CN111654966A - 一种等离子体测量装置 - Google Patents

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Abstract

本公开实施例公开了一种等离子体测量装置，该等离子体测量装置包括：移动台，用于在第一方向或第二方向上移动，第一方向与第二方向不同；支撑架，位于移动台上，能够跟随移动台的移动而移动；至少两个探针，位于支撑架上，用于通过支撑架的移动，与等离子体的至少两个点接触并同时测量至少两个点的等离子体特征参数。通过本公开实施例，能够提高测量效率及精度。

Description

一种等离子体测量装置
技术领域
本公开实施例涉及等离子体技术领域，具体涉及一种等离子体测量装置。
背景技术
等离子体为由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质。通常使用等离子体发生器产生该等离子体。不同的等离子体发生器产生的等离子体的空间分布均匀性和稳定性不同。如直流、射频、微波等的不同类型的等离子体发生器，由于该不同类型的等离子发生器的结构和放电原理不同，产生的等离子体的空间分布均匀性、稳定性有很大差异。并且，等离子体发生器源出口处不同的空间位置，对应的等离子体的空间分布均匀性、稳定性也不相同。
在对不同类型的等离子体发生器产生的等离子体进行测量时，等离子体的空间分布均匀性、稳定性是衡量等离子体特性的关键指标。现有的测量等离子体的均匀性和稳定性通常采用的是朗缪尔(Langmuir)单探针的方式，然而，该朗缪尔单探针的方式只能对空间内的等离子体进行单点测量，存在测量效率低，测量误差大的问题。
发明内容
本公开实施例期望提供一种等离子体测量装置，能够提高测量效率和精度。
本公开实施例提供一种等离子体测量装置，包括：
移动台，用于在第一方向或第二方向上移动，所述第一方向与所述第二方向不同；
支撑架，位于所述移动台上，能够跟随所述移动台的移动而移动；
至少两个探针，位于所述支撑架上，用于通过所述支撑架的移动，与所述等离子体的至少两个点接触并同时测量所述至少两个点的等离子体特征参数。
在一些实施例中，所述支撑架的形状为十字形；
所述十字形的支撑架包括：四个分支架以及连接四个所述分支架的中心架；
四个所述分支架中的一个所述分支架与所述移动台相连；
至少两个所述探针，分别位于所述分支架和所述中心架上。
在一些实施例中，至少两个所述探针包括：第一探针、第二探针和第三探针；
所述第一探针位于所述中心架上；
所述第二探针和所述第三探针位于所述分支架上；
其中，所述第一探针、所述第二探针和所述第三探针分别为不同探针。
在一些实施例中，所述第一探针的探针头的尺寸小于所述第二探针的探针头的尺寸，所述第二探针的探针头的尺寸小于所述第三探针的探针头的尺寸；
所述第二探针与所述第一探针之间的距离小于所述第三探针与所述第一探针之间的距离。
在一些实施例中，所述分支架包括：
第一支撑杆，与所述中心架固定连接；
第二支撑杆，与所述第一支撑杆螺纹连接；
所述第二探针和所述第三探针，位于所述第二支撑杆上；
所述测量装置还包括：
驱动模组，与所述第二支撑杆相连，用于驱动所述第二支撑杆转动以改变所述第二探针与所述第一探针之间的距离以及改变所述第三探针与所述第一探针之间的距离。
在一些实施例中，位于同一平面的两个所述分支架上的所述第二支撑杆的螺纹转动方向相反。
在一些实施例中，不同所述分支架上的所述第二支撑杆的螺纹间距不同。
在一些实施例中，与所述移动台连接的第一分支架为由不锈钢材料形成的支架；
所述第一分支架以外的三个第二分支架为由聚四氟乙烯材料形成的支架。
在一些实施例中，所述探针包括：
绝缘探针杆，与所述支撑架相连，并垂直于所述支撑架。
在一些实施例中，所述绝缘探针杆的长度大于150毫米。
本公开实施例提供了一种等离子体测量装置，包括：移动台，用于在第一方向或第二方向上移动，第一方向与第二方向不同；支撑架，位于移动台上，能够跟随移动台的移动而移动；至少两个探针，位于支撑架上，用于通过支撑架的移动，与等离子体的至少两个点接触并同时测量至少两个点的等离子体特征参数。也就是说，一方面，本公开实施例在进行均匀性测量时，可以同时测量至少两个点的等离子体特征参数，能够减少测量时间，提高测量效率；同时，通过移动台的一次移动可以测量至少两个点的等离子体特征参数，能够减少移动台的移动次数，降低因移动台的移动次数增多对等离子体扰动的情况，进而减少测量误差，提高测量精度；另一方面，本公开实施例在进行稳定性测量时，能够依据同时测量至少两个点的等离子体特征参数确定等离子体的动态变化，相比于依据单点测量，能够提高评估等离子体稳定性的准确性。
