CN113543439B - 发射探针及用于等离子体诊断的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发射探针及用于等离子体诊断的方法，属于等离子体诊断技术领域，包括支架；支架的一端设有电子发射部；支架的外部设有偏置电压加载部，偏置电压加载部位于靠近电子发射部的一端；其中，使用的发射探针进行等离子体诊断时，电子发射部的一端和偏置电压加载部均连接外部偏置电压加载电路。本发明等离子体空间电位由发射探针零发射极限时的伏安特性曲线的拐点电势直接给出，测量过程简单，避免了电子发射电流对特性曲线的影响，降低了发射探针灯丝温度对等离子体的扰动影响，延长了发射探针使用寿命，提高了等离子体的电子密度以及电子能量分布函数等参数的计算准确性，保证对等离子体空间电位测量结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体诊断技术领域，具体涉及一种发射探针及用于等离子体诊断的方法。
背景技术
等离子体空间电位作为描述等离子体的重要参数，其准确测量无论是在低温等离子体工业应用、等离子体鞘层结构研究以及等离子体静电探针诊断中都具有举足轻重的作用。尤其是在等离子体静电探针诊断中，根据经典的朗缪尔探针理论，朗缪尔单探针I-V特性曲线的一阶导峰值电势(即伏安特性曲线的拐点电势)即为等离子体空间电位，该电位所对应的探针收集电流即为电子饱和收集电流。因此，以拐点电势作为基准点进一步分析探针伏安特性曲线过渡区的电流信号就能够得到等离子体的电子密度、电子温度以及电子能量分布函数等其他参数。
在现有的静电探针诊断技术中，由于发射探针具有工作温度高、探针不易污染以及电子发射电流不易受环境因素干扰等优点，因而在等离子体空间电位准确测量方面具有独特的优势。在目前所有的发射探针诊断技术中，发射探针的零发射极限拐点电势法被认为是能够最准确地获得等离子体空间电位的方法。该方法的基本依据是：在发射探针的电子发射过程中，由于电子发射所引起的空间电荷效应能够改变发射探针I-V特性曲线拐点电势的位置，并且随着电子发射的增强，发射探针灯丝周围的空间电荷效应逐渐增强，最终导致探针I-V特性曲线的拐点电势近似呈线性下降。因此，通过测量多条不同电子发射状态下的发射探针I-V特性曲线，分别获得发射探针拐点电势以及电子发射电流与灯丝加热电流之间的关系，最后通过线性拟合拐点电势与灯丝加热电流的关系并外推至电子发射电流为零处，如此获得的零发射极限拐点电势能够有效避免空间电荷效应对测量结果的影响，即为准确的等离子体空间电位。
尽管发射探针的零发射极限拐点电势法能够获得最准确的等离子体空间电位，然而这种方法具有非常繁琐的操作流程和大量的实验数据处理任务，尤其是不适宜利用该方法进行等离子体空间分布测量以及鞘层结构测量等等。此外，与发射探针灯丝连接处的支架上存在的悬浮鞘层能够对金属探针产生一定的遮挡，即形成所谓的“终端效应”，从而影响探针灯丝的电子收集电流以及有效的电流收集面积，并且电子发射电流的存在也能够显著改变发射探针I-V特性曲线的形状以及拐点的位置，这些因素最终导致无法利用发射探针获得可靠的电子温度、电子密度等其他等离子体参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够获得多个等离子体参数、简化等离子体参数诊断操作流程的发射探针及用于等离子体诊断的方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种发射探针，包括：
支架；
所述支架的一端设有电子发射部；
所述支架的外部设有偏置电压加载部，所述偏置电压加载部位于靠近所述电子发射部的一端；使用所述的发射探针进行等离子体诊断时，所述电子发射部的一端和所述偏置电压加载部均连接外部偏置电压加载电路。
优选的，所述电子发射部的另一端连接另一支架，该另一支架上设有另一偏置电压加载部，该偏置电压加载部位于靠近所述电子发射部的一端；两个所述偏置电压加载部之间电性连接。
