CN110381659A - 一种射频动态电容耦合等离子体诊断系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于等离子体诊断科学与技术领域，公开了一种射频动态电容耦合等离子体诊断系统及方法，首先将固定的电压直接加到接阴极探针和接阳极探针上，接阴极探针接电压的正极，接阳极探针接电压的负极，通过调整偏压的大小，使得探针接阴极探针工作在正偏，接阳极探针工作在饱和离子电流区；然后经过射频调谐滤波之后，消除射频的干扰，经过一级光电隔离放大后再通过采集卡的A/D端口将模拟信号转成数字信号传输给计算机，计算出等离子体的相关参数。本发明能测量真空腔体的径向的等离子分布；能有着较高的时间分辨率，能获取等离子体瞬态的参数信息以及等离子体的涨落情况；能克服射频电源的干扰进行诊断，能获得等离子体的参数。

Description

一种射频动态电容耦合等离子体诊断系统及方法
技术领域
本发明属于等离子体诊断科学与技术领域，尤其涉及一种射频动态电容耦合等离子体诊断系统及方法。
背景技术
朗缪尔探针是一种重要的等离子体参数诊断工具，相比其他的诊断方法而言，朗缪尔探针的结构简单。探针是在等离子体中放置金属电极，给探针加以偏置电压，探针与探针之间形成电场，吸引电子和离子，在探针上形成电流。通过分析探针上的电压和电流，可以求解出等离子体的电子密度和电子温度。
在射频的环境下，使用普通的朗缪尔探针测量等离子体参数，会受到强烈的扰动。射频电压会通过探针或者探针电路耦合至放电回路地，形成很强的噪声，离子饱和电流很容易就被淹没在噪声下。
目前，最接近的现有技术：1、朗缪尔单探针，单探针能获得很多等离子体的参数，但是单探针利用一个探针作为电极，因此在诊断等离子体的参数的时候，需要利用真空腔体的腔壁作为另一个参考电极，从而构成回路。但是这种测量方法，对整个等离子体的扰动很大，会影响整个腔体内的等离子体。2、朗缪尔双探针，是由两根完全相同的单探针组成，偏置电压加载两根探针之间，但是缺点是不能得到悬浮电位和等离子空间电位。以上两种测量等离子体参数都是通过改变扫描电压，测量每一个电压对应的电流值，得到一条完整的I—V曲线。这两种方式都是通过整个周期，会导致测量的分辨率降低而无法测量动态等离子体。同时，射频电场的存在会使以上两种技术所测量的空间电位受到影响，导致所测量的I—V曲线变形，使得测量等离子体参数受到影响。同时，市面上大多数的探针都是没办法进行伸缩，只能测量某个位置的等离子参数，没办法了解整个腔体电子密度的径向分布。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术射频放电产生等离子体时的射频扰动，特别是针对13.56M的射频源，主要是对13.56M的谐波和多次谐波进行滤除和如何利用简单的装置，获得动态等离子体的参数。
解决上述技术问题的意义：
通过减少射频电场的干扰的影响，对于诊断高精度诊断提供了技术支持，并且能获得动态等离子体的电子密度和电子温度的动态特性，了解外加激励变化对动态等离子体时空变化的影响规律。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种射频动态电容耦合等离子体诊断系统及方法。
本发明是这样实现的，一种射频动态电容耦合等离子体诊断系统，所述射频动态电容耦合等离子体诊断系统是：
探测器伸进等离子体产生装置中，探测器的最外层是聚氟乙稀管，聚氟乙稀管内侧设有四孔刚玉棒，接阴极探针、第一参考极、接阳极探针、第二参考极分别插入四孔刚玉棒的孔内，并且灌入耐高温胶水将钨棒与四孔刚玉棒和四孔刚玉棒与聚氟乙稀管固定，并且每一根钨棒伸出长于刚玉棒1mm，每根钨棒其伸出长度一致。
钨棒的另一端是焊接在航空接头的公头上，并用热缩管将每根钨棒之间进行绝缘处理，航空接头的另一端焊接同轴屏蔽线。
聚氟乙稀管另一端设有特制的法兰盘，通过法兰盘可将整个探测器固定在等离子产生装置的上方的一个入口，其可以通过旋转螺纹来调节探测器深入等离子体的深度，然后通过密封圈将整个探测器进行密封，并通过特制的螺母将聚氟乙稀管牢牢地固定。