附图说明
图1为本公开实施例提供的一种等离子体测量装置示意图一；
图2为本公开实施例提出的一种等离子体测量装置示意图二；
图3为本公开实施例提出的一种等离子体测量装置示意图三；
图4为本公开实施例提出的一种等离子体测量装置示意图四；
图5为本公开实施例提出的一种等离子体测量装置示意图五。
具体实施方式
为了使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施例作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本公开实施例的限制，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它实施例，都属于本公开实施例保护的范围。
现有的通过朗缪尔探针测量等离子体包括两种方式，一种是通过置于真空腔室外部的由波纹管连接的朗缪尔单探针进行一维移动测量，另一种是通过置于真空腔室内部的二维移动平台搭载的朗缪尔单探针进行测量。
通过现有的两种方式对等离子体空间分布的均匀性测量时，只能对空间内不同位置多点进行逐个扫描，测量每一个点的等离子体特征参数后，在假设测量过程中等离子体参数保持稳定的基础上才能得到等离子体空间分布的均匀性，存在测量效率低、测量误差大的问题。
通过现有的两种方式对等离子体空间分布的稳定性测量时，只能进行空间中单点的稳定性分析，进而依据该空间单点的稳定性测量评估整体等离子体的稳定性，存在稳定性评估测量不准确的问题。
基于此，本公开实施例提出了一种等离子体测量装置。图1为本公开实施例中提供一种等离子体测量装置示意图一。如图1所示，等离子体测量装置包括：
移动台11，用于在第一方向或第二方向上移动，第一方向与第二方向不同；
支撑架12，位于移动台11上，能够跟随移动台11的移动而移动；
至少两个探针13，位于支撑架12上，用于通过支撑架12的移动，与等离子体的至少两个点接触并同时测量至少两个点的等离子体特征参数。
本公开实施例中，等离子体测量装置用于测量等离子体的特征参数，该等离子体的特征参数用于表征等离子体的空间分布均匀性和稳定性。该等离子体的特征参数包括但不限于等离子体温度、等离子体密度、等离子体电位或悬浮粒子电位。
上述移动台能够在第一方向或第二方向上移动。该二维移动台可以包括第一方向移动层和第二方向移动层，通过有牙螺杆、线性无滚珠滑轨或者线性有滚珠滑轨可以实现第一方向移动层朝着第一方向移动，以及第二方向移动层朝着第二方向移动，进而实现移动台在不同方向上的移动。
在一些实施例中，第一方向与第二方向垂直。也就是说，该移动台为二维移动台，能够实现在一个平面上的二维移动。
上述支撑架的一端与该移动台固定连接，能够跟随该移动台的移动而移动。该支撑架用于支撑至少两个探针。示例性地，该支撑架的形状包括但不限于一字形、十字形或者圆形。
上述探针包括但不限于为朗缪尔探针，该朗缪尔探针测量过程为：把一根除了端点工作部分以外其余部分均用绝缘材料覆盖的细金属丝插入到等离子体内部，使端点工作部分与等离子体接触，而另一端通过一可调电源与产生等离子体的电极相连，改变该金属丝对等离子体的电位。通过带电粒子在拒斥场作用下的波尔兹曼关系可确定等离子体的温度和密度等特征参数。其中，上述金属丝为朗缪尔探针。
本公开实施例中，在利用至少两个探针进行测量时，可以向等离子体插入的探针施加电压，并测量探针通过的电流与所施加的电压的关系以得到该不同探针的电压和电流特性曲线，进而通过该不同探针的电压和电流特性曲线，能够同时得到至少两个点的等离子体特性参数。
示例性地，探针的电压扫描时间为毫秒量级，可以设置为至少进行100次电压扫描求平均值之后来得到不同探针的电压和电流特性曲线。相对于现有的测量一个点的等离子体特征参数需要耗时5至10秒，本公开实施例在该时间内可以同时测量至少两个点的等离子体特征参数，能够节约测量时间。