优选的，所述支架内设有导电部，所述导电部的一端连接所述电子发射部。
优选的，所述支架的一端封装有导电胶，所述导电部与所述导电胶连接，所述电子发射部的一端穿过所述导电胶伸入所述支架内与所述导电部连接。
优选的，所述支架由绝缘材料制成。
优选的，所述电子发射部由电子发射材料制成。
优选的，所述导电部由金属材料制成。
优选的，所述偏置电压加载部为设于所述支架周围的一层导电材料层。
第二方面，本发明提供一种使用如上所述的发射探针进行等离子体诊断的方法，包括：
将发射探针置于待测等离子体中，对电子发射部进行加热，对电子发射部和等离子体接地电极之间施加扫描偏置电压，同时对偏置电压加载部施加相同的扫描偏置电压，获得发射探针的电流-电压特性曲线；
改变电子发射部的加热状态，获得不同加热状态时的电流-电压特性曲线；基于每条电流-电压特性曲线的电子发射电流，保持电子发射部在零发射极限状态，获得此时的电流-电压特性曲线特性曲线，该曲线的拐点电势即为待测等离子体的空间电位；
以等离子体的空间电位作为发射探针零发射极限时的伏安特性曲线的基准点，分别计算得到等离子体电子温度、等离子体电子密度和电子能量分布函数。
优选的，从发射探针零发射极限时的伏安特性曲线上读出等离子体空间电位对应的电流，得到发射探针的饱和电子收集电流；
对发射探针零发射极限时的伏安特性曲线过渡区的电流信号求对数，计算得到等离子体电子温度；基于所述等离子体电子温度计算得到等离子体电子密度；
对发射探针零发射极限时的伏安特性曲线过渡区的电流信号求二次微分，计算得到电子能量分布函数。
本发明有益效果：等离子体空间电位由发射探针零发射极限时的伏安特性曲线的拐点电势直接给出，测量过程简单，测量结果准确可靠，避免了电子发射电流对发射探针I-V特性曲线的影响，实现发射探针对多个等离子体参数的测量，大大降低了灯丝因温度过高对周围等离子体造成扰动可能性，延长了发射探针灯丝的使用寿命，避免了支架上的悬浮鞘层对探针灯丝电子采集端的遮挡，使发射探针灯丝具有准确的电子收集面积，能够准确计算等离子体的电子密度以及电子能量分布函数等参数。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所述的发射探针的结构图
图2为本发明实施例1所述的利用发射探针进行等离子体诊断时的电路结构图。
图3为本发明实施例2所述的发射探针的结构图。
图4为本发明实施例2所述的利用发射探针进行等离子体诊断时的电路结构图。
图5为本发明实施例所述的利用发射探针获得的电子发射电流图。
图6为本发明实施例所述的利用零发射极限时的发射探针获得的电流-电压特性曲线及其一阶导数曲线示意图。
其中：1-支架；2-电子发射部；3-偏置电压加载部；4-偏置电压加载电路；5-导电部；6-导电胶；7-发射探针；8-待测等离子体；9-等离子体接地电极；10-加热电路；11-负载电阻；12-激光器；13-透镜光路系统；14-导线。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
如图1所示，本实施例1中，提供一种发射探针，该发射探针可用于等离子体的参数诊断，该发射探针包括如下结构：
支架1；
所述支架1的一端设有电子发射部2；
所述支架1的外部设有偏置电压加载部3，所述偏置电压加载部3位于靠近所述电子发射部2的一端；其中，使用所述的发射探针进行等离子体诊断时，所述电子发射部2的一端和所述偏置电压加载部3均连接外部偏置电压加载电路4。
本实施例1中，当需要进行等离子体诊断时，将该发射探针置于等离子体中，电子发射部2和偏置电压加载部3均连接外部偏置电压加载电路，通过外部偏置电压加载电路对电子发射部2和等离子体接地电极间以及偏置电压加载部3施加相同的扫描偏置电压。
