CN112415250A - 关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置及使用方法，属于等离子体领域。该装置包括依次连接的等离子体发射器、三探针、三探针电路、示波器和数据处理器；所述的三探针电路包括：两个直流电源、不间断电源UPS、4个电容和2个电阻；UPS直接给直流电源供电以保证直流电源的稳定性。同轴枪放电等离子体具有高密度、高温度、高速度等特点。再加上强流放电具有很强电磁干扰。此三探针诊断装置可以在强流脉冲放电同轴枪环境下诊断等离子体的密度和电子温度随时间的变化。实验中设计的三探针装置可以有效的减少放电过程中放电产生的的干扰，得到了很好的实际应用效果。

Description

关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊 断装置及使用方法

技术领域

本发明属于等离子体领域，用于测量在高真空条件下强流脉冲高速等离子体的电子温度以及电子密度。详细阐述了需要与等离子体接触测量的三探针装置的使用方法。

背景技术

作为物质的第四态，等离子体具有发光、高电导率、高化学活性等一系列独特的物理、化学特性，因而在诸多工业领域拥有良好的应用前景。而限制等离子体应用的主要因素，除大功率、大尺寸、均匀性以外，如何实现等离子体参数的精确测量也同样是一个不可忽视的重要问题。而在现阶段的工业生产以及实验研究中，等离子体作为物质的第四态扮演着极其重要的角色。等离子体参数诊断就显得尤为重要。在诊断等离子体的过程中，等离子体的电子温度和电子密度是重要的诊断参数。现阶段主要的等离子体参数诊断设备有光谱仪、单探针、双探针、激光干涉等方法。

通过使用光谱仪可以得到很多等离子体参数，比如等离子体密度，电子温度，各元素占比等。但是在使用光谱仪诊断等离子体时，其只能测量固定时间的积分结果，使用时响应时间长。ICCD可以缩短积分时间达到相对应的参数条件，但是对于单次脉冲的高移速等离子体，光谱仪结合ICCD使用时也只能拍摄单次的有限的等离子体信息。对于单探针和双探针只能测量相对均匀持续放电的等离子体。其最好的使用环境也是均匀，持续放电的等离子体。双探针的响应时间最短为1ms。对于在高移动速度(km/s量级)、放电周期在微秒量级的等离子体诊断中，如果想得到等离子体的变化参数，上述仪器均很难适用。

在实际应用中，测量强流脉冲高速等离子体是一项很重要的技术。激光干涉仪在使用过程中需要调节光路，无论是在工业生产还是实验室研究中每次测量之前的准备工作都会需要消耗大量的时间。而且激光干涉仪成本昂贵，适用的条件比较苛刻。其只能够测量电子密度，对于等离子体诊断设备来说性价比不高。

在强流脉冲放电过程中，总是伴随着震动与电磁干扰，使得上述仪器在使用过程中信噪比过大，甚至于噪声远远高于真实信号。

三探针在实际测量强流脉冲等离子体的过程中体现了其多方面的优点。三探针诊断设备在制作成本上很低，只需要普通的电子元件。在原理上其响应时间可以达到μs量级甚至ps量级。在使用过程中可以通过优化电路等方式减少信号干扰。在三探针的回路里有两个直流源，直流源可以减少放电过程中的干扰信号。测量等离子体参数的量程很大，可以通过更换电路中的电阻以便改变等离子体的测量量程。三探针设备搭建方便，制作完成后只需要将三探针诊断设备放置到到等离子体的移动路径，当等离子经过时其电回路连通，便可以得到想要的电学参数，通过对电学参数的计算得到等离子体在移动过程中，在接触三探针的部分的参数变化。

发明内容

本发明主要攻克的问题为用于诊断强流脉冲高速等离子体的电子密度和电子温度，以下为所使用的诊断装置的介绍以及详细使用方法：

本发明的技术方案为：

关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，该装置包括依次连接的等离子体发射器、三探针、三探针电路、示波器和数据处理器；所述的三探针电路包括：两个直流电源、不间断电源UPS、4个电容和2个电阻；UPS直接给直流电源供电以保证直流电源的稳定性。三探针与等离子体接触部分选用了三根钨丝，标记为P1、P2、P3。两个直流电源的电压不同。两个直流电源的正极直接相连，再与三探针的一根钨丝P1连接。两个电源的负极都与4Ω电阻的一端连接，另一端与三探针另外两根钨丝P2、P3连接。在直流电源两端与电阻两端都并联电容，用以减少信号干扰。三探针的电路装置不接地，且为悬浮状态。

