CN111031651B - 一种等离子体束流密度分布的测量方法 - Google Patents

一种等离子体束流密度分布的测量方法 Download PDF

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Abstract

一种等离子体束流密度分布的测量方法，属于等离子体诊断技术领域。由偏压极板、若干法拉第筒和底板组成。所述偏压极板在每个法拉第筒的轴线位置开设有采集孔，所述偏压极板在边缘端部位置开设有导线连接孔，所述偏压极板经偏压电路接地，使偏压极板带负电，所述偏压极板与法拉第筒的接触面有绝缘涂层；所述法拉第筒内壁有导电薄膜，但不与偏压极板接触，与偏压极板之间留有缝隙，所述法拉第筒下端面有导电薄膜，与下层底板凹槽的导电材料接触引出电路，所述上层底板有固定孔。通过偏压电路10中电流表测得的电流信号I，由电子束通量计算公式Flux计算可得电子束通量，即束流密度。即可测密度分布也可测形状。

Description

一种等离子体束流密度分布的测量方法
技术领域
本发明属于等离子体诊断技术领域，具体涉及一种等离子体束流密度分布的测量方法。
背景技术
随着等离子体技术的广泛应用，对材料表面进行的辐照、刻蚀和溅射实验得到广泛关注。但是要提升材料表面处理实验的效果，就需要对材料表面所受等离子体束流轰击的均匀性进行精确的诊断。
目前对于等离子体束流密度的测量方法多为偏压法，但是由于等离子体的轰击会在材料表面溅射出二次电子，所以测量结果比实际数值偏大，同时由于测量方法本身的缺陷，偏压法无法对等离子体束流密度在某一特定区域内的分布进行诊断。对于等离子体束流密度分布的诊断多数采用法拉第筒阵列的方法，但是由于单个法拉第筒尺寸较大，使得在固定面积内的法拉第筒数量较少，进而对均匀性的测量误差较大。同时由于等离子体温度较高，为保证测量结果的准确性，测量方法需要能够在高温环境下稳定运行，并且测量结果不会受等离子体的干扰。
因此，等离子体诊断技术领域，亟需一种能够显著较低法拉第筒尺寸，增加单位面积内法拉第筒数量，且能在高温等离子体环境下稳定运行的等离子体束流密度分布的精确测量方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种能够在固定区域内精确测量等离子体束流分布的测量方法。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种等离子体束流密度分布的测量方法，其特征在于，采用的装置包括偏压极板(1)、若干法拉第筒(3)和下层底板(6)；
偏压极板(1)开设有多个采集孔(7)，所述偏压极板的边缘端部位置开设有导线连接孔(11)，所述偏压极板经偏压电路(10)接地，使偏压极板带负电；偏压极板的正下方为多个平行排布的法拉第筒(3)，法拉第筒的轴线垂直偏压极板(1)的板面，所述偏压极板与法拉第筒的上端口接触面处设有绝缘涂层(2)，在每个法拉第筒的轴线对应一个采集孔(7)，采集孔(7)的直径小于法拉第筒的内直径；所述法拉第筒内壁表面有一层导电薄膜(9)，但导电薄膜(9)不与偏压极板接触，与偏压极板(1)之间留有缝隙，所述法拉第筒下端面有导电材料(5)封口，导电薄膜(9)伸出法拉第筒下端面并与导电材料(5)连接接触，导电薄膜(9)引出电路，每个法拉第筒下端及对应的导电材料(5)均固定于下层底板(6)的凹槽内；在下层底板(6)的上部设有上层底板(4)，所述上层底板在对应的法拉第筒的位置均设有固定孔(12)，使得法拉第筒的穿过用于固定法拉第筒。
压极板(1)采用导电材料，法拉第筒以绝缘材料为主体，下层底板采用绝缘材料。
所述的偏压电路(10)为偏压极板(1)的导线连接孔(11)引出电路接地，法拉第筒下端面的导电薄膜(9)引出电路经由电流表接地，或接电源的同一电极，即同电位。
法拉第筒阵列布局可根据实际需要安排。如采用图4所示的排布，法拉第筒数量为5～35个，布局采用点对称布局。
进一步的，所述法拉第筒阵列布局在测量等离子体束流密度分布基础之上，也可以测量等离子体束流的横截面形状，如根据每个法拉第筒为一个单元，所有单元测得的密度排布可以形成等离子体束流的横截面形状。
进一步的，所述法拉第筒的高度可以在限制范围内根据等离子体环境和测量需要改变。
测试方法：通过偏压电路10中电流表测得的电流信号I，由电子束通量计算公式