进一步，所述射频容性等离子产生装置通过环形电极耦合放电，产生等离子体；探测器伸到等离子体产生装置的中间部位，并通过特制的法兰盘和特制的螺母固定，法兰盘与射频容性等离子体产生装置通过密封圈和不锈钢真空卡箍进行密封处理，钨丝通过焊接到航空接头上并用四根带有BNC接头的单芯屏蔽线连接到屏蔽盒的四个接入口，屏蔽盒的四个出口端连接高速采集卡，高速采集卡通过数模转换，传输到电脑的上位机。
进一步，探测器由四根尺寸相同的钨棒组成，包括接阴极探针、接阳极探针和第一参考电极、第二参考电极，其直径为0.3mm，裸露在等离子体中的长度为1mm；
钨棒的另一端先焊接在航空接头上，并用热缩管将裸露出来的钨棒和焊点绝缘处理；刚玉棒外套一层聚氟乙烯管，并使用耐高温胶水填充在钨棒和刚玉棒与刚玉棒和聚氟乙烯管之间；
在聚氟乙烯管外层加工螺纹，从特制的法兰盘通过，通过航空接头连接到外部的电路系统中，并在特制的法兰盘的另一端套上密封圈和特制的密封钢圈，特制的密封钢圈与特制的法兰盘之间用螺纹连接。
进一步，所述刚玉棒的直径为3mm，长度为260mm，其中刚玉棒的孔径为0.3mm，孔心与孔心之间的距离是1mm。
进一步，屏蔽盒的是由铝金属所制成，其高为140mm，直径为110mm，厚度是5mm，内部直径和高度分别为100mm和135mm。
屏蔽盒盖厚度为5mm，直径为110mm；在中间是一个电源的总开关，两边的4个小孔接BNC接头，分别为信号的输入端和信号的输出端。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述射频动态电容耦合等离子体诊断系统的射频动态电容耦合等离子体诊断方法，所述射频动态电容耦合等离子体诊断方法包括：
首先将固定的电压直接加到接阴极探针和接阳极探针上，接阴极探针接电压的正极，接阳极探针接电压的负极，通过调整偏压的大小，使得探针接阴极探针工作在饱和离子电流区，接阳极探针工作在正偏；
然后经过射频调谐滤波之后，消除射频的干扰，经过一级光电隔离放大后再通过采集卡的A/D端口将模拟信号转成数字信号传输给计算机，计算机上层软件根据相应的理论公式，计算出等离子体的相关参数。
进一步，所述射频动态电容耦合等离子体诊断方法的探测器的制作过程为：首先选取长度30mm，直径0.3mm的钨棒，再用砂纸对钨棒进行打磨，将钨棒表面的氧化物打磨去掉；然后用酒精对每根钨棒进行擦洗，将污染物清洗干净，并用万用表测试每根钨棒的导电性，最后将每根钨棒穿进孔径为0.3mm，直径为3mm，长度为26mm的四孔刚玉棒。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明能获得在外加激励变化下，等离子体密度的时空变化规律；能测量真空腔体的径向的等离子分布；能有着较高的时间分辨率，能获取等离子体瞬态的参数信息以及等离子体的涨落情况；能克服射频电源的干扰进行诊断，能获得等离子体的参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的射频动态电容耦合等离子体诊断系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的探测器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的射频动态电容耦合等离子体诊断系统的总方案设计图；
图4是本发明实施例提供的刚玉棒的截面示意图；
图5是本发明实施例提供的屏蔽盒结构示意图；
图6是本发明实施例提供的屏蔽盒盖结构示意图；
图中：1、等离子体产生装置；2、接阴极探针；3、第一参考极；4、接阳极探针；5、第二参考极；6、刚玉棒；7、聚氟乙稀管；8、特制法兰盘；9、密封圈；10、特制螺母；11、螺纹；12、热缩管；13、航空接头；14、螺纹；15、焊点；16、耐高温胶水；17、同轴屏蔽线；18、滤波电路；19、探针电路；20、光隔放大电路；21、高速采集卡；22、计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明用于解决射频放电产生等离子体时的射频扰动问题，特别是针对13.56M的射频源，同时该装置能诊断射频动态等离子体装置径向的电子密度和电子温度分布情况以及涨落情况。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的射频动态电容耦合等离子体诊断系统包括：等离子体产生装置1、接阴极探针2、第一参考极3、接阳极探针4、第二参考极5、刚玉棒6、聚氟乙稀管7、特制法兰盘8、密封圈9、特制螺母10、螺纹11、热缩管12、航空接头13、螺纹14、焊点15、耐高温胶水16、同轴屏蔽线17、滤波电路18、探针电路19、光隔放大电路20、高速采集卡21、计算机22计算机。