进一步的，所述的2个直流电源分别标记直流电源A和直流电源B，其中，直流电源A调节电压为3V，直流电源B调节电压为9V。

进一步的，所述的两个电源的负极都与4Ω电阻的一端连接。

进一步的，所述的直流源两端与电阻两端都并联的电容为1000pF。

关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置的使用方法，具体如下：

S1、开启等离子体发射器，三探针置于在真空腔室中；

S2、在回路电源两端以及电阻两端并联1000pF的电容，设：

1、等离子体的电子能量分布为麦克斯韦分布。

2、电子的平均自由程远大于每个探针周围离子鞘的厚度和探针半径。

3、离子鞘的厚度小于探针间的间隔，探针间的相互作用效应忽略不计。

需要测量电路的四个电位，P2和P3的电位分别标记为ch1和ch2，直流电源A负极和直流电源B两端电位分别标记为ch3和ch4；示波器的地线与P1连接。在实验过程中为了避免干扰，示波器也要处于悬浮状态。三个探针的电压分别为V1、V2、V3，本次实验为了与等离子体进行匹配，电阻选择了4Ω。在回路中可以看出电流间的相互关系为：

I₁＝I₂+I₃ (1)

其中I₁、I₂、I₃分别为P1、P2、P3上的电流。I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A。电压间的关系为：

其中I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A。电压间的关系为：

其中，V1表示探针P1的电位，V2表示探针P2的电位，V3表示探针P3的电位；Vd2表示P1和P2之间的电压差，Vd3表示P1和P3之间的电压差。

流入各探针内的电流可以表达为：

-I₁＝-SJ_eexp(-φV₁)+SJ_i(V₁) (3)

I₂＝-SJ_eexp(-φV₂)+SJ_i(V₂) (4)

I₃＝-SJ_eexp(-φV₃)+SJ_i(V₃) (5)

其中：J_e为电子饱和电流密度，J_i为离子饱和电流密度，S为探针的表面积，k为玻尔兹曼常数，e和m_e分别为电子电量和电子质量。与电子饱和电流相比，离子饱和电流的相对变化可忽略不计：

通过公式(3)，(4)，(5)可以得出：

通过公式(8)可以计算出电子温度T_e。将公式(4)和(5)中的SJ_e消去，可以得到：

其中：

ΔV_d≡V_d3-V_d2＝V₃-V₂ (10)

通过公式(9)便可得出饱和离子电流通道J_i。在探针周围的离子鞘层区产生的电场可以部分穿透外部的等离子体区，形成通常称为“准中性等离子体区”的区域。准静态区与鞘层交界处的电位为：

当T_e>>T_i时，可以计算低压等离子体在离子鞘边界处的速度和离子电流密度：

其中，m_i和n_is分别为鞘层边界的离子质量与离子密度。在准中性区域中，电子密度n_es与粒子密度n_is近似相等，并且电子满足麦克斯韦能量分布，则有：

其中n_e为所要求的电子密度。离子鞘层表面积S’可以认为与探针的实际表面积S近视相等。那么从公式(12)、(13)中可以得出：

通过公式(7)电子饱和密度可以写为：

以上，便可得出电子密度n_e。

为了增加三探针的寿命，与等离子体接触的部分选用钨丝。其余部分使用同轴线进行了连接。在测量过程中，探针要正对着等离子体的移动方向，这样可以增加使用寿命，也可以防止金属离子的溅射。

本发明的有益效果：同轴枪放电等离子体具有高密度、高温度、高速度等特点。再加上强流放电具有很强电磁干扰。此三探针诊断装置可以在强流脉冲放电同轴枪环境下诊断等离子体的密度和电子温度随时间的变化。实验中设计的三探针装置可以有效的减少放电过程中放电产生的的干扰，得到了很好的实际应用效果。

附图说明

图1(a)为三探针诊断装置原理图。

图1(b)为三探针诊断装置各探针的电位。

图2为三探针诊断实际应用原理图。

图3为未解除等离子体时三探针测得的背景信号。

图4为接触等离子体后的三探针测量信号。

图5(a)为计算得到的电子温度随时间的变化。

图5(b)为计算得到的电子密度随时间的变化。

具体实施方式

图1(a)、图1(b)为三探针诊断装置原理图以及各探针的电位。装置整体不接地，保持悬浮状态，这是因为在强电流放电过程中，地线也会受到很大的干扰，导致地线电位有波动，因此无法维持零电位。整个电路由碱性干电池供电，如果测量过程中等离子体的电阻小至mΩ量级，那么就需要考虑干电池的内阻问题。电池的内阻过大会使等离子体分压趋近于0，导致测量不准确。解决办法就是，将回路中的干电池变为直流源，并与UPS配合使用，以防止直流源受到其他电信号的干扰。

