CN113671221A - 一种适用于各类等离子体真空室的外置驱动二维探针系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于各类等离子体真空室的外置驱动二维探针系统，通过在等离子体装置主腔体内或与其相连的真空腔室内置放置一套由直线导杆和直线轴承及支座(支架)等组成的二维进动机构把真空室外的两个方向的一维驱动转化为二维进动来驱动探针，实现对目标等离子体参数的二维平面空间测量。该二维探针系统包括直线导杆，直线轴承，安装支座及支架，真空腔室，真空穿墙插座，探针安装杆，焊接波纹管，一维驱动器及其它连接真空室外部与内部的结构部件，包括但不限于电机，丝杠，气缸，导杆及其组合。通过精密配合的直线导杆和直线轴承等组成的二维驱动机构来保证探针的二维测量的空间位置的可重复性和精度。

Description

一种适用于各类等离子体真空室的外置驱动二维探针系统

技术领域

本发明涉及使用朗缪尔探针及其他衍生的探针进行等离子体中的局部电势、电子温度及电子密度等参数诊断的技术领域，尤其涉及适用于缪尔探针获取等离子体二维空间参数分布测量的方法，具体是一种适用于各类等离子体实验及工艺设备的二维探针系统。

背景技术

朗缪尔探针是最早的等离子体参数诊断系统，它具有构造简单、低成本、可测量物理量多等等优点，目前仍然是大量的等离子体实验及工艺装置的参数测量手段，甚至是唯一的测量手段。朗缪尔探针分为单探针、双探针以及三探针，以及各种衍生的马赫探针等等。尤其单探针扫描测量，属于等离子体电子及离子分布的直接测量，对于电子具体分布方式不明的等离子体而言，更加是一种难以取代的电子分布测量方法。由于朗缪尔探针诊断测量的参数具有局域性的特点，对于不同的实验及工艺等离子体而言会有不同的空间分布的测量需求，在实际使用中就空间分布参数的测量而言，有固定点探针，一维探针，二维探针甚至三维探针。

目前市场上和实验室里最常见的是固定点测量的和具备一维空间测量能力的一维可动探针，一维可动探针往往只需要一个直线驱动器和动密封机构就可以实现探针的一维移动测量，是一维探针测量中最常见的实现方法。二维和三维空间测量的探针多见于实验室自制的探针系统，其实现方法有很多，一种是通过在一条直线或一个面上并列多个固定的探针头的方式加上一维驱动推动变换空间位置即可实现二维或者三维测量，这样结构简单易实现，但是缺点也是显而易见，空间测量是的点是固定间距且探头尺寸较大，探头尺寸大会加剧对等离子体的扰动，影响数据的准确性。另外一种是接近三维测量的探针，通过一个可旋转的真空耦合部件，把探针杆伸进等离子体里面，好处是可以获得接近三维的空间分布，但是传动结构及驱动控制非常复杂，可靠性具有一定风险，而且真空耦合部件有角度限制，可测量空间有限。因此发展一套结构简单、相对小型化、又能实现自动控制的二维平面空间分布测量的二维探针对于需要获得空间分布的实验或者工艺等离子体装置具有一定的性能提升及便利性的。

发明内容

本发明目的是为了弥补已有技术的缺陷，提高探针二维空间分布测量的性能，提供一种从外置驱动传动至真空室内部系统，从而通过小型化的传动结构在真空环境下实现连续对等离子体二维平面区域进行参数分布测量的探针系统的实现方法。

本发明采用以下技术方案：

一种适用于各类等离子体真空室的外置驱动二维探针系统，通过在等离子体设备主真空室内或者与之相连的真空腔室内安装可以将两个不同方向的一维运动转化为二维运动的驱动机构，通过两套可动真空密封结构实现真空腔室内部二维驱动机构及真空室外部一维驱动器之间的驱动力传递，在这个真空腔室内的二维机构上安装探针来实现等离子体参数的二维空间参数测量。