本实施例1中，为了能够将电子发射部与外部偏置电压加载电路能够连接，在所述支架1内设有导电部5，所述导电部5的一端连接所述电子发射部2，当进行诊断时，导电部5的另一端可连接外部偏置电压加载电路的一端，外部偏置电压加载电路的另一端则连接等离子体接地电极。而偏置电压加载部3则通过导线14连接外部偏置电压加载电路的一端。
本实施例1中，所述支架1的一端封装有导电胶6，所述导电部5与所述导电胶6连接，所述电子发射部2的一端穿过所述导电胶6伸入所述支架1内与所述导电部5连接。
本实施例1中，对偏置电压加载部3和导电胶6施加相同的扫描偏置电压，在二者共同作用下能够有效避免绝缘支架上的悬浮鞘层对发射探针的电子发射端2的电子采集端的遮挡，使电子发射端2具有准确的电子收集面积，从而能够准确计算等离子体的电子密度以及电子能量分布函数等参数。
其中，导电胶6与偏置电压加载部的作用是一样的，管状绝缘支架浸入等离子体中，任何与等离子体接触的地方都会产生鞘层，支架的管壁外侧存在鞘层，其端面也存在鞘层，因此导电胶与偏置电压加载部的设计就是为了消除对应位置的悬浮鞘层。
如图1所示，本实施例1中，所述支架1为圆筒状，导电部5可伸入该圆筒状支架1内，圆筒状支架1的顶端为封装的导电胶6，电子发射部2穿过导电胶6与导电部5连接。
本实施例1中，所述支架1由绝缘材料制成。如，所述支架为由陶瓷材料制成的陶瓷管，或为由玻璃制成的玻璃管。
而在具体应用中，所述支架1的形状并不受上述圆筒状或管状的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体设置支架1的形状，如，支架1的横截面形状也可为正方形，或者正三角形或者其他多边形等。
而支架的制作材料也并不受上述陶瓷材料或玻璃材料的限制，本领域技术人员可根据实际情况选择其他的绝缘材料来制作支架1。
本实施例1中，所述电子发射部2由电子发射材料制成，电子发射材料是指吸收一定能量，使得电子脱离原子核的束缚而被发射出原子的材料，电子发射材料按激发方式的不同可分为光电子发射材料、热电子发射材料和二次电子发射材料。受强电场作用产生发射的材料称为场致电子发射材料。
本实施例1中，该电子发射部2为钨丝、钽丝或钼丝等热阴极电子发射材料。而在实际应用中，本领域技术人员可根据具体情况选择其他的电子发射材料制作成丝状的电子发射部2。
本实施例1中，所述的导电胶6为支架1顶部的封装层，导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性的胶粘剂。它可以将多种导电材料连接在一起，使被连接材料间形成电的通路。导电胶的品种繁多，从应用角度可以将导电胶分成一般型导电胶和特种导电胶两类。一般型导电胶只对导电胶的导电性能和胶接强度有一定要求，特种导电胶除对导电性能和胶接强度有一定要求外，还有某种特殊要求。如耐高温、耐超低温、瞬间固化、各向异性和透明性等。按导电胶中导电粒子的种类不同，可将导电胶分为银系导电胶、金系导电胶、铜系导电胶和炭系导电胶等，应用最广的是银系导电胶。
本实施例1中，使用耐高温导电胶，可以承受2000K高温加热而不脱落。在实际应用中，上述导电胶的种类并不受上述种类的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体选择导电胶6的种类。
本实施例1中，所述导电部5由金属材料制成。如为钨丝、钼丝等难融金属材料。而在实际应用中，导电部5的制作材料并不受上述钨丝、钼丝等的限制，本领域技术人员可根据实际情况选择合适的制作材料来制作导电部5。
本实施例1中，所述偏置电压加载部3为设于所述管状支架1周围的一层导电材料层。该导电材料层可以是一层导电胶或者是由金属材料制成的导电薄膜层。
本实施例1中，电子发射部2可通过缠绕或者焊接的方式与导电部5连接在一起，其中，导电部5受保护于绝缘支架1中，而电子发射部2暴露于绝缘支架外部。电子发射部2与绝缘支架连接处进行了耐高温导电胶6的封装处理。绝缘支架靠近电子发射部2一端进行外部导电处理(即设置偏置电压加载部3)，偏置电压加载部3与耐高温导电胶之间相互绝缘，两者之间设置一定的间距，该间距的距离可以为几毫米。由于等离子体发射探针诊断通常使用的都是小电压电流，而探针所处的等离子体环境通常都是低气压真空环境，所以，两者之间设置一定的间距一般不会出现击穿导通的情况，可以保证两者之间的绝缘性。偏置电压加载部3通过金属导线14与外部偏置电压加载电路4相连。