在回路电源两端以及电阻两端并联1000pF的电容。并联电容是为了过滤掉放电过程中干扰的交流电信号。

探针理论常用的三个基本假设：

1、等离子体的电子能量分布为麦克斯韦分布。

2、电子的平均自由程远大于每个探针周围离子鞘的厚度和探针半径。

3、离子鞘的厚度小于探针间的间隔，因此探针间的相互作用效应可以忽略。

实验中需要测量电路的四个电位，P2和P3的电位分别标记为ch1和ch2，直流电源A负极和直流电源B两端电位分别标记为ch3和ch4。

图1(a)中的ch1、ch2、ch3、ch4为接入示波器的四个电位，示波器的地线与P1连接。在实验过程中为了避免干扰，示波器也要处于悬浮状态。三个探针的电压分别为V1、V2、V3，本次实验为了与等离子体进行匹配，电阻选择了4Ω。在回路中可以看出电流间的相互关系为：

I₁＝I₂+I₃ (1)

其中I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A。电压间的关系为：

流入探针内的电流可以表达为：

-I₁＝-SJ_eexp(-φV₁)+SJ_i(V₁) (3)

I₂＝-SJ_eexp(-φV₂)+SJ_i(V₂) (4)

I₃＝-SJ_eexp(-φV₃)+SJ_i(V₃) (5)

其中：J_e为电子饱和电流密度，J_i为离子饱和电流密度，S为探针的表面积，k为玻尔兹曼常数，e和m_e分别为电子电量和电子质量。与电子饱和电流相比，离子饱和电流的相对变化可忽略不计：

通过公式(3)，(4)，(5)可以得出：

通过公式(8)可以计算出电子温度T_e。将公式(4)和(5)中的SJ_e消去，可以得到：

其中：

ΔV_d≡V_d3-V_d2＝V₃-V₂ (10)

通过公式(9)便可得出饱和离子电流通道J_i。在探针周围的离子鞘层区产生的电场可以部分穿透外部的等离子体区，形成通常称为“准中性等离子体区”的区域。准静态区与鞘层交界处的电位为：

当T_e>>T_i时，可以计算低压等离子体在离子鞘边界处的速度和离子电流密度：

其中，m_i和n_is分别为鞘层边界的离子质量与离子密度。在准中性区域中，电子密度n_es与粒子密度n_is近似相等，并且电子满足麦克斯韦能量分布，则有：

其中n_e为所要求的电子密度。离子鞘层表面积S’可以认为与探针的实际表面积S近视相等。那么从公式(12)、(13)中可以得出：

通过公式(7)电子饱和密度可以写为：

以上，便可得出电子密度n_e。

为了增加三探针的寿命，与等离子体接触的部分选用钨丝。其余部分使用同轴线进行了连接。在测量过程中，探针要正对着等离子体的移动方向，这样可以增加使用寿命，也可以防止金属离子的溅射。

图2的等离子体源为强流脉冲放电装置，主要由柱形同轴枪，电容电源，火花开关组成。将充电电容的两端连接到同轴枪的正负极，并接入火花开关。当电容充好电之后打开火花开关，使同轴枪击穿产生等离子体。在回路中放入电流探头连接到示波器中作为触发信号。放电装置整体需要接地。

将三探针的回路从真空腔室中引出，连接入电路后接到示波器中。实验中还需要测量回路放电电流作为触发信号。同轴枪的放电电压9kV，脉宽为20μs，最大电流150kA。整个放电回路为一个衰减的正弦曲线。

首先要观察放电过程中的干扰信号，将三探针偏离同轴枪的放电区域，使同轴枪放电过程中所产生的等离子体与三探针互不接触。如图3所示，可以发现探针信号干扰很低。这一步证明，除了等离子体外，没有很强的信号进入到三探针中。