进一步地，所述将两个不同方向(设为横向和纵向)的一维运动转化为二维运动的驱动机构，通过在两个垂直方向分别布置相互平行的起导向作用的导向杆及起驱动作用的驱动杆，并通过多个支座和支架的组合成为一个二维联动机构。真空室外置两个垂直方向的一维驱动通过连轴器等连轴装置分别与二维可动机构的两套驱动杆相连来实现驱动力的传递，通过分别控制两个方向运动的驱动器即可通过这套二维联动机构装置把真空室外的一维运动转化为真空室内探针头的二维运动，并通过记录两个真空室外一维驱动的位置来推算二维探针头的空间位置。

进一步地，连接内外真空室的动密封结构，使用焊接波纹管或者使用其他的动密封形式。对于高真空的要求状态下，使用焊接波纹管是比较稳妥的方式，对于真空要求不高的情况下可以使用其他的动密封结构。

进一步地，与主等离子体连接的安置二维驱动结构的真空腔室，腔室可以是任意形状。

进一步地，模组化探针安装结构，通过对探针安装结构的模组化设计，可以连接不同类型的探针系统，包括朗缪尔探针，射频补偿探针及其附带的射频补偿系统，以及其他形式的探针(如磁探针、马赫探针等)。搭配的探针可以是任意造型，只要尺寸限定在特定的范围内即可。

进一步地，所述驱动机构包括横向驱动杆(12)、纵向导向杆(13)、纵向从动支架(14)、前固定支座(15)、从动横向导向杆(16)、横向导向杆(17)、横向从动支架(18)、前固定支座(19)、探针安装支架(20)、纵向驱动滑动支架(21)、底板(22)、从动纵向导向杆(23)、横向驱动支架(24)、后固定支座(25)和纵向驱动杆(26)；底板(22)为用于承载所述二维驱动探针系统的结构部件，四周是固定导杆的支座，安装于底板(22)上，其中前部两个前固定支座(15，19)用于固定横向导向杆(17)和纵向导向杆(13)，后部两个后固定支座(25)上各安装了一个直线轴承，分别用于固定纵向导向杆(13)及让横向驱动杆(12)和纵向驱动杆(26)穿过直线轴承；横向驱动杆(12)穿过后固定支座(25)的直线轴承后与横向驱动支架(24)紧固连接，并通过从动纵向导向杆(23)连接到横向从动支架(18)上，横向驱动杆(12)和横向导向杆(17)平行，当它做一维运动时通过横向驱动支架(24)及其上安装的从动纵向导向杆(23)带动横向从动支架(18)沿着横向导向杆(17)运动；纵向驱动杆(26)穿过后固定支座(25)的直线轴承后与纵向驱动滑动支架(21)紧固连接，并通过从动横向导向杆(16)连接到纵向从动支架(14)上，纵向驱动杆(26)和横向导向杆(17)平行，当它做一维运动时通过纵向驱动滑动支架(21)及其上安装的从动横向导杆(16)带动纵向从动支架(14)沿着纵向导向杆(13)运动；由于探针安装支架(20)在横向和纵向上各有安装了一个直线轴承并穿过了从动横向导向杆(16)和从动纵向导向杆(23)，因此当横向驱动杆(12)或者纵向驱动杆(26)运动是都会带动探针安装支架(20)，从而使两个一维的运动组合成了二维的探针运动。

具体地，一种适用于各类等离子体真空室的外置驱动二维探针系统，通过在和等离子体主真空室相连的真空室内安装一套由直线光轴、直线轴承、滑块及支座底板组成的二维传动系统，探针安装滑块上，传递直线运动的光轴推动安装探针的滑块纵向和横向往复运动来实现探针的二维空间参数测量。再通过直线及真空耦合(焊接波纹管或者其他形式的动密封)将真空室外两个互相垂直的的线性运动传递到真空室内的二维传动系统上。使用高精度的直线驱动系统(如电缸)，可获得高精度的探针二维空间参数测量位置信息。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种适用于各类等离子体真空室的外置驱动二维探针系统，该系统可以根据实验的实际需求搭载不同的探针头对等离子体参数进行二维空间位置的连续测量，有助于开展等离子体参数空间分布的精细研究并提高实验运行效率。