Figure GDA0002399573400000031
计算可得电子束通量，即束流密度，其中Flux：电子束通量，ion/m2s；I：测得的电流强度，C/s；n：每个离子的电荷数，定值，可以查询资料；e:为基本电荷；A：注入面积即法拉第筒内部空腔对应的底面面积，m2。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述法拉第筒利用导电薄膜实现其导电性，显著缩小单个法拉第筒的尺寸，增加固定面积上的法拉第筒数量，精确测量等离子体束流均匀性。所述偏压极板避免等离子体束流进入法拉第筒之前的聚集效果，确保法拉第筒上端面的电位稳定。所述偏压极板的采集孔可以避免二次电子对测量结果的影响。所述上层底板对法拉第筒起固定作用，可以屏蔽高温等离子体环境对测量电路的影响。所述下层底板对法拉第筒起固定作用，利用凹槽的导电材料实现法拉第筒导线的接出。本发明可以实现法拉第筒阵列在高温等离子体环境下的稳定使用和精确测量，具有极大的推广价值和使用前景。
附图说明
图1为本发明截面示意图。
图中：1.偏压极板；2，绝缘涂层；3.法拉第筒；4.上层底板；5.导电材料；6.下层底板。
图2为本发明法拉第筒的截面示意图。
图中：7.采集孔；8.绝缘材料；9.导电薄膜；10.偏压电路
图3为本发明偏压极板的示意图。
图中：11.导线连接孔。
图4为本发明上层底板的示意图。
图中：12.固定孔
具体实施方式
结合图1～图4所示，一种等离子体束流密度分布的测量方法，具体由偏压极板、若干法拉第筒和底板组成。所述偏压极板1选用导电材料，如不锈钢、钨等，所述偏压极板1在每个法拉第筒的轴线位置有采集孔7，并按照法拉第筒的分布对应设计，所述偏压极板1在边缘端部位置开设有导线连接孔11，所述偏压极板经导线连接孔11接偏压电路10，使偏压极板带负电，避免了等离子体在法拉第筒上端面聚集而产生的电场对测量结果的影响；所述法拉第筒3以绝缘材料8为主体，所述绝缘材料8为绝缘材料，如陶瓷、聚四氟乙烯、石英玻璃等，所述导电薄膜9，如银、钨等，保证其导电性的同时又避免了厚度对内部空间的影响。所述导电薄膜9不与偏压极板7接触，所述偏压极板1与法拉第筒的接触面有绝缘涂层2，所述绝缘涂层，如陶瓷涂层、绝缘涂料等，所述法拉第筒3下端面镀有导电薄膜9，使之与下层底板6上的圆形凹槽内部的导电材料5接触，所述圆形凹槽内部填充的导电材料5采用如铜、不锈钢、银、钨等材料，所述法拉第筒3经上层底板4和下层底板6固定，并经下层底板6圆形凹槽中的导电材料连接导线引出电路，所述上层底板4有固定孔12，用来固定法拉第筒。
进一步的，法拉第筒高度为1～12mm，内径2～10mm，外径4～12mm；采集孔直径0.7～1.2mm；
进一步的，法拉第筒阵列布局如图4所示，法拉第筒数量为5～35个，布局采用点对称布局，可根据实际需要安排。
进一步的，通过法拉第筒阵列中，正方形法拉第筒阵列的端点处法拉第筒和中点处法拉第筒的数值对比，若两处位置法拉第筒的束流密度值相同，则束流截面形状为正方形；反之，两处位置束流密度数值不相同，则束流截面形状为圆形。
进一步的，通过偏压电路10中电流表测得的电流信号I，由电子束通量计算公式
Figure GDA0002399573400000051
(其中Flux：通量，ion/m2s；I：束流强度，C/s；n：每个离子的电荷数；A：注入面积，m2)，计算可得电子束通量，即束流密度。
实施例1：
一种等离子体束流密度分布的测量方法，偏压极板采用不锈钢材料，法拉第筒采用陶瓷材料作为主体，导电薄膜采用银薄膜，绝缘涂层采用陶瓷涂层，圆形凹槽内部的导电材料采用铜；法拉第筒高度为9.7mm，外径5mm，内径3mm；法拉第筒数量为21个，采用双十字形交叉布局；采集孔直径1mm。
实施例2：
一种等离子体束流密度分布的测量方法，偏压极板采用钨材料，法拉第筒采用石英玻璃作为主体，导电薄膜采用钨薄膜，绝缘涂层采用绝缘涂料，圆形凹槽内部的导电材料采用钨；法拉第筒高度为3.7mm，外径5mm，内径3mm；法拉第筒数量为21个，采用双十字形交叉布局；采集孔直径1mm。
实施例3：
一种等离子体束流密度分布的测量方法，偏压极板采用钨材料，法拉第筒采用石英玻璃作为主体，导电薄膜采用钨薄膜，绝缘涂层采用绝缘涂料，圆形凹槽内部的导电材料采用钨；法拉第筒高度为7.5mm，外径11mm，内径9mm；法拉第筒数量为13个，采用十字形布局；采集孔直径1mm。