本公开实施例中，在测量等离子体时可以通过移动台的移动带动支撑架运动，进而可以带动至少两个探针与至少两个点的等离子体接触，同时测量得到该至少两个探针对应的至少两个点的等离子体的特征参数。如此，一方面，本公开实施例在进行均匀性测量时，可以同时测量至少两个点的等离子体特征参数，能够减少测量时间，提高测量效率；同时，通过移动台的一次移动可以测量至少两个点的等离子特征参数，能够减少移动台的移动次数，降低因移动台的移动次数增多对等离子体扰动的情况，进而减少测量误差，提高测量精度；另一方面，本公开实施例在进行稳定性测量时，能够依据同时测量至少两个点的等离子体特征参数确定等离子体的动态变化，相比于依据单点测量，能够提高评估等离子体稳定性的准确性。
在一种实施例中，如图2所示，支撑架的形状为十字形；
十字形的支撑架包括：四个分支架12a以及连接四个分支架的中心架12b；
四个分支架12a中的一个分支架12a与移动台11相连；
至少两个探针13，分别位于分支架12a和中心架12b上。
需要说明的是，十字形的支撑架中四个分支架的两个分支架与移动台的二维移动面垂直，另两个分支架与移动台的二维移动面平行。
本公开实施例中，分支架上设置有至少一个探针，中心架上设置有至少两个探针。也就是说，支撑架上的不同位置可以设置不同数量的探针。并且上述中心架上的探针与分支架上的探针可以相同或者不同，上述分支架上的探针也可以相同或者不同，本公开实施例不作限制。
本公开实施例中，通过移动台带动支撑架上在第一方向和第二方向移动能够实现等离子体特征参数的三维空间分布测量。并且，通过将至少两个探针设置在十字形的支撑架上，能够使得十字形的支撑架的各分支架上的探针可以同时测量等离子体空间内的两个方向上的，提高了测量效率。在进行稳定性测量时，能够一次得到二维平面中至少两点的等离子体特征参数，多次扫描后能够得到等离子体特征参数空间分布的动态变化，进而得到大动态范围等离子体电子温度、电子密度等特征参数三维时空分布的均匀性和稳定性。
在一种实施例中，如图3所示，至少两个探针包括：第一探针13a、第二探针13b和第三探针13c；
第一探针13a位于中心架上；
第二探针13b和第三探针13c位于分支架上；
其中，第一探针13a、第二探针13b和第三探针13c分别为不同探针。
上述第一探针位于中心架上，第二探针和第三探针间隔分布在分支架上，支撑架上有四个分支架。也就是说，本公开实施例可以在支撑架上设置九个探针，进而可以同时测量九个探针对应的九个点对应的等离子体特性参数。
需要说明的是，本公开实施例分支架上设置探针的个数并不限于上述设置的两个，其分支架上的探针数可以根据实际需要进行设置，例如，可以设置为3个或者5个，本公开实施例不作限制。
上述第一探针、第二探针和第三探针不同，该三个探针的不同可以包括探针的探针头的形状和/或尺寸不同，例如，形状和尺寸均不同或者形状相同但尺寸不同，本公开实施例不作限制。
需要说明的是，通过分析等离子体内粒子的热运动规律可得，等离子体源出口处的等离子体密度大，粒子之间的碰撞激烈，平均自由程短；而距离等离子体源出口较远位置的等离子体密度小，粒子之间碰撞频率低，平均自由程大，且在腔室壁面存在复合过程。因此，不同位置处的等离子体密度不同，进而导致不同位置处的等离子体稳定性也不同。
考虑到等离子体中不同位置的等离子体密度差别大，若使用一种类型的探针无法满足测量不同等离子体密度的需求。因此，本公开实施例将三种不同探针设置在支撑架上，使得在测量过程中，可以满足不同的等离子体密度的需求，进而在移动台移动不同方向时，可以同时精确测量高密度和低密度的等离子体，实现了等离子体特征参数的精确测量。
在一种实施例中，如图3所示，第一探针的探针头的尺寸小于第二探针的探针头的尺寸，第二探针的探针头的尺寸小于第三探针的探针头的尺寸；
第二探针与第一探针之间的距离小于第三探针与第一探针之间的距离。
在另一种实施例中，第一探针的探针头形状为柱状，第二探针的探针头形状和第三探针的探针头形状均为球状。
本公开实施例中，离中心架近的探针头尺寸小，离中心架远的探针头尺寸大。如此，通过第一探针可以测量第一密度的等离子体，通过第二探针可以测量第二密度的等离子体，通过第三探针可以测量第三密度的等离子体，第一密度大于第二密度，第二密度大于第三密度。并且，在测量高密度的等离子体时，如果采用球型的探针头可能会接触到相邻的两个点，因此，本公开实施例将第一探针的探针头设置为柱状，以减少测量扰动相邻点的可能，提高测量的精确度。