如图2所示，本实施例1中利用上述的发射探针进行等离子体诊断时，将发射探针7置于待测等离子体8中，利用激光器12发射激光，通过透镜光路系统13对激光进行聚焦对电子发射部2进行加热。
导电部5的一端与外部偏置电压加载电路4的一端连接，外部偏置电压加载电路4的另一端连接等离子体接地电极9，通过外部偏置电压加载电路4对电子发射部2和等离子体接地电极9之间施加扫描偏置电压。同时，偏置电压加载部3通过导线14与外部偏置电压加载电路4连接，外部偏置电压加载电路4对偏置电压加载部3施加了相同的扫描偏置电压，获得发射探针的电流-电压特性曲线。
通过改变激光器12的发射功率改变电子发射部2的加热状态，获得不同加热状态时的电流-电压特性曲线；基于每条电流-电压特性曲线的电子发射电流，保持电子发射部2在零发射极限状态，获得此时的电流-电压特性曲线特性曲线，该曲线的拐点电势即为待测等离子体的空间电位。
以等离子体的空间电位作为发射探针零发射极限时的伏安特性曲线的基准点，分别计算得到等离子体电子温度、等离子体电子密度和电子能量分布函数。
其中，通过调节激光器的激光输出功率，使发射探针保持在零发射极限状态，获得此时的发射探针的伏安特性曲线，该曲线的拐点电势即为待测等离子体的空间电位。
本实施例1中，计算得到等离子体电子温度、等离子体电子密度和电子能量分布函数，包括：
从发射探针零发射极限时的伏安特性曲线上读出等离子体空间电位对应的电流，得到发射探针的饱和电子收集电流；
对发射探针零发射极限时的伏安特性曲线过渡区的电流信号求对数，计算得到等离子体电子温度；基于所述等离子体电子温度计算得到等离子体电子密度；
对发射探针零发射极限时的伏安特性曲线过渡区的电流信号求二次微分，计算得到电子能量分布函数。
实施例2
如图3所示，本实施例2提供一种发射探针，该发射探针可用于等离子体的参数诊断，该发射探针包括如下结构：
支架1；
所述支架1的一端设有电子发射部2；
所述支架1的外部设有偏置电压加载部3，所述偏置电压加载部3位于靠近所述电子发射部2的一端；其中，使用所述的发射探针进行等离子体诊断时，所述电子发射部2的一端和所述偏置电压加载部3均连接外部偏置电压加载电路4。
所述电子发射部2的另一端连接有另一支架1，该另一支架1上设有另一偏置电压加载部3，该偏置电压加载部3位于靠近所述电子发射部2的一端；两个所述偏置电压加载部3之间电性连接。
本实施例1中，当需要进行等离子体诊断时，将该发射探针置于等离子体中，电子发射部2和偏置电压加载部3均连接外部偏置电压加载电路，通过外部偏置电压加载电路对电子发射部2和等离子体接地电极间以及偏置电压加载部3施加相同的扫描偏置电压，同时，绝缘支架与电子发射部2连接处进行了导电胶6的封装处理，在偏置电压加载部3和导电胶6共同作用下，能够有效避免绝缘支架上的悬浮鞘层对发射探针灯丝电子采集端的遮挡，使发射探针灯丝具有准确的电子收集面积，从而能够准确计算等离子体的电子密度以及电子能量分布函数等参数。
本实施例2中，为了能够将电子发射部与外部偏置电压加载电路能够连接，或者通过加热电路对电子发射部2进行加热，在两个所述支架1内均设有导电部5，一个导电部5的一端连接所述电子发射部2的一端，另一个导电部5的一端连接所述电子发射部2的另一端。当进行诊断时，一个导电部5的另一端可连接外部偏置电压加载电路的一端，同时该导电部的该另一端同时连接加热电路的一端，外部偏置电压加载电路的另一端则连接等离子体接地电极。而偏置电压加载部3则通过导线14连接外部偏置电压加载电路的一端。另一个导电部5的另一端连接外部加热电路的另一端，通过外部加热电路10可对电子发射部2进行加热。