Claims (1)

1.一种等离子体束流密度分布的测量方法，其特征在于，采用的装置包括偏压极板(1)、若干法拉第筒(3)和下层底板(6)；
偏压极板(1)开设有多个采集孔(7)，所述偏压极板的边缘端部位置开设有导线连接孔(11)，所述偏压极板经偏压电路(10)接地，使偏压极板带负电；偏压极板的正下方为多个平行排布的法拉第筒(3)，法拉第筒的轴线垂直偏压极板(1)的板面，所述偏压极板与法拉第筒的上端口接触面处设有绝缘涂层(2)，在每个法拉第筒的轴线对应一个采集孔(7)，采集孔(7)的直径小于法拉第筒的内直径；所述法拉第筒内壁表面有一层导电薄膜(9)，但导电薄膜(9)不与偏压极板接触，与偏压极板(1)之间留有缝隙，所述法拉第筒下端面有导电材料(5)封口，导电薄膜(9)伸出法拉第筒下端面并与导电材料(5)连接接触，导电薄膜(9)引出电路，每个法拉第筒下端及对应的导电材料(5)均固定于下层底板(6)的凹槽内；在下层底板(6)的上部设有上层底板(4)，所述上层底板在对应的法拉第筒的位置均设有固定孔(12)，使得法拉第筒的穿过用于固定法拉第筒；
偏压极板(1)采用导电材料，法拉第筒以绝缘材料为主体，下层底板采用绝缘材料；
所述的偏压电路(10)为偏压极板(1)的导线连接孔(11)引出电路接地，法拉第筒下端面的导电薄膜(9)引出电路经由电流表接地，或接电源的同一电极，即同电位；
测试方法：通过偏压电路(10)中电流表测得的电流信号I，由电子束通量计算公式
Figure FDA0003421249080000011
计算可得电子束通量，即束流密度，其中Flux：电子束通量，ion/m2s；I：测得的电流强度，C/s；n：每个离子的电荷数，定值，可以查询资料；A：注入面积即法拉第筒内部空腔对应的底面面积，m2；
所述法拉第筒阵列布局在测量等离子体束流密度分布基础之上，进一步测量等离子体束流的横截面形状，根据每个法拉第筒为一个单元，所有单元测得的密度排布可以形成等离子体束流的横截面形状。
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