示例性地，第一探针包括为柱探针，第二探针和第三探针为形状相同尺寸不同球状探针。
本公开实施例中，假设第一探针、第二探针和第三探针分别为三种不同尺寸的朗缪尔探针，第三探针为大尺寸球状探针，第一探针为柱探针。等离子体饱和电流Ie0收集公式为(1)，其中，ne∞为未扰动等离子体的电子密度，AP为探针的收集面积，k是玻尔兹曼常数，Te为电子温度，e为电子所带的电荷，m为电子质量。
Figure BDA0002526030380000081
由上述公式(1)可知，第三探针比第二探针的尺寸即表面积大，第三探针比第二探针收集的饱和电流更大，故第三探针可测量低密度的等离子体，第一探针可测量高密度的等离子体。将三种不同探针进行组合，可以使得等离子体可测量的等离子体的密度范围为在1012m-3至1017m-3之间。显然，通过采用不同尺寸的探针的选择，可以依据不同密度利用不同的探针对等离子体进行测量，能够在大的空间范围内测得准确的等离子体特征参数。
另外，等离子体测量装置通过不同尺寸和形状的探针设置在支撑架上可以形成探针阵，以实现等离子体空间分布的稳定性和均匀性的测量。该等离子体测量装置还可以应用到其他等离子体测量领域中。例如，将探针阵中单探针的数量增加，尺寸减小，集成化后可用于等离子体刻蚀、等离子体镀膜、薄膜沉积等工业领域和电推力器羽流分析等航天领域。
需要说明的是，上述工业或航天领域中等离子体空间分布的特性直接影响刻蚀和薄膜沉积的速率和均匀性，测量等离子体空间分布均匀性十分重要。将本公开实施例的等离子体测量装置中的探针阵中单探针替换为发射探针、离子能量分析仪等不同类型的等离子体探针，还可以对空间电推力器地面试验中羽流的等离子体特性进行全面的诊断分析。
在一种实施例中，如图4所示，分支架包括：
第一支撑杆12a1，与中心架12b固定连接；
第二支撑杆12a2，与第一支撑杆12a1螺纹连接；
第二探针13b和第三探针13c，位于第二支撑杆12a2上。
测量装置还包括：
驱动模组，与第二支撑杆12a2相连，用于驱动第二支撑杆12a2转动以改变第二探针13b与中心架12b之间的距离以及改变第三探针13c与中心架12b之间的距离。
本公开实施例中，第二支撑杆与第一支撑杆螺纹连接，该第二支撑杆相对于第一支撑杆是可以活动的。需要说明的是，该第一支撑杆具有第一端和第二端，该第一端与中心架相连，该第二端具有与第二支撑杆上相匹配的螺纹以实现螺纹连接。
上述驱动模组通过驱动第二支撑杆转动，可以实现在不打开真空舱门的情况下调节第二支撑杆上的探针与中心架上的探针之间的距离，进而实现了探针对等离子体空间测量分辨率的调节。
示例性地，驱动模组包括但不限于同步电机、异步电机或者伺服电机。
本公开实施例，通过驱动模组带动第二支撑杆转动，能够调节不同探针之间的距离，进而改变了探针空间测量的分辨率，能够使得该等离子体测量装置适应于不同位置的等离子体密度不同的特性，使得稳定性测量更加准确。
在一种实施例中，位于同一平面的两个分支架上的第二支撑杆的螺纹转动方向相反。
也就是说，当驱动模组同时驱动平行于移动台的移动面的两个分支架上的第二支撑杆时，该两个分支架上的第二支撑杆分别朝着远离中心架的方向运动，或者分别朝着靠近中心架的方向运动。如此，可以灵活的调节第二支撑杆的转动方向以实现灵活的调整探针与中心架之间的距离。
在一种实施例中，不同的分支架上的第二支撑杆上的螺纹间距不同。
需要说明的是，第一支撑杆与第二支撑杆相互匹配，在第二支撑杆上的螺纹间距不同的基础上，与之匹配的第一支撑杆上的螺纹的间距也是不同的。
示例性地，螺纹间距可以设置为10毫米或者15毫米，本公开实施例不作限制。
本公开实施例中，假设第二支撑杆的螺纹螺距分为三段，第二支撑杆的移动距离S的计算公式为(2)。其中，n为转动圈数，k为第二支撑杆的螺纹数，h为第二支撑杆上的螺纹的螺距。
S＝n*k*h (2)
由上述公式(2)可知，当第二支撑杆的螺纹数相同时，探针移动距离与第二支撑杆上螺纹的螺距成正比。需要说明的是，本公开实施例可以通过设置第二支撑杆上的螺距以及螺纹数，以实现第二支撑杆可以移动不同的距离。
本公开实施例中，驱动模组带动第二支撑杆转动，第二支撑杆采用不同的螺距和不同的螺纹转动方向。如此，可以实现不同分支架的第二支撑杆上的探针距离中心架的移动距离成不同比例，以实现探针分辨率的调节。也就是说，本公开实施例不仅可以实现不同分支架上的第二支撑杆的转动方向的调节，还可以实现不同分支架上的第二支撑杆的移动距离的调节，进而使得探针的测量分辨率调节更加灵活，以适应不同场景的需求。
