CN113447682B - 探针针头及静电探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了探针针头及静电探针，探针针头由同轴且直径不同的圆柱体组成，包括针头头段、针头过渡段、热容池段和针头尾段，其中，针头头段的直径小于针头过渡段的直径，针头过渡段的直径小于热容池段的直径，针头尾段的直径小于热容池段的直径，探针针头采用高热导率石墨加工而成。本发明通过设计合理的探针针头和探针模块结构，使热容池段具有较大的直径，用于缓冲、分散探针头部接收到的大量热流，避免石墨针头过热甚至被严重烧蚀；本发明所述静电探针可通过选用不同长度的石墨针头、不同的后端连接电路以及不同的模块化探针底座设计，将测量不同空间位置、不同物理量的多根静电探针排列、组合在同一套静电探针系统中，以实现不同的测量目的。

Description

探针针头及静电探针

技术领域

本发明涉及等离子放电参数诊断技术领域，具体涉及探针针头及静电探针。

背景技术

对于磁约束核聚变装置，当前的关键问题之一是如何提高和维持等离子体的约束性能，从而实现高温(约一亿度)、高密度(不低于10¹⁴cm^-3)等离子体的长时间(大于100秒)稳态放电，实现持续的能源供给。

静电探针是用于测量等离子体放电参数最成熟、最直接的诊断设备，通过测量静电探针上的电压或电流，可有效地计算得到等离子体温度、密度、电势及流速等物理量的平衡剖面和数值涨落，且通过将多根不同类型的探针组合，可以实现对上述物理量的多点、同步测量。

虽然静电探针是目前磁约束核聚变研究中最为有效和可靠的诊断手段之一，但同时在测量应用中存在一系列的问题，且随着磁约束核聚变等离子体放电参数的提升，一些问题会愈发凸显，限制了静电探针的可靠性和应用。典型地，在高参数等离子体环境中，传统结构的静电探针极易过热，会相应地带来三方面的主要问题：其一，静电探针头部一般使用导电的钨、钽等金属材料或石墨材料制成，在探针表面过热时，金属或石墨材料会大量溅射杂质，污染主等离子并严重影响等离子体整体的放电参数和约束状态；其二，探针被严重烧蚀后，其形状和表面积会发生变化，使原先的计算等离子体参数的公式不再适用，从而使静电探针测量失准；其三，即使静电探针的烧蚀没有明显改变探针形状和其表面积，在探针过热时，其表面会产生强烈的二次电子发射效应，从而使探针上的电压或电流明显改变，同样会导致静电探针的测量严重失准。

发明内容

本发明的目的在于提供探针针头及静电探针，解决现有静电探针极易过热的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

探针针头，由同轴且直径不同的圆柱体组成，包括针头头段、针头过渡段、热容池段和针头尾段，其中，针头头段的直径小于针头过渡段的直径，针头过渡段的直径小于热容池段的直径，针头尾段的直径小于热容池段的直径，所述探针针头采用石墨加工而成，所述石墨为高热导率石墨。

本发明所述热容池段具有较大的直径，用于缓冲、分散探针头部接收到的大量热流，避免石墨针头过热甚至被严重烧蚀。

进一步地，针头头段的直径为2mm，针头过渡段的直径为3.5mm，热容池段的直径为4.5mm，所述针头尾段为2.5mm。

进一步地，针头头段的直径为2mm，长为3mm～10mm；针头过渡段的直径为3.5mm，长为5mm～10mm；热容池段的直径为4.5mm，长为15～25mm；所述针头尾段直径为2.5mm，长为5.5mm。

进一步地，包括探针针头、骨架和外壳；

所述骨架安装于外壳内，用于固定探针针头，所述骨架包括骨架头段、骨架中段和骨架尾段，所述骨架头段、骨架中段和骨架尾段内设置有相互连通的第一通槽、第二通槽和第三通槽，所述第一通槽用于嵌入针头过渡段和热容池段，所述第二通槽用于嵌入针头尾段，所述针头尾段的端部与连接端子连接，相邻探针针头之间、以及探针针头与外壳之间互不接触导通，所述针头头段的端部凸出于外壳。

本发明除了对探针针头的结构进行特殊设计外，静电探针总体由多层、多级结构组成，在探针最外层是石墨外壳，内部则是由氮化硼陶瓷材料加工而成的用于固定石墨针头的多段式骨架，针头之间及针头与石墨外壳不相互接触导通，石墨外壳由安装于四面的螺柱固定于不锈钢支撑筒上。在陶瓷探针骨架中，则使用标准的M39029/57-359型铜质连接端子(冠簧)将石墨针头与后端导线连接。

在上述基本模块化结构的基础上，可通过选用不同长度的石墨针头、不同的后端连接电路以及不同的探针底座设计，可将测量不同空间位置、不同物理量的多根静电探针排列、组合在同一套静电探针系统中，以实现不同的测量目的。