本实施例2中，所述支架1的一端封装有导电胶6，所述导电部5与所述导电胶6连接，所述电子发射部2的一端穿过所述导电胶6伸入所述支架1内与所述导电部5连接。
如图3所示，本实施例2中，所述支架1为圆筒状，导电部5可伸入该圆筒状支架1内，圆筒状支架1的顶端为封装的导电胶6，电子发射部2穿过导电胶6与导电部5连接。
本实施例2中，所述支架1由绝缘材料制成。如，所述支架为由陶瓷材料制成的陶瓷管，或为由玻璃制成的玻璃管。
而在具体应用中，所述支架1的形状并不受上述圆筒状或管状的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体设置支架1的形状，如，支架1的横截面形状也可为正方形，或者正三角形或者其他多边形等。
而支架的制作材料也并不受上述陶瓷材料或玻璃材料的限制，本领域技术人员可根据实际情况选择其他的绝缘材料来制作支架1。
本实施例2中，所述电子发射部2由电子发射材料制成，电子发射材料是指吸收一定能量，使得电子脱离原子核的束缚而被发射出原子的材料，电子发射材料按激发方式的不同可分为光电子发射材料、热电子发射材料和二次电子发射材料。受强电场作用产生发射的材料称为场致电子发射材料。
本实施例2中，该电子发射部2为钨丝、钽丝或钼丝等热阴极电子发射材料。而在实际应用中，本领域技术人员可根据具体情况选择其他的电子发射材料制作成丝状的电子发射部2。
本实施例2中，所述的导电胶6为支架1顶部的封装层，导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性的胶粘剂。它可以将多种导电材料连接在一起，使被连接材料间形成电的通路。
本实施例2中，使用耐高温导电胶，可以承受2000K高温加热而不脱落。在实际应用中，上述导电胶的种类并不受上述种类的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体选择导电胶6的种类。
本实施例2中，所述导电部5由金属材料制成。如为钨丝、钼丝等难融金属材料。而在实际应用中，导电部5的制作材料并不受上述钨丝、钼丝等的限制，本领域技术人员可根据实际情况选择合适的制作材料来制作导电部5。
本实施例2中，所述偏置电压加载部3为设于所述管状支架1周围的一层导电材料层。该导电材料层可以是一层导电胶或者是由金属材料制成的导电薄膜层。
本实施例2中，电子发射部2可通过缠绕或者焊接的方式与导电部5连接在一起，其中，导电部5受保护于绝缘支架1中，而电子发射部2暴露于绝缘支架外部。电子发射部2与绝缘支架连接处进行了耐高温导电胶6的封装处理。绝缘支架靠近电子发射部2一端进行外部导电处理(即设置偏置电压加载部3)，偏置电压加载部3与耐高温导电胶之间相互绝缘，两者间距为数毫米；偏置电压加载部3通过金属导线14与外部偏置电压加载电路4相连。
如图3所示，本实施例2中利用上述的发射探针进行等离子体诊断时，将发射探针7置于待测等离子体8中，利用外部加热电路10对电子发热部2进行加热。
一个导电部5的一端与外部偏置电压加载电路4的一端连接，外部偏置电压加载电路4的另一端连接等离子体接地电极9，通过外部偏置电压加载电路4对电子发射部2和等离子体接地电极9之间施加扫描偏置电压，同时该导电部5的与外部偏置电压加载电路4连接的一端还与加热电路10的一端连接。另一个导电部5的一端连接加热电路10的另一端。同时，一个偏置电压加载部3通过导线14与外部偏置电压加载电路4的一端连接，另一个偏置电压加载部3通过导线14与连接外部偏置电压加载电路4的偏置电压加载部3电性连接。外部偏置电压加载电路4对偏置电压加载部3施加了相同的扫描偏置电压，获得发射探针的电流-电压特性曲线。
通过改变加热电路10的电流改变电子发射部2的加热状态，如，可通过改变加热电路10中负载电阻11的大小来改变加热电流，获得不同加热状态时的电流-电压特性曲线；基于每条电流-电压特性曲线的电子发射电流，保持电子发射部2在零发射极限状态，获得此时的电流-电压特性曲线特性曲线，该曲线的拐点电势即为待测等离子体的空间电位。