在一种实施例中，与移动台连接的第一分支架为由不锈钢材料形成的支架；
第一分支架以外的三个第二分支架为由聚四氟乙烯材料形成的支架。
需要说明的是，第一分支架可具有容置空间，各个分支架上探针的连接线可以通过该容置空间引出，电连接到前端电路上。该前端电路包括但不限于探针的驱动电路或供电电路。
通过本公开实施例，将与移动台连接的第一分支架设置为不锈钢，可以保证探针在竖直方向的准直性。将连接线设置在容置空间内，能够减少支撑结构的重量和线路对腔室中等离子体的扰动。
在一种实施例中，如图5所示，探针13包括：
绝缘探针杆15，与支撑架12相连，并垂直于支撑架12。
需要说明的是，探针还包括探针头，该探针头具有不同的形状和尺寸。上述绝缘探针杆一端连接支撑架，另一端连接该探针头。
本公开实施例中，绝缘探针杆可为由陶瓷材料形成的探针杆。
在一种实施例中，绝缘探针杆的长度大于150毫米。
通过本公开实施例，可以将探针向测量区域方向延伸，减少了支撑架上的探针对测量区域中的等离子体的扰动。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种等离子体测量装置，其特征在于，包括：
移动台，用于在第一方向或第二方向上移动，所述第一方向与所述第二方向不同；
支撑架，位于所述移动台上，能够跟随所述移动台的移动而移动；
至少两个探针，位于所述支撑架上，用于通过所述支撑架的移动，与所述等离子体的至少两个点接触并同时测量所述至少两个点的等离子体特征参数。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述支撑架的形状为十字形；
所述十字形的支撑架包括：四个分支架以及连接四个所述分支架的中心架；
四个所述分支架中的一个所述分支架与所述移动台相连；
至少两个所述探针，分别位于所述分支架和所述中心架上。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，至少两个所述探针包括：第一探针、第二探针和第三探针；
所述第一探针位于所述中心架上；
所述第二探针和所述第三探针位于所述分支架上；
其中，所述第一探针、所述第二探针和所述第三探针分别为不同探针。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述第一探针的探针头的尺寸小于所述第二探针的探针头的尺寸，所述第二探针的探针头的尺寸小于所述第三探针的探针头的尺寸；
所述第二探针与所述第一探针之间的距离小于所述第三探针与所述第一探针之间的距离。
5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述分支架包括：
第一支撑杆，与所述中心架固定连接；
第二支撑杆，与所述第一支撑杆螺纹连接；
所述第二探针和所述第三探针，位于所述第二支撑杆上；
所述测量装置还包括：
驱动模组，与所述第二支撑杆相连，用于驱动所述第二支撑杆转动以改变所述第二探针与所述第一探针之间的距离以及改变所述第三探针与所述第一探针之间的距离。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，位于同一平面的两个所述分支架上的所述第二支撑杆的螺纹转动方向相反。
7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，不同所述分支架上的所述第二支撑杆的螺纹间距不同。
8.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，与所述移动台连接的第一分支架为由不锈钢材料形成的支架；
所述第一分支架以外的三个第二分支架为由聚四氟乙烯材料形成的支架。
9.根据权利要求1至8任一项所述的测量装置，其特征在于，所述探针包括：
绝缘探针杆，与所述支撑架相连，并垂直于所述支撑架。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述绝缘探针杆的长度大于150毫米。
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