探测器伸进等离子体产生装置1中，探测器的最外层是聚氟乙稀管7，聚氟乙稀管7内侧设有四孔刚玉棒6，接阴极探针2、第一参考极3、接阳极探针4、第二参考极5分别插入四孔刚玉棒6的孔内，并且灌入耐高温胶水16将钨棒与四孔刚玉棒6和四孔刚玉棒6与聚氟乙稀管7固定，并且每一根钨棒伸出长于刚玉棒1mm，每根钨棒其伸出长度一致。
特制法兰盘8、密封圈9、特制螺母10、螺纹11、热缩管12固定在聚氟乙稀管7的外侧，聚氟乙稀管7的顶部通过螺纹14与航空接头13连接。
接阴极探针2、第一参考极3、接阳极探针4、第二参考极5通过同轴屏蔽线17与滤波电路18连接，滤波电路18通过同轴屏蔽线17与探针电路19连接，探针电路19通过同轴屏蔽线17与光隔放大电路20连接，光隔放大电路20通过同轴屏蔽线17与高速采集卡21连接，高速采集卡21插接在计算机22上。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
在图1中，射频容性等离子产生装置1通过环形电极耦合放电，产生等离子体。探测器伸到等离子体产生装置的中间部位，并通过特制的法兰盘和特制的螺母固定，法兰盘与射频容性等离子体产生装置通过密封圈和不锈钢真空卡箍进行密封处理，钨丝通过焊接到航空接头上并用四根带有BNC接头的单芯屏蔽线连接到屏蔽盒的四个接入口，屏蔽盒的四个出口端连接高速采集卡，高速采集卡通过数模转换，传输到电脑的上位机。
在图2中，探测器由四根尺寸相同的钨棒所组成，包括接阴极探针2、接阳极探针和第一参考电极3、第二参考电极5，其直径为0.3mm，裸露在等离子体中的长度为1mm。探测器的制作过程为：首先选取长度30mm，直径0.3mm的钨棒，再用砂纸对钨棒进行打磨，将钨棒表面的氧化物打磨去掉，然后用酒精对每根钨棒进行擦洗，将污染物清洗干净，并用万用表测试每根钨棒的导电性，最后将每根钨棒穿进孔径为0.3mm，直径为3mm，长度为26mm的四孔刚玉棒6，在穿插的过程中尽量不要弄弯钨棒，保证钨棒是直的。钨棒的另一端先焊接在航空接头13上，其焊点15要小，并用热缩管将裸露出来的钨棒和焊点15进行绝缘处理。由于刚玉棒6比较脆，并且不好加工，最后再外套一层直径为12mm，长度为12mm的聚氟乙烯管7，并使用耐高温胶水16填充在钨棒和刚玉棒6与刚玉棒6和聚氟乙烯管7之间，将其紧紧固定。用游标卡尺从聚氟乙烯管7的一端开始量1mm，将多余部分剪出，并为了方便测量径向等离子体分布，在聚氟乙烯管7外层加工螺纹11，从特制的法兰盘8通过，通过航空接头13连接到外部的电路系统中，并在特制的法兰盘8的另一端套上密封圈9和特制的密封钢圈10，特制的密封钢圈10与特制的法兰盘之间用螺纹连接。
在图3中，主要是展示探针系统的工作原理，首先将固定的电压直接加到接阴极探针2和接阳极探针4上，接阴极探针2接电压的负极，接阳极探针4接电压的正极，通过调整偏压的大小，使得探针接阴极探针2工作在正偏，接阳极探针工作在饱和离子电流区。然后经过射频调谐滤波之后，消除射频的干扰，经过一级光电隔离放大后再通过采集卡的A/D端口将模拟信号转成数字信号传输给计算机，计算机上层软件根据相应的理论公式，计算出等离子体的相关参数。
图4是刚玉棒6的截面图，其中刚玉棒的直径为3mm，长度为260mm，其中刚玉棒的孔径为0.3mm，孔心与孔心之间的距离是1mm。
在图5中，屏蔽盒的是由铝金属所制成，其高为140mm，直径为110mm，厚度是5mm，内部直径和高度分别为100mm和135mm。
在图6中，屏蔽盒盖同样是铝金属制成，其厚度为5mm，直径为110mm。在中间是一个电源的总开关，两边的4个小孔接BNC接头，分别为信号的输入端和信号的输出端。
下面结合计算对本发明的技术方案作进一步的描述。