以等离子体的空间电位作为发射探针零发射极限时的伏安特性曲线的基准点，分别计算得到等离子体电子温度、等离子体电子密度和电子能量分布函数。
其中，通过外部加热电路的电流输出，使发射探针保持在零发射极限状态，获得此时的发射探针的伏安特性曲线，该曲线的拐点电势即为待测等离子体的空间电位。
本实施例2中，计算得到等离子体电子温度、等离子体电子密度和电子能量分布函数，包括：
从发射探针零发射极限时的伏安特性曲线上读出等离子体空间电位对应的电流，得到发射探针的饱和电子收集电流；
对发射探针零发射极限时的伏安特性曲线过渡区的电流信号求对数，计算得到等离子体电子温度；基于所述等离子体电子温度计算得到等离子体电子密度；
对发射探针零发射极限时的伏安特性曲线过渡区的电流信号求二次微分，计算得到电子能量分布函数。
如图5、图6所示，本实施例2中，通过外部加热电路对发射探针的电子发射部2施加加热电流，改变加热电流，获得不同加热状态时的发射探针的电流-电压特性曲线，并观察电流-电压特性曲线中电子发射电流的变化，获得发射探针零发射极限时的灯丝加热电流Iht-0emt。
对发射探针施加固定的加热电流Iht-0emt，获得发射探针零发射极限状态时的伏安特性曲线，该曲线的拐点电势即为等离子体空间电位Vp。如图6中所示，图6中，①线为电流-电压特性曲线(即伏安特性曲线)，对其进行一阶求导得到一阶导数曲线为②线，①曲线的拐点体现在②一阶导曲线中即为一阶导最大值，该峰值对应的横坐标即为等离子体空间电位Vp。
从发射探针零发射极限状态时的伏安特性曲线上读出等离子体空间电位VP对应的电流，即饱和电子收集电流Ies，对该伏安特性曲线过渡区的电流信号求对数，利用如下公式(1)计算得到等离子体电子温度Te：
其中，e表示元电荷，VB表示施加的偏置电压，I表示伏安特性曲线(电流-电压特性曲线)过渡区的电流。
然后利用公式(2)计算得到等离子体密度ne：
其中，me表示电子质量，S表示电子发射部的表面积。
对该伏安特性曲线过渡区的电流信号求二次微分，利用公式(3)计算电子能量分布函数ge(V)：
其中，V＝Vp-VB，d表示求导。
本实施例2中，等离子体空间电位由发射探针零发射极限时的伏安特性曲线的拐点电势直接给出，该方法与发射探针的零发射极限拐点电势法相比，不需要频繁调整发射探针的加热电流，也不需要通过线性拟合Vip-Iht的关系并外推至电子发射电流为零处来获得等离子体空间电位；其中，Vip即为发射探针拐点电势，Iht即为加热电流。
该方法在等离子体诊断过程中，持续对发射探针施加固定加热电流Iht-0emt，这样能够保持探针灯丝表面没有气体分子吸附或者污染物沉积，从而保证零发射极限时的伏安特性曲线的可靠性。
本实施例2中，对发射探针绝缘支架靠近电子发射部2一端进行外部导电处理，即设置的偏置电压加载部，并且对该偏置电压加载部施加与发射探针灯丝相同的扫描偏置电压，在偏置电压加载部3和导电胶6的共同作用下能够有效避免绝缘支架上的悬浮鞘层对探针灯丝电子采集端的遮挡，使发射探针灯丝具有准确的电子收集面积；以准确的灯丝电子收集面积和准确的等离子体空间电位分析处理发射探针零发射极限时的伏安特性曲线，进而计算得到可靠的等离子体电子温度、电子密度以及电子能量分布函数，实现了发射探针对等离子体的多参数诊断。
综上所述，本发明实施例所述的发射探针及用于等离子体诊断的方法，等离子体空间电位由发射探针零发射极限时的伏安特性曲线的拐点电势直接给出，不需要在每次测量等离子体空间电位时，依次获得不同加热状态时的发射探针I-V特性曲线，也不需要通过线性拟合拐点电势与灯丝加热电流的关系并外推至电子发射电流为零处来获得等离子体空间电位，只需要在首次使用发射探针时依次调节发射探针的加热电流，从而获得发射探针零发射极限时的加热电流Iht-oemt，测量过程简单，测量结果准确可靠。
