CN114007321A - 一种大气压等离子体电子密度的诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种大气压等离子体电子密度的诊断方法，基于测量装置，所述测量装置包括依次通讯连接的信号捕捉单元、信号采集单元及计算单元，包括以下步骤，S1、通过信号捕捉单元捕捉正离子振荡辐射的电磁波信号；S2、通过信号采集单元采集正离子振荡辐射的电磁波信号；S3、基于采集的信号波形，获得信号的振荡频率即大气压等离子体振荡辐射电磁波信号频率；S4、根据所述的电磁波信号频率，计算出大气压等离子体的电子密度，并建立电子密度随时间的变化关系。本发明的大气压等离子体电子密度的诊断方法，其通过测量等离子体中正离子振荡辐射电磁波的振荡频率，计算得到等离子体的电子密度，具有对诊断设备要求低、测量效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体密度诊断技术领域，具体涉及一种大气压等离子体电子密度的诊断方法。
背景技术
低温等离子体的产生与控制是低温等离子体技术工程应用的基础，其应用与发展，取决于对等离子体物理过程和工艺的控制，而控制的前提是必须有可靠的检测技术作为保证，尤其是实时、原位、无扰动的检测技术。因此，对放电等离子体特征参量的准确测量成为放电等离子体实验研究和工程应用中亟需解决的问题之一。
电子密度是表征等离子体性质和状态的主要特性参数之一，目前常用的郎缪探针、发射光谱、激光诱导荧光、吸收光谱、质谱、微波透射等方法进行诊断。但由于等离子体种类复杂、产生的方式各异，电子密度分布范围极广，因此，到目前为止还没有一种方法适用于所有放电等离子体的诊断，只能依据具体情况采用不同的诊断方法。
朗缪尔探针对电子密度的诊断结果得到普遍认可，但朗缪尔探针诊断法存在着适用范围过窄，一般应用于低气压等离子体的诊断，对等离子体易产生扰动和污染，易受射频电场干扰等问题，也限制了其在放电等离子体工艺中的应用。光学发射光谱法中，斯塔克展宽准确地解决了电弧放电等高密度等离子体的诊断问题，但对密度稍低的非平衡态等离子体，其线形、线宽变化不明显，应用范围受到限制。相比之下，光学发射光谱法中的斜率法尽管对被诊断的等离子体也存在局域热平衡要求，但测量时考察的是易被测量的辐射波长和相对辐射强度，对其进行适当的方法修正后可以在很宽范围内实现对放电等离子体进行实时、原位，无扰动地测量。微波瑞利散射法主要应用于高密度等离子体的诊断，一般需要等离子体密度大于1018/m3。
发明内容
本发明提出的一种大气压等离子体电子密度的诊断方法，可解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种大气压等离子体电子密度的诊断方法，基于测量装置，所述测量装置包括依次通讯连接的信号捕捉单元、信号采集单元及计算单元，包括以下步骤，
S1、通过信号捕捉单元捕捉正离子振荡辐射的电磁波信号；
S2、通过信号采集单元采集正离子振荡辐射的电磁波信号，并获得信号的实时波形；
S3、基于采集的信号波形，获得信号的振荡频率即大气压等离子体振荡辐射电磁波信号频率；
S4、根据所述的电磁波信号频率，计算出大气压等离子体的电子密度，并建立电子密度随时间的变化关系。
进一步的，所述S4具体包括：
获得信号的振荡频率，基于采集到的电磁波振荡频率近似等于等离子体中的正离子振荡频率，依据正离子振荡频率与正离子密度关系式：
其中ni，e，ε0，Mi分别表示正离子的密度、基本电荷、真空介电常数、正离子的质量，获得正离子密度；
基于等离子体中电子密度与正离子密度近似相等，从而得到电子密度的数值；
根据采集电信号振荡频率随时间的变化，计算得到电子密度随时间的变化关系。
进一步的，所述信号捕捉单元为捕捉等离子体辐射电磁波信号的天线。
进一步的，所述信号采集单元，为采集振荡电磁波信号的电压探头，显示和保存振荡电磁波信号的示波器，从而获取振荡频率。
由上述技术方案可知，本发明的大气压等离子体电子密度的诊断方法，其通过测量等离子体中正离子振荡辐射电磁波的振荡频率，计算得到等离子体的电子密度，具有对诊断设备要求低、测量效率高等优点。
