CN110470962A - 霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法，该方法通过测量霍尔离子源线圈的谐振频率f，对霍尔离子源励磁线圈的绝缘老化程度进行评估：如果霍尔离子源线圈的谐振频率f越大，则霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度越高。本发明的霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法利用了霍尔离子源的自身在霍尔漂移电流的影响下，霍尔离子源励磁线圈发生谐振的特性，通过检测谐振频率的大小，简易地对霍尔离子源励磁线圈绝缘老化进行评估。有效避免了在霍尔离子源励磁线圈两端施加高压测量老化程度对线圈老化程度的加速，降低了操作的复杂度。因此对于简化评估离子源励磁线圈老化程度方法做出了极大的改善。

Description

霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法

技术领域

本发明涉及霍尔离子源技术领域，具体而言，涉及一种霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法。

背景技术

近年来，材料的刻蚀、镀膜等表面处理领域中，霍尔离子源由于其能够满足表面处理工艺的高精密度要求，逐渐代替了传统电子束热蒸发沉积技术与化学刻蚀技术，得到了广泛的应用。对于霍尔离子源而言，保持磁场的稳定对于高精度的实现至关重要，因此需要保证其励磁线圈性能稳定。长期处于工作状态的励磁线圈在高温状态（400℃左右）下，励磁线圈十分容易发生老化。现有检测线圈老化的方式主要是在励磁线圈两端施加高电压击穿线圈产生电流，并对电流进行测量，以电流大小判断线圈老化程度。这种方法不仅复杂、操作繁琐并且在进行高压击穿的过程中加速了线圈的老化，存在诸多的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法，以解决现有技术中霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度评估方向复杂、操作繁琐的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法，通过测量霍尔离子源线圈的谐振频率f，对霍尔离子源励磁线圈的绝缘老化程度进行评估：如果霍尔离子源线圈的谐振频率f越大，则霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度越高。

进一步地，测量霍尔离子源线圈的谐振频率f满足如下公式：

其中，L为霍尔离子源励磁线圈的电感，C为霍尔离子源励磁线圈的杂散电容，当霍尔离子源励磁线圈发生老化时，霍尔离子源励磁线圈的电感L不发生变化，霍尔离子源励磁线圈的杂散电容C降低。

进一步地，霍尔离子源励磁线圈的杂散电容C满足如下公式：

C=εS/4πkd

其中，ε为霍尔离子源励磁线圈的介电常数，S为电容板间的正对面积，k为静电力常数，d为电容极板间的的距离，当霍尔离子源励磁线圈发生老化，霍尔离子源励磁线圈介电常数ε降低，霍尔离子源励磁线圈的杂散电容C降低，而霍尔离子源励磁线圈的谐振频率f与杂散电容C大小成反比。

进一步地，利用扫描法测试所述霍尔离子源励磁线圈的谐振频率f。

进一步地，所述扫描法为：使霍尔离子源励磁线圈的信号源输出信号的频率按规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，得到了被测电路的幅频特性曲线，进而确定霍尔离子源励磁线圈的谐振频率f。

应用本发明的技术方案，本发明的霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法利用了霍尔离子源的自身在霍尔漂移电流的影响下，霍尔离子源励磁线圈发生谐振的特性，通过检测谐振频率的大小，简易地对霍尔离子源励磁线圈绝缘老化进行评估。有效避免了在霍尔离子源励磁线圈两端施加高压测量老化程度对线圈老化程度的加速，降低了操作的复杂度。因此对于简化评估离子源励磁线圈老化程度方法做出了极大的改善。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明霍尔离子源内部电磁耦合过程图；以及

图2示出了本发明的霍尔离子源内部的励磁线圈电流振荡图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

根据现有研究，霍尔离子源是一种利用磁场约束等离子体的放电装置，该放电装置的放电通道内存在由霍尔离子源励磁线圈产生的磁场以及阴极和阳极之间产生的电场组成了近乎正交的电磁场，在这样的电磁场结构中，电子在磁场的束缚下做周向的霍尔漂移运动。由于霍尔离子源通道截面为圆形，等离子体在受到的洛伦兹力是由磁场和电场叠加产生的，电子的运动轨迹由拉莫尔圆的旋转和漂移叠加而成的，这种漂移发生在与电场、磁场垂直的圆周方向上，电子会在通道内沿圆周方向运动，形成霍尔漂移电流。而周向漂移的霍尔电流大小不是恒定的（在数十安培到几百安培内变化），由磁感应定律可知，当漂移电流耦合到线圈后必然导致通道内的磁场波动。这使得周向绕制的霍尔离子源励磁线圈中出现不稳定的感应电动势，对励磁电路而言，直流供电的励磁线圈中的电流也将随之出现不稳定的振荡现象。另外绕制线圈的线与线间，层与层间不可避免的存在杂散电容，杂散电容与线圈的等效电感和等效电阻可以看成一个高阶的RLC振荡网络，存在多个固有频率，在霍尔漂移电流感应出的变化的感应电动势的激励下，线圈在其固有频率处发生谐振。上述发生在霍尔离子源内部的电磁耦合过程如图1所示，固有频率处的励磁电流的谐振情况如图2所示。