三探针采用电流模式的推算出的电子密度和电子温度公式为和从公式可以看出只需要获得饱和离子流与悬浮电压，就可以推算出电子密度和电子温度，而不需要通过扫描电压获取I-V曲线，再从I-V曲线中提取参数。可以避免伏安特性曲线拟合产生的错误，影响电子密度和电子温度的计算。而且三探针采用的是静电，响应速度十分快，本次采用的采集卡采集速率为20M/s，采集速度能满足动态测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种射频动态电容耦合等离子体诊断系统，其特征在于，所述射频动态电容耦合等离子体诊断系统设置有：
探测器
探测器伸进等离子体产生装置中，探测器的最外层是聚氟乙稀管，聚氟乙稀管内侧设有四孔刚玉棒，接阴极探针、第一参考极、接阳极探针、第二参考极分别插入四孔刚玉棒的孔内，并且灌入耐高温胶水将钨棒与四孔刚玉棒和四孔刚玉棒与聚氟乙稀管固定，并且每一根钨棒伸出长于刚玉棒1mm，每根钨棒其伸出长度一致；
钨棒的另一端是焊接在航空接头的公头上，并用热缩管将每根钨棒之间进行绝缘处理，航空接头的另一端焊接同轴屏蔽线；
聚氟乙稀管另一端设有特制的法兰盘，通过法兰盘可将整个探测器固定在等离子产生装置的上方的一个入口，通过旋转螺纹来调节探测器深入等离子体的深度，然后通过密封圈将整个探测器进行密封，并通过特制的螺母将聚氟乙稀管固定。
2.如权利要求1所述的射频动态电容耦合等离子体诊断系统，其特征在于，所述射频容性等离子产生装置通过环形电极耦合放电，产生等离子体；探测器伸到等离子体产生装置的中间部位，并通过特制的法兰盘和特制的螺母固定，法兰盘与射频容性等离子体产生装置通过密封圈和不锈钢真空卡箍进行密封处理，钨丝通过焊接到航空接头上并用四根带有BNC接头的单芯屏蔽线连接到屏蔽盒的四个接入口，屏蔽盒的四个出口端连接高速采集卡，高速采集卡通过数模转换，传输到电脑的上位机。
3.如权利要求1所述的射频动态电容耦合等离子体诊断系统，其特征在于，探测器由四根尺寸相同的钨棒组成，包括接阴极探针、接阳极探针和第一参考电极、第二参考电极，其直径为0.3mm，裸露在等离子体中的长度为1mm；
钨棒的另一端先焊接在航空接头上，并用热缩管将裸露出来的钨棒和焊点绝缘处理；刚玉棒外套一层聚氟乙烯管，并使用耐高温胶水填充在钨棒和刚玉棒与刚玉棒和聚氟乙烯管之间；
在聚氟乙烯管外层加工螺纹，从特制的法兰盘通过，通过航空接头连接到外部的电路系统中，并在特制的法兰盘的另一端套上密封圈和特制的密封钢圈，特制的密封钢圈与特制的法兰盘之间用螺纹连接。
4.如权利要求1所述的射频动态电容耦合等离子体诊断系统，其特征在于，所述刚玉棒的直径为3mm，长度为260mm，其中刚玉棒的孔径为0.3mm，孔心与孔心之间的距离是1mm。
5.如权利要求1所述的射频动态电容耦合等离子体诊断系统，其特征在于，屏蔽盒的是由铝金属所制成，其高为140mm，直径为110mm，厚度是5mm，内部直径和高度分别为100mm和135mm；
屏蔽盒盖厚度为5mm，直径为110mm；在中间是一个电源的总开关，两边的4个小孔接BNC接头，分别为信号的输入端和信号的输出端。
6.一种基于权利要求1所述射频动态电容耦合等离子体诊断系统的射频动态电容耦合等离子体诊断方法，其特征在于，所述射频动态电容耦合等离子体诊断方法包括：
首先将固定的电压直接加到接阴极探针和接阳极探针上，接阴极探针接电压的正极，接阳极探针接电压的负极，通过调整偏压的大小，使得探针接阴极探针工作在饱和离子电流区，接阳极探针工作在正偏；
然后经过射频调谐滤波之后，消除射频的干扰，经过一级光电隔离放大后再通过采集卡的A/D端口将模拟信号转成数字信号传输给计算机，计算机上层软件根据相应的理论公式，计算出等离子体的相关参数。
7.如权利要求6所述的射频动态电容耦合等离子体诊断方法，其特征在于，所述射频动态电容耦合等离子体诊断方法的探测器的制作过程为：首先选取长度30mm，直径0.3mm的钨棒，再用砂纸对钨棒进行打磨，将钨棒表面的氧化物打磨去掉；然后用酒精对每根钨棒进行擦洗，将污染物清洗干净，并用万用表测试每根钨棒的导电性，最后将每根钨棒穿进孔径为0.3mm，直径为3mm，长度为26mm的四孔刚玉棒。
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