本发明有益的技术效果如下：
1、在诊断电子密度过程中无需采集放电等离子体的光谱信号，针对弱放电等离子体，尤其是无法采集到光信号的放电等离子体，非常适用；
2、属于无干涉诊断，诊断过程不影响等离子体放电参数，对等离子体无扰动和污染；
3、诊断设备简单、操作过程简便，效率高。
4、适用范围宽，可以满足弱放电(电子密度低)等离子体的诊断，也适用于强放电(电子密度高)等离子体的诊断。
附图说明
图1为本发明的诊断方法的流程示意图；
图2为本发明的诊断设备框图；
图3为本发明实施例在步骤S1、S2中获取辐射振荡信号的示意图；
图4为本发明实施例采集的振荡信号波形图；
图5为本发明实施例计算得到的电子密度随时间的变化关系图；
附图标记：10、信号捕捉单元；20、信号采集单元；30、计算单元；11、天线；12、等离子体；13、电磁波；14、示波器；15、电压探头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1和图2所示，本实施例所述的大气压等离子体电子密度的诊断方法，基于测量装置，所述测量装置包括依次通讯连接的信号捕捉单元10、信号采集单元20及计算单元30，包括：
步骤S1：捕捉正离子振荡辐射的电磁波信号；
步骤S2：采集正离子振荡辐射的电磁波信号，并获得信号的实时波形；
步骤3：通过采集的信号波形，获得信号的振荡频率；大气压等离子体振荡辐射电磁波信号频率；
步骤S4：根据所述的电磁波信号频率，计算出大气压等离子体的电子密度，并建立电子密度随时间的变化关系。
其中，根据已采集电信号信号，验证是否等离子体振荡电磁波信号，辨识方法如下：
(1)采集信号波形是欠阻尼振荡波形；
(2)周期振荡持续的时间为10ns至10.0μs范围内。
获得信号的振荡频率，基于采集到的电磁波振荡频率近似等于等离子体中的正离子振荡频率，依据正离子振荡频率与正离子密度关系式：
其中ni，e，ε0，Mi分别表示正离子的密度、基本电荷、真空介电常数、正离子的质量，获得正离子密度；
基于等离子体中电子密度与正离子密度近似相等，从而得到电子密度的数值。
根据采集电信号振荡频率随时间的变化，可以计算得到电子密度随时间的变化关系。
对应的本实施例包括一种大气压等离子体电子密度的诊断设备，用于执行上述权利要求中任一项所述的大气压等离子体电子密度诊断方法，所述诊断设备包括：
信号捕捉单元，被配置为捕捉等离子体辐射电磁波信号的天线11；
信号采集单元，被配置为采集振荡电磁波信号的电压探头15，显示和保存振荡电磁波信号的示波器，从而获取振荡频率；
计算单元，被配置为由所述大气压的等离子体电磁波振荡频率计算出等离子体电子密度，以及电子密度随时间的变化关系。
本实施例的实施原理为：
利用天线捕捉大气压等离子体振荡辐射产生的电磁波信号，利用连接天线的电压探头采集电磁波信号，电压探头另一端连接示波器，用于记录和保存电磁波信号的数据，得到信号的频率，基于采集信号的频率近似等离子体正离子的振荡频率，通过等离子体中正离子振荡频率与正离子密度的关系，以及等离子体中正离子与电子数量近似相等的关系，计算得到等离子体电子密度。此外，根据信号频率随时间的变化关系，还可推导出电子密度随时间的变化关系(电子密度的时间分辨)。
此外，本发明另一个实施例公开另提出对应上述诊断方法的诊断设备，用于执行如上所述的大气压等离子体电子密度诊断方法。图3绘是步骤S1中捕捉大气压等离子体振荡辐射电磁波信号的天线11，放电产生等离子体12过程中由于正离子振荡产生的电磁波信号强度与放电类型、方向和距离均有关系，通过移动天线11，获得辐射电磁波信号13，信号13波形通过电压探头15被采集并被保存在连接的示波器14中。图3显示了一被采集的振荡信号波形，通过波形数据，获得随时间变化的频率制，通过公式
分别计算得到正离子的密度，从而得到电子密度的时间分辨(电子密度随时间的变化关系)，如图5所示。