霍尔离子源经过连续性长时间的工作时，霍尔离子源励磁线圈长期处于高温（400℃左右）下，霍尔离子源励磁线圈绝缘不可避免的会发生老化。而霍尔离子源励磁线圈的谐振频率只与线圈的固有频率相关，而固有频率仅与霍尔离子源励磁线圈本身的电感和杂散电容有关，当霍尔离子源励磁线圈发生老化后，霍尔离子源励磁线圈本身的电感大小不发生变化，而电容改变，进而改变霍尔离子源励磁线圈的谐振频率。因此通过监测霍尔离子源励磁线圈的固有频率即可有评估测线圈的老化程度。

利用上述霍尔离子源的谐振现象，可以简便测出霍尔离子源励磁线圈的老化程度。谐振频率受线圈的电感和杂散电容的影响，相同的条件下，当霍尔离子源的励磁线圈发生老化时，霍尔离子源励磁线圈的电容不发生改变，霍尔离子源励磁线圈的杂散电容改变，从而影响谐振频率发生变化，因此可以通过测量谐振频率进行线圈绝缘老化程度的评估。

因此，在进行霍尔离子源励磁线圈老化程度检测时，通过测量霍尔离子源线圈的固有频率f，能够对霍尔离子源励磁线圈的绝缘老化程度进行评估。具体来说，如果霍尔离子源线圈的固有频率f越大，则霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度越高。

霍尔离子源在工作过程中，霍尔漂移电流存在宽谱的振荡，当这种振荡耦合到线圈上时，霍尔离子源励磁线圈由于周向的漂移电流振荡产生的不稳定电动势在其固有频率处发生谐振。发生谐振的频率也称之为谐振频率。谐振频率f的变化仅由霍尔离子源励磁线圈的电感L以及霍尔离子源励磁线圈的杂散电容C的大小决定。并且分别随着霍尔离子源励磁线圈的电感L以及杂散电容C的升高而降低。霍尔离子源线圈的谐振频率f满足如下公式：

。

当霍尔离子源励磁线圈发生老化时，霍尔离子源励磁线圈的电感L不发生变化，而杂散电容C则会随着绝缘性能的改变而发生改变。这是由于，杂散电容C的表达式如下所示：C=εS/4πkd。

其中，ε为霍尔离子源励磁线圈的介电常数，S为电容板间的正对面积，k为静电力常数，d为电容极板间的距离。可以看出，当霍尔离子源励磁线圈的介电常数ε增加时，杂散电容C会增加，反之同理。当霍尔离子源励磁线圈的绝缘发生老化时，其介电常数ε减小，而杂散电容C随之降低。

随着杂散电容C的降低，人工可以测量的励磁线圈谐振频率f反而升高。因此当测量所得线圈谐振频率升高时，可以简单有效的评估出线圈老化的情况。如果霍尔离子源线圈的固有频率f越大，则霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度越高。

可见，当霍尔离子源励磁线圈发生老化，霍尔离子源励磁线圈介电常数ε降低，霍尔离子源励磁线圈的杂散电容C降低，而霍尔离子源励磁线圈的固有频率f与杂散电容C大小成反比，因此谐振频率f增加。故当谐振频率f增加时，便可以得出线圈老化的结论。

实际评估过程中，测量霍尔离子源励磁线圈固有频率的方法可利用扫频法实现，具体来说，即进行霍尔离子源励磁线圈固有频率测试过程中，使霍尔离子源励磁线圈的信号源输出信号的频率按规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，得到了被测电路的幅频特性曲线。该扫频法可实现网络的频率特性的自动或半自动测量并且可得到线圈的动态频率特性。可以十分简单准确的测得霍尔离子源励磁线圈谐振频率f。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：与现有技术相比，本发明的霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法利用了霍尔离子源的自身在霍尔漂移电流的影响下，霍尔离子源励磁线圈发生谐振的特性，通过检测谐振频率的大小，简易地对霍尔离子源励磁线圈绝缘老化进行评估。有效避免了在霍尔离子源励磁线圈两端施加高压测量老化程度对线圈老化程度的加速，降低了操作的复杂度。因此对于简化评估离子源励磁线圈老化程度方法做出了极大的改善。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法，其特征在于，通过测量霍尔离子源线圈的谐振频率f，对霍尔离子源励磁线圈的绝缘老化程度进行评估：如果霍尔离子源线圈的谐振频率f越大，则霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度越高。

2.根据权利要求1所述的霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法，其特征在于，测量霍尔离子源线圈的谐振频率f满足如下公式：

其中，L为霍尔离子源励磁线圈的电感，C为霍尔离子源励磁线圈的杂散电容，当霍尔离子源励磁线圈发生老化时，霍尔离子源励磁线圈的电感L不发生变化，霍尔离子源励磁线圈的杂散电容C降低。

3.根据权利要求2所述的霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法，其特征在于，霍尔离子源励磁线圈的杂散电容C满足如下公式：

C=εS/4πkd

其中，ε为霍尔离子源励磁线圈的介电常数，S为电容板间的正对面积，k为静电力常数，d为电容极板间的的距离，当霍尔离子源励磁线圈发生老化，霍尔离子源励磁线圈介电常数ε降低，霍尔离子源励磁线圈的杂散电容C降低，而霍尔离子源励磁线圈的谐振频率f与杂散电容C大小成反比。

4.根据权利要求1所述的霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法，其特征在于，利用扫描法测试所述霍尔离子源励磁线圈的谐振频率f。

5.根据权利要求4所述的霍尔离子源励磁线圈绝缘老化程度的评估方法，其特征在于，所述扫描法为：使霍尔离子源励磁线圈的信号源输出信号的频率按规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，得到了被测电路的幅频特性曲线，进而确定霍尔离子源励磁线圈的谐振频率f。