进一步地，外壳采用石墨制成，所述骨架采用氮化硼陶瓷制成。

进一步地，还包括支撑筒、绝缘垫片和底座；

所述支撑筒设置在外壳内用于支承骨架，所述支撑筒的底部与底座连接，所述支撑筒和底座之间设置有绝缘垫片。

进一步地，支撑筒和底座均采用不锈钢制成，所述绝缘垫片采用聚四氟乙烯制成。

进一步地，骨架和支撑筒之间通过紧固螺杆连接。

进一步地，底座包括圆盘，所述圆盘的上端面设置有与之同轴的长方柱，所述长方柱与支撑筒连接。

进一步地，外壳的顶部设置为阶梯结构，不同的探针针头布置在不同的台阶上。

采用阶梯结构，可以实现不同空间位置的多点同步测量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过设计合理的探针针头的结构，使所述热容池段具有较大的直径，用于缓冲、分散探针头部接收到的大量热流，避免石墨针头过热甚至被严重烧蚀。

2、本发明通过设计合理的嵌套结构，使所述探针针头、陶瓷骨架等易碎部件在保证良好电工性能的同时能够承受较大的运动过载，适用于高压气动推进或电动推进的快速探针系统。

3、本发明通过所述静电探针可通过选用不同长度的石墨针头、不同的后端连接电路以及不同的探针底座设计，可将测量不同空间位置、不同物理量的多根静电探针排列、组合在同一套静电探针系统中，以实现不同的测量目的。

4、本发明具有结构尺寸小，热负荷承受能力强的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为探针针头的结构示意图；

图2为实施例2多台阶静电探针剖面图；

图3为实施例2多台阶静电探针整体外观图；

图4为实施例2多台阶静电探针内部主要结构的分解示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-探针针头，2-外壳，3-定位螺柱，4-底座，5-骨架头段，6-骨架中段，7-骨架尾段，8-连接端子，9-紧固螺杆，10-支撑筒，11-绝缘垫片；1-1-针头头段，1-2-针头过渡段，1-3-热容池段，1-4-针头尾段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，探针针头，由同轴且直径不同的圆柱体组成，包括针头头段1-1、针头过渡段1-2、热容池段1-3和针头尾段1-4，其中，针头头段1-1的直径小于针头过渡段1-2的直径，针头过渡段1-2的直径小于热容池段1-3的直径，针头尾段1-4的直径小于热容池段1-3的直径，所述探针针头采用高热导率石墨加工而成。

在本实施例中，所述针头头段1-1的直径为2mm，长为3mm～10mm；针头过渡段1-2的直径为3.5mm，长为5mm～10mm；热容池段1-3的直径为4.5mm，长为15～25mm；所述针头尾段1-4直径为2.5mm，长为5.5mm。

实施例2：

如图2-图4所示，包括实施例1所述探针针头1的静电探针，本实施例以典型的等离子体诊断用静电探针阵列进行说明，可以同时测量不同径向位置处的等离子体参数，由探针针头1、氮化硼陶瓷制成的骨架、石墨制成的外壳2由内至外嵌套连接，不锈钢制成的支撑筒10、聚四氟乙烯制成的绝缘垫片11、不锈钢制成的底座4依次连接于骨架后端并与前端通过紧固螺杆9进行紧固连接。

其中，所述骨架包括骨架头段5、骨架中段6和骨架尾段7，内设置有相互连通的第一通槽、第二通槽和第三通槽，所述第一通槽用于嵌入针头过渡段1-2和热容池段1-3，所述第二通槽用于嵌入针头尾段1-4，所述针头尾段1-4的端部与连接端子8连接，相邻探针针头1之间、以及探针针头1与外壳2之间互不接触导通，所述针头头段1-1的端部凸出于外壳2。

其中，多个探针针头1的基本结构类似，针头头段1-1的直径为2mm，长为3mm～10mm；针头过渡段1-2的直径为3.5mm，长为5mm～10mm；热容池段1-3的直径为4.5mm，长为15～25mm；所述针头尾段1-4直径为2.5mm，长为5.5mm。