由于等离子体中包含大量的电荷数量近似相等的正负带电粒子，这些带电粒子之间存在着长程库仑力作用，等离子体中的带电粒子均同时且持续地参与这种相互作用，任何带电粒子的运动状态均受到其他带电粒子的影响。因此，尽管等离子体系统宏观上对外保持电中性，但由于带电粒子的运动，等离子体内部总会出现动态的局部电荷分离，存在着正或负的空间电荷过剩，并产生一个电场，在这个电场的作用下，过剩的电荷就会移动使得电中性得以恢复；而由于惯性，，这些电荷不能在恢复到中性时就停下来，而是继续移动，于是由产生一个反向电场把这些电荷又拉回来，过剩又将出现。这样，等离子体内部带电粒子就形成集体振荡，其平衡位置就是电中性恢复时带电粒子所在位置，这种集体的振荡会使得等离子体辐射出电磁波，因此，可以通过测量等离子体中正离子的振荡辐射出的电磁波频率，计算得到等离子体中的离子密度，并继而推算出电子密度。
根据朗之万方程，正离子的动力学方程为
x(t)表示正离子的位置，t代表时间，γ是正离子的碰撞频率，
为等离子体中正离子振荡的角频率，在欠阻尼振荡条件下，正离子的位置可表示为：x(t)＝A0e-γt/ 2cos(w′t+θ)，这里
为对外辐射电磁波信号的频率，也即所测信号的实际振荡频率，A0为正离子振荡的振幅，θ代表正离子振荡的初始相位。考虑到(πγ)2<<ω'2，因此可以得到ω0≈ω'。因此，可以通过测量信号的振荡频率，得到离子的振荡频率。离子振荡频与离子密度的关系符合下述关系式：
这样就可以得到离子的密度，并进而得到电子的密度。
图4为通过示波器采集到的一种直流电晕放电等离子体的电磁波辐射信号，该电晕等离子体的放电参数为放电电压8.4kV，脉冲放电电流峰峰值5A，根据图4的电磁波辐射信号的波形可以得到电磁波的频率，利用公式
经过计算，ω'2>>(πγ)2，因此可以认为ω'≈ω0，然后带入公式
其中fi是通过上述测量得到的等离子体辐射出的电磁波频率，通过计算即可得到正离子密度ni的数值，由于等离子体中电子密度与正离子密度近似相等，由此推算出电子的密度8.0×1017-2.1×1017m-3，图5展示了根据频率对应时间条件下的频率值，通过上述计算得到的等离子体电子密度与时间的关系图。综上所述，本发明通过测量等离子体中正离子振荡辐射电磁波的振荡频率，计算得到等离子体的电子密度，具有对诊断设备要求低、测量效率高等优点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种大气压等离子体电子密度的诊断方法，基于测量装置，所述测量装置包括依次通讯连接的信号捕捉单元(10)、信号采集单元(20)及计算单元(30)，其特征在于：包括以下步骤，
S1、通过信号捕捉单元(10)捕捉正离子振荡辐射的电磁波信号；
S2、通过信号采集单元(20)采集正离子振荡辐射的电磁波信号，并获得信号的实时波形；
S3、基于采集的信号波形，获得信号的振荡频率即大气压等离子体振荡辐射电磁波信号频率；
S4、根据所述的电磁波信号频率，计算出大气压等离子体的电子密度，并建立电子密度随时间的变化关系。
2.根据权利要求1所述的大气压等离子体电子密度的诊断方法，其特征在于：所述S4具体包括：
获得信号的振荡频率，基于采集到的电磁波振荡频率近似等于等离子体中的正离子振荡频率，依据正离子振荡频率与正离子密度关系式：
其中ni，e，ε0，Mi分别表示正离子的密度、基本电荷、真空介电常数、正离子的质量，获得正离子密度；
基于等离子体中电子密度与正离子密度近似相等，从而得到电子密度的数值；
根据采集电信号振荡频率随时间的变化，计算得到电子密度随时间的变化关系。
3.根据权利要求1所述的大气压等离子体电子密度的诊断方法，其特征在于：
所述信号捕捉单元(10)为捕捉等离子体辐射电磁波信号的天线(11)。
4.根据权利要求1所述的大气压等离子体电子密度的诊断方法，其特征在于：
所述信号采集单元(20)，为采集振荡电磁波信号的电压探头(15)，显示和保存振荡电磁波信号的示波器(14)，从而获取振荡频率。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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