单元通过控制信号线控制传感器探头内部的微弱电流检测电路对收集极电流进行测量。阻滞栅网电压变化到设定的终止电压后，测量结束。系统控制单元将采集的数据发送至上位机软件，并在软件中绘制出I-V曲线并对其求导，绘制出其一阶微分曲线，如附图11所示。

本发明实施例提供的高精度离子能量分析仪，针对现有通用离子能量分析仪所存在的问题，将微弱电流检测电路内置于传感器探头内部，再将传感器探头置于低密度等离子体环境中。由上位机软件进行状态设定、测量参数设定，系统控制单元通过扫描和偏压模块，输入测量电压，在阻滞栅网上施加扫描电压，只有高于该层栅网电压能量的离子才能通过。离子收集极用于收集通过阻滞网的离子。根据检测不同扫描电压下的离子收集电流，得到I-V特性曲线，再对其求一阶微分，可得到离子能量分布曲线。

本发明中，还将微弱电流检测电路内置于传感器探头内部，以及将检测到的微弱电流转换为标准的电流信号(4-20mA)这两种方式与传统方案进行了对比试验：

一、对比试验1

方案1：将微弱电流检测电路内置于传感器探头内部，即本发明的方案。

方案2：将微弱电流检测电路内置于传感器探头外部。

在实验室环境下，进行静态测试，对比结果如表1所示，从绝对误差和相对误差来看，置于内部的离子能量分析仪性能要好。

表1比较结果

二、对比试验2

方案1：将微弱电流检测电路内置于传感器探头内部，并将检测到的电流转换为标准的电流信号(4-20mA)，即本发明的方案。

方案2：将微弱电流检测电路内置于传感器探头外部。

两种方案在实际使用环境下的对比，设备全部打开(会有一定的噪声)，无等离子体状态。图(a)是微弱电流检测电路置于传感器外部，检测信号经由长线传输的本底噪声；图(b)是微弱电流检测电路置于传感器内部，检测信号转换为4-20mA标准信号传输的本底噪声。

对比发现，图12a本底噪声曲线近似一条倾斜的直线，存在一定的泄露电流，零点漂移-0.2pA。图12b本底噪声曲线则不存在泄露电流的影响，零点漂移约为0.02pA。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种高精度离子能量分析仪，其特征在于，包括：传感器探头、机箱与上位机；其中：

所述传感器探头设有微弱电流检测电路，用于在机箱中系统控制单元的控制下进行电流检测，并将检测到的微弱电流信号转换为标准电流信号；

机箱中设有系统控制单元、数据采集单元与扫描电压和偏压单元；所述系统控制单元受控于上位机；所述扫描电压和偏压单元在系统控制单元的控制下对传感器探头的扫描测量模式及相关参数进行设置，所述数据采集单元在系统控制单元的控制下进行工作状态参数的设定，以及接收微弱电流检测电路输出的标准电流信号并进行处理，再将处理后的数字信号经系统控制单元传输至上位机。

2.根据权利要求1所述的一种高精度离子能量分析仪，其特征在于，所述传感器探头包括：套筒、挡板、多栅网结构以及底板；

所述多栅网结构设置在套筒中，套筒与多栅网结构的前端用于挡板隔离，套筒的底部通过底板密封；

所述多栅网结构由高到低依次为：第一绝缘垫片、悬浮栅网、第二绝缘垫片、第一阻滞栅网、第三绝缘垫片、第二阻滞栅网、第四绝缘垫片、电子抑制栅网、第五绝缘垫片、收集极与微弱电流检测电路；其中悬浮栅网、第一阻滞栅网、第二阻滞栅网、电子抑制栅网、收集极与微弱电流检测电路都有一根信号线引出；多栅网结构上下两端均通过定位螺钉分别对应的固定在挡板与底板上，信号线通过底板中的信号线引出孔引出。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度离子能量分析仪，其特征在于，所述微弱电流检测电路包括：依次连接的第一I/V转换电路、二阶低通滤波电路、加法电路以及电流环发生电路；所述I/V转换电路用于根据切换的不同取样电阻来切换到不同的量程，从而获得不同的测量范围。

4.根据权利要求1所述的一种高精度离子能量分析仪，其特征在于，所述机箱分为上下两层结构，上层结构放置有系统控制单元、数据采集单元与扫描电压和偏压单元；下层结构放置有为上层结构各单位提供电源的电源模块。

5.根据权利要求1所述的一种高精度离子能量分析仪，其特征在于，

所述扫描电压和偏压单元在系统控制单元的控制下对传感器探头的扫描测量模式进行设置，所述传感器探头的扫描测量模式包括：单点测量模式与I-V扫描测量模式；I-V扫描测量模式中的相关参数包括：阻滞栅网扫描起始电压、阻滞栅网扫描终止电压、阻滞栅网电压单步步长、测量时间、抑制栅网电压、收集极电压以及偏压；

所述数据采集单元在系统控制单元的控制下进行工作状态参数的设定，其中的工作状态参数，包括取样电阻阻值、放大倍数以及采样点数量。

6.根据权利要求1或5所述的一种高精度离子能量分析仪，其特征在于，所述数据采集单元包括依次连接的第二I/V转换电路、50Hz陷波电路、二阶低通滤波电路与A/D转换电路。