骨架呈长方体结构，沿高度方向分成三段设计，骨架头段5长20～50mm，宽20mm～40mm，高15mm～40mm，块内沿高度方向开有10个沉头孔，沉头孔与静电探针头段和过渡段尺寸配合；骨架中段6的长、宽与骨架头段5相同，高5～15mm，骨架中段6上开孔与连接端子8的前端配合，并与骨架头段5一起将探针针头1夹紧；骨架尾段7与骨架头段5的长、宽相同，高5～10mm，开孔与连接端子8的后端配合，并与骨架中段6一起将连接端子8夹紧。连接端子8(冠簧)前端与针头尾段1-4接触连接，末端通过压接方式与导线相连，引出信号骨架两侧开有直径1～2mm的贯穿孔用于安装紧固螺杆9，支撑筒10的长宽与骨架相同，高20～40mm，壁厚1.5～3mm，上端开口，下端平面中心开有一个直径10～20mm过线孔、4个直径3～6mm安装孔和4个直径1～2mm用于固定紧固螺杆9的通孔；外壳2和骨架之间的横向通过定位螺柱3固定；底座4的上端为长方柱，长15～35mm，宽10～20mm；下端为圆盘，直径30～50mm；长方柱与圆盘同轴，在中心沿高度方向开直径10～16mm通孔，长方柱上方开有直径1.6～3mm螺纹孔，开孔位置与支撑筒10下平面的安装孔对齐。支撑筒10的下平面与底座4的上平面间使用聚四氟乙烯制成的绝缘垫片11隔开，绝缘垫片11的长15～35mm，宽10～20mm，中心开通孔直径10～16mm，并开直径3～6mm通孔，开孔位置与支撑筒10的下平面安装孔对齐。

如图3所示，外壳2整体呈方筒形，内部长20～50mm，宽20～40mm，与骨架、支撑筒10外表面配合，外壳2高60～150mm，上平面有两个凸起台，凸台呈台阶形，每个台阶高2～5mm，最高台开有4个直径3～5mm通孔，第二个台有2个3～5mm通孔，最低台(石墨上平面)有4个3～5mm通孔，10个孔2个一排呈交错排列为5排。探针头段1-1由这些通孔中伸出台阶表面1～4mm，可通过在每根探针针头1后段连接不同的分压、采样电路实现不同的测量功能，例如悬浮电位探针、饱和离子流探针、扫描探针等，并将这些不同测量功能的探针以不同的排列方式组合成多台阶、多功能探针测量阵列。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.静电探针，其特征在于，包括探针针头（1）、骨架和外壳（2）；

所述探针针头（1）由同轴且直径不同的圆柱体组成，包括针头头段（1-1）、针头过渡段（1-2）、热容池段（1-3）和针头尾段（1-4），其中，针头头段（1-1）的直径小于针头过渡段（1-2）的直径，针头过渡段（1-2）的直径小于热容池段（1-3）的直径，针头尾段（1-4）的直径小于热容池段（1-3）的直径，所述探针针头采用石墨加工而成；

所述骨架安装于外壳（2）内，用于固定探针针头（1），所述骨架包括骨架头段（5）、骨架中段（6）和骨架尾段（7），所述骨架头段（5）、骨架中段（6）和骨架尾段（7）内设置有相互连通的第一通槽、第二通槽和第三通槽，所述第一通槽用于嵌入针头过渡段（1-2）和热容池段（1-3），所述第二通槽用于嵌入针头尾段（1-4），所述针头尾段（1-4）的端部与连接端子（8）连接，所述第三通槽用于引出连接端子（8），骨架中段（6）和骨架尾段（7）相配合夹紧接端子（8），相邻探针针头（1）之间、以及探针针头（1）与外壳（2）之间互不接触导通，所述针头头段（1-1）的端部凸出于外壳（2）。

2.根据权利要求1所述的静电探针，其特征在于，所述针头头段（1-1）的直径为2mm，针头过渡段（1-2）的直径为3.5mm，热容池段（1-3）的直径为4.5mm，所述针头尾段（1-4）的直径为2.5mm。

3.根据权利要求2所述的静电探针，其特征在于，所述针头头段（1-1）的直径为2mm，长为3mm～10mm；针头过渡段（1-2）的直径为3.5mm，长为5mm～10mm；热容池段（1-3）的直径为4.5mm，长为15～25mm；所述针头尾段（1-4）直径为2.5mm，长为5.5mm。

4.根据权利要求1所述的静电探针，其特征在于，所述外壳（2）采用石墨制成，所述骨架采用氮化硼陶瓷制成。

5.根据权利要求1所述的静电探针，其特征在于，还包括支撑筒（10）、绝缘垫片（11）和底座（4）；

所述支撑筒（10）设置在外壳（2）内用于支承骨架，所述支撑筒（10）的底部与底座（4）连接，所述支撑筒（10）和底座（4）之间设置有绝缘垫片（11）。

6.根据权利要求5所述的静电探针，其特征在于，所述支撑筒（10）和底座（4）均采用不锈钢制成，所述绝缘垫片（11）采用聚四氟乙烯制成。

7.根据权利要求5所述的静电探针，其特征在于，所述骨架和支撑筒（10）之间通过紧固螺杆（9）连接。

8.根据权利要求5所述的静电探针，其特征在于，所述底座（4）包括圆盘，所述圆盘的上端面设置有与之同轴的长方柱，所述长方柱与支撑筒（10）连接。

9.根据权利要求1所述的静电探针，其特征在于，所述外壳（2）的顶部设置为阶梯结构，不同的探针针头（1）布置在不同的台阶上。

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