发射探针灯丝始终保持在零发射极限状态，避免了电子发射电流对发射探针I-V特性曲线的影响，进而可以通过分析发射探针零发射极限时的伏安特性曲线获得等离子体电子温度、电子密度以及电子能量分布函数等参数，最终能够实现发射探针对多个等离子体参数的测量。
在测量过程中发射探针灯丝始终保持在零发射极限状态，相比于其他发射探针诊断技术，该方法中灯丝的工作温度较低，大大降低了灯丝因温度过高对周围等离子体造成扰动可能性，同时又在一定程度上延长了发射探针灯丝的使用寿命。
对发射探针绝缘支架靠近灯丝(电子发射部2)一端进行外部导电(即增加偏置电压加载部)处理，并且对偏置电压加载部施加与发射探针灯丝相同的扫描偏置电压，此外，绝缘支架与灯丝连接处进行了导电胶封装处理，在偏置电压加载部和导电胶的共同作用下，能够有效避免绝缘支架上的悬浮鞘层对探针灯丝电子采集端的遮挡，使发射探针灯丝具有准确的电子收集面积；以准确的灯丝电子收集面积和准确的等离子体空间电位分析处理发射探针零发射极限时的伏安特性曲线，进而计算得到可靠的等离子体电子温度、电子密度以及电子能量分布函数，实现了发射探针对等离子体的多参数诊断。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种发射探针，其特征在于，包括：
支架(1)；
所述支架(1)的一端设有电子发射部(2)；
所述支架(1)的外部设有偏置电压加载部(3)，所述偏置电压加载部(3)位于靠近所述电子发射部(2)的一端；其中，
使用所述的发射探针进行等离子体诊断时，所述电子发射部(2)的一端和所述偏置电压加载部(3)均连接外部偏置电压加载电路(4)；
所述支架(1)内设有导电部(5)，所述导电部(5)的一端连接所述电子发射部(2)；
所述支架(1)的一端封装有导电胶(6)，所述导电部(5)与所述导电胶(6)连接，所述电子发射部(2)的一端穿过所述导电胶(6)伸入所述支架(1)内与所述导电部(5)连接。
2.根据权利要求1所述的发射探针，其特征在于，所述电子发射部(2)的另一端连接有另一支架(1)，该另一支架(1)上设有另一偏置电压加载部(3)，该偏置电压加载部(3)位于靠近所述电子发射部(2)的一端；两个所述偏置电压加载部(3)之间电性连接。
3.根据权利要求1所述的发射探针，其特征在于，所述支架(1)由绝缘材料制成。
4.根据权利要求1所述的发射探针，其特征在于，所述电子发射部(2)由电子发射材料制成。
5.根据权利要求1所述的发射探针，其特征在于，所述导电部(5)由金属材料制成。
6.根据权利要求1所述的发射探针，其特征在于，所述偏置电压加载部(3)为设于所述支架(1)周围的一层导电材料层。
7.一种使用如权利要求1-6任一项所述的发射探针进行等离子体诊断的方法，其特征在于，包括：
将发射探针(7)置于待测等离子体(8)中，对电子发射部(2)进行加热，对电子发射部(2)和等离子体接地电极(9)之间施加扫描偏置电压，同时对偏置电压加载部(3)施加相同的扫描偏置电压，获得发射探针的电流-电压特性曲线；
改变电子发射部(2)的加热状态，获得不同加热状态时的电流-电压特性曲线；基于每条电流-电压特性曲线的电子发射电流，保持电子发射部(2)在零发射极限状态，获得此时的电流-电压特性曲线，该曲线的拐点电势即为待测等离子体的空间电位；
以等离子体的空间电位作为发射探针零发射极限时的伏安特性曲线的基准点，分别计算得到等离子体电子温度、等离子体电子密度和电子能量分布函数。
8.根据权利要求7所述的等离子体诊断的方法，其特征在于：
从发射探针零发射极限时的伏安特性曲线上读出等离子体空间电位对应的电流，得到发射探针的饱和电子收集电流；
对发射探针零发射极限时的伏安特性曲线过渡区的电流信号求对数，计算得到等离子体电子温度；基于所述等离子体电子温度计算得到等离子体电子密度；
对发射探针零发射极限时的伏安特性曲线过渡区的电流信号求二次微分，计算得到电子能量分布函数。
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