附图说明

图1二维探针结构实例图示意图(为了直观隐藏了三个密封面)；

图2实例二维驱动机构示意图。

图中，1-探针，2-探针杆及安装座，3-真空腔体，4-一维直线耦合，5-一维驱动杆，6-焊接波纹管，7-纵向一维驱动(电缸)，8-L型连接板，9-横向一维驱动(电缸)，10-航空插头，11-二维驱动机构，12-横向驱动杆，13-纵向导向杆，14-纵向从动支架，15-前固定支座，16-从动横向导向杆，17-横向导向杆，18-横向从动支架，19-前固定支座，20-探针安装支架，21-纵向驱动滑动支架，22-底板，23-从动纵向导向杆，24-横向驱动支架，25-后固定支座，26-纵向驱动杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式如下：

所述的二维探针基础结构如图1所示，该二维探针系统包括探针头1、探针杆及安装座2、真空腔体3、一维直线耦合器4、一维驱动杆5、焊接波纹管6、纵向一维驱动(电缸)7、L型连接板8、横向一维驱动(电缸)9、航空插头10、二维驱动机构11。真空腔体3与等离子体主真空室相连，二维驱动机构11安装在真空腔体3内，探针头1及探针杆及安装座2安装在二维驱动机构11上，纵向一维驱动(电缸)7通过其上的L型连接板8与一维驱动杆5相连，而一维驱动杆5通过一维直线耦合器4与二维驱动机构11相连并用焊接波纹管6隔绝真空，横向一维驱动9也和纵向的一样连接机构和二维驱动机构11相连及密封真空。探针信号使用的航空插头10来实现电信号连接及真空密封。此外通过高定位及测量精度的真空室外部直线驱动器(如电缸)，可实现较高精度探针二维运动的控制及空间位置参数的测量。

为了将两个垂直方向的线性运动转化为二维运动，本发明中设计了一套如图2所示的将两个垂直方向一维驱动转化为二维驱动的机构。二维驱动机构的底板主要用于承载二维驱动系统的结构部件，并保证支座在同一平面及整套系统的刚性。四周是固定导杆的支座，安装于底板22上，其中前部两个前固定支座(15，19)用于固定横向导向杆17和纵向导向杆13，后部两个后固定支座25上各安装了一个直线轴承，分别用于固定纵向导向杆13及让横向驱动杆12和纵向驱动杆26穿过直线轴承。横向驱动杆12穿过后固定支座25的直线轴承后与横向驱动支架24紧固连接，并通过从动纵向导向杆23连接到横向从动支架18上，横向驱动杆12和横向导向杆17平行，当它做一维运动时通过横向驱动支架24及其上安装的从动纵向导向杆23带动横向从动支架18沿着横向导向杆17运动。纵向驱动杆26穿过后固定支座25的直线轴承后与纵向驱动滑动支架21紧固连接，并通过从动横向导向杆16连接到纵向从动支架14上，纵向驱动杆26和横向导向杆17平行，当它做一维运动时通过纵向驱动滑动支架21及其上安装的从动横向导杆16带动纵向从动支架14沿着纵向导向杆13运动。由于探针安装支架20在横向和纵向上各有安装了一个直线轴承并穿过了从动横向导向杆16和从动纵向导向杆23，因此当横向驱动杆12或者纵向驱动杆26运动是都会带动探针安装支架20，从而使两个一维的运动组合成了二维的探针运动，同时探针安装支架20的可活动范围由于结构的原因被限制在四个固定支座(15，19，25)所围成的直角四边形的范围之内。

一维驱动机构可以用电缸，气缸甚至是手动或电机驱动的丝杠，本实例中为了达到高精度和自动化控制的目的，如图1所示，采用伺服或者步进电机驱动的电缸作为一维驱动器，电缸可以有很好的定位精度以及重复精度，某些型号的电缸还可以实时输出位置信息，综合应用计算机或者其它上位机及数据采集系统，二维探针系统经过空间标定后配合相应的探针外围电路，可以快速获得探针测量的等离子体参数与探针相对等离子体装置的空间位置一一对应的关系。