验证了放电时产生了干扰外，就可以将三探针放置在正对着等离子体运动方向的位置。当放电电压9kV时，可以从示波器中得到图4的信号。

从图4中可以发现ch3与ch4也有信号，这是因为在三探针电路中的电源使用的干电池，干电池本身自带电阻。

将探针得到的信号通过上述的公式(8)与公式(14)进行计算，可以得出等离子体的电子温度以及电子密度随时间的变化。

图5(a)和图5(b)得出电子温度以及电子密度随时间的变化。在放电电压9kV的条件下，放电回路电流可以达到150kA。也可以从图5(a)和图5(b)中看出有多团等离子体从同轴枪枪口喷出。等离子体的电子温度为15eV左右，第一团的等离子体密度最大，达到8*10¹⁵/cm³左右。

Claims (6)

1.关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，该装置包括依次连接的等离子体发射器、三探针、三探针电路、示波器和数据处理器；所述的三探针电路包括：两个直流电源、不间断电源UPS、4个电容和2个电阻；UPS直接给直流电源供电以保证直流电源的稳定性；三探针与等离子体接触部分选用了三根钨丝，标记为P1、P2、P3；两个直流电源的电压不同；两个直流电源的正极直接相连，再与三探针的一根钨丝P1连接；两个电源的负极都与4Ω电阻的一端连接，另一端与三探针另外两根钨丝P2、P3连接；在直流电源两端与电阻两端都并联电容，用以减少信号干扰；三探针的电路装置不接地，且为悬浮状态。

2.根据权利要求1所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，所述的2个直流电源分别标记直流电源A和直流电源B，其中，直流电源A调节电压为3V，直流电源B调节电压为9V。

3.根据权利要求1或2所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，所述的两个电源的负极都与4Ω电阻的一端连接。

4.根据权利要求1或2所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，所述的直流源两端与电阻两端都并联的电容为1000pF。

5.根据权利要求3所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，所述的直流源两端与电阻两端都并联的电容为1000pF。

6.权利要求1-5任一所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置的使用方法，其特征在于，具体如下：

S1、开启等离子体发射器，三探针置于在真空腔室中；

S2、在回路电源两端以及电阻两端并联1000pF的电容，设：

1、等离子体的电子能量分布为麦克斯韦分布；

2、电子的平均自由程远大于每个探针周围离子鞘的厚度和探针半径；

3、离子鞘的厚度小于探针间的间隔，探针间的相互作用效应忽略不计；

需要测量电路的四个电位，P2和P3的电位分别标记为ch1和ch2，直流电源A负极和直流电源B两端电位分别标记为ch3和ch4；示波器的地线与P1连接；在实验过程中为了避免干扰，示波器也要处于悬浮状态；三个探针的电压分别为V1、V2、V3，本次实验为了与等离子体进行匹配，电阻选择了4Ω；在回路中可以看出电流间的相互关系为：

I₁＝I₂+I₃ (1)

其中I₁、I₂、I₃分别为P1、P2、P3上的电流；I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A；电压间的关系为：

其中I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A；电压间的关系为：

其中，V1表示探针P1的电位，V2表示探针P2的电位，V3表示探针P3的电位；Vd2表示P1和P2之间的电压差，Vd3表示P1和P3之间的电压差；

流入各探针内的电流可以表达为：

-I₁＝-SJ_eexp(-φV₁)+SJ_i(V₁) (3)

I₂＝-SJ_eexp(-φV₂)+SJ_i(V₂) (4)

I₃＝-SJ_eexp(-φV₃)+SJ_i(V₃) (5)

其中：J_e为电子饱和电流密度，J_i为离子饱和电流密度，S为探针的表面积，k为玻尔兹曼常数，e和m_e分别为电子电量和电子质量；与电子饱和电流相比，离子饱和电流的相对变化可忽略不计：

通过公式(3)，(4)，(5)可以得出：

通过公式(8)可以计算出电子温度T_e；将公式(4)和(5)中的SJ_e消去，可以得到：

其中：

ΔV_d≡V_d3-V_d2＝V₃-V₂ (10)

通过公式(9)便可得出饱和离子电流通道J_i；在探针周围的离子鞘层区产生的电场可以部分穿透外部的等离子体区，形成通常称为“准中性等离子体区”的区域；准静态区与鞘层交界处的电位为：

当T_e>>T_i时，可以计算低压等离子体在离子鞘边界处的速度和离子电流密度：

其中，m_i和n_is分别为鞘层边界的离子质量与离子密度；在准中性区域中，电子密度n_es与粒子密度n_is近似相等，并且电子满足麦克斯韦能量分布，则有：

其中n_e为所要求的电子密度；离子鞘层表面积S’可以认为与探针的实际表面积S近视相等；那么从公式(12)、(13)中可以得出：

通过公式(7)电子饱和密度可以写为：

以上，便可得出电子密度n_e。

Images