由于二维驱动机构11上探针安装支架20预留了安装孔，以此安装孔位基准，对探针进行模组化标准设计，适当更换探针的信号线及航空插头10后，可以连接不同类型的探针系统，包括朗缪尔探针，射频补偿探针及其附带的射频补偿系统，以及其他形式的探针(如磁探针)。模组化的探针可以是任意造型，只要尺寸在特定规范内即可。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种适用于各类等离子体真空室的外置驱动二维探针系统，其特征在于：通过在等离子体设备主真空室内或者与之相连的真空腔室内安装可以将两个不同方向的一维运动转化为二维运动的驱动机构，通过两套可动真空密封结构实现真空腔室内部二维驱动机构及真空室外部一维驱动器之间的驱动力传递，在这个真空腔室内的二维机构上安装探针来实现等离子体参数的二维空间参数测量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述将两个不同方向的一维运动转化为二维运动的驱动机构，通过在两个垂直方向分别布置相互平行的起导向作用的导向杆及起驱动作用的驱动杆，并通过多个支座和支架的组合成为一个二维联动机构；真空室外置两个垂直方向的一维驱动通过连轴装置分别与二维可动机构的两套驱动杆相连来实现驱动力的传递，通过分别控制两个方向运动的驱动器即可通过这套二维联动机构装置把真空室外的一维运动转化为真空室内探针头的二维运动，并通过记录两个真空室外一维驱动的位置来推算二维探针头的空间位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：连接内外真空室的动密封结构，使用焊接波纹管或者使用其他的动密封形式。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：与主等离子体连接的安置二维驱动机构的真空腔室，腔室可以是任意形状。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：模组化探针安装结构，通过对探针安装结构的模组化设计，可以连接不同类型的探针系统，包括朗缪尔探针及其附带的射频补偿系统、及其他形式的探针(如磁探针、马赫探针等)。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述驱动机构包括横向驱动杆(12)、纵向导向杆(13)、纵向从动支架(14)、前固定支座(15)、从动横向导向杆(16)、横向导向杆(17)、横向从动支架(18)、前固定支座(19)、探针安装支架(20)、纵向驱动滑动支架(21)、底板(22)、从动纵向导向杆(23)、横向驱动支架(24)、后固定支座(25)和纵向驱动杆(26)；底板(22)为用于承载所述二维驱动探针系统的结构部件，四周是固定导杆的支座，安装于底板(22)上，其中前部两个前固定支座(15，19)用于固定横向导向杆(17)和纵向导向杆(13)，后部两个后固定支座(25)上各安装了一个直线轴承，分别用于固定纵向导向杆(13)及让横向驱动杆(12)和纵向驱动杆(26)穿过直线轴承；横向驱动杆(12)穿过后固定支座(25)的直线轴承后与横向驱动支架(24)紧固连接，并通过从动纵向导向杆(23)连接到横向从动支架(18)上，横向驱动杆(12)和横向导向杆(17)平行，当它做一维运动时通过横向驱动支架(24)及其上安装的从动纵向导向杆(23)带动横向从动支架(18)沿着横向导向杆(17)运动；纵向驱动杆(26)穿过后固定支座(25)的直线轴承后与纵向驱动滑动支架(21)紧固连接，并通过从动横向导向杆(16)连接到纵向从动支架(14)上，纵向驱动杆(26)和横向导向杆(17)平行，当它做一维运动时通过纵向驱动滑动支架(21)及其上安装的从动横向导杆(16)带动纵向从动支架(14)沿着纵向导向杆(13)运动；由于探针安装支架(20)在横向和纵向上各有安装了一个直线轴承并穿过了从动横向导向杆(16)和从动纵向导向杆(23)，因此当横向驱动杆(12)或者纵向驱动杆(26)运动是都会带动探针安装支架(20)，从而使两个一维的运动组合成了二维的探针运动。

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