CN114491382A - 一种用于获取等离子体参数的数据处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于获取等离子体参数的数据处理方法及系统，该方法不仅能够获得等离子体空间电位、悬浮电位、电子饱和收集电流等多个等离子体参数,同时也能够自动设置线性拟合区间的拟合点数并找到最佳拟合区间，最终计算得到准确的等离子体的电子温度和电子密度。本发明不仅能够有效避免电子电流的线性拟合区间过大或过小，同时也能够有效避免离子收集电流对等离子体电子温度和电子密度计算结果的影响。

Description

一种用于获取等离子体参数的数据处理方法及系统
技术领域
本发明属于等离子体诊断技术领域，具体涉及一种用于获取等离子体参数的数据处理方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
Langmuir探针技术是最常用的等离子体诊断手段之一。通过分析Langmuir探针的I-V特性曲线，我们可以得到等离子体电子密度、电子温度、离子密度、空间电位以及电子能量分布函数等众多等离子体参数。其中，电子温度是一个尤为重要的参数，获取准确的等离子体电子温度对于国防科技、新能源开发以及空间物理等众多领域有着极其重要的意义。根据经典的Langmuir探针理论，在等离子体I-V特性曲线的过渡区内，Ln|Ie|(电子电流取自然对数)与Vb(探针偏置电压)应呈线性关系，该直线的斜率的倒数即为等离子体电子温度(Te)。然而，在实际处理I-V曲线数据时，Ln|I|与Vb并不是在整个过渡区内都呈现良好的线性关系，故需要在过渡区内选取一段对其进行线性拟合。因此，选择不同的拟合区间以及不同宽度的拟合区间将会得到不同的电子温度，这两个因素导致的电子温度的计算误差是不容忽视的。
此外，导致过渡区Ln|I|与Vb没有良好的线性关系的原因有两种。一方面，过渡区电流由离子收集电流和电子收集电流组成，理论上计算电子温度时考虑到离子电流相对于电子电流来说很小，可以忽略不计，然而，实际上在靠近悬浮电位(Vf)的位置处电子收集电流较小，离子电流的存在导致在这附近的Ln|I|与Vb没有良好的线性关系；另一方面，在等离子体空间电位(Vp)附近，由于存在空间电荷效应，在这附近的Ln|I|与Vb也没有呈现一个良好的线性关系。所以，在对过渡区进行线性拟合时，应充分考虑这两个因素，尽量减少其带来的影响，使得计算得到的电子温度更加真实、可靠。
综上，尽管Langmuir探针诊断的基本原理并不复杂，如何确定Langmuir探针I-V曲线过渡区拟合区间的位置和宽度，目前尚未有人能够给出明确且合理的标准。一般而言，多数人都是基于I-V曲线的原始数据，对整个过渡区的Ln|I|-V曲线进行线性拟合，该线性拟合的斜率的倒数就是Te，然而，这种数据处理方法既没有考虑离子收集电流对Te计算结果的影响，也没有考虑Vp附近空间电荷效应对Te拟合结果的影响。另一方面，有人提出对整个过渡区的Ln|I|-V曲线选取中间三分之一段进行线性拟合，这样虽然避免了空间电荷效应对Te拟合结果的影响，但仍然不能避免离子电流对Te拟合结果的影响。此外，F.F.Chen等人提出在对Ln|I|-V曲线进行线性拟合之前需要先扣除离子电流，但也没有提及扣除离子电流之后Ln|Ie|-V曲线的线性拟合区间位置和宽度的选取办法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种用于获取等离子体参数的数据处理方法及系统，本发明能够自动地处理分析I-V数据，获取等离子体Vf(悬浮电位)、Vp(空间电位)、Ies(电子饱和收集电流)、n(过渡区点数)、Ii(离子电流)以及扣除离子电流后的Ln|Ie|,同时也能够自动设置线性拟合区间的宽度(拟合点数)并找到最佳拟合区间，最终计算得到等离子体的Te(电子温度)、ne(电子密度)等参数。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，包括以下步骤：
(1)获取等离子体的伏安曲线，并对其进行平滑处理；
(2)选取电流为零处的探针电势作为等离子体悬浮电位，以电流对电压的一阶导的最大值作为等离子空间电位，以悬浮电位和空间电位作为过渡区的起止点，计算出过渡区点数，根据所述过渡区点数确定电子温度的线性拟合点数；
(3)对饱和区离子电流线性拟合并外推至等离子体空间电位处，并以此作为离子电流，然后从所述伏安曲线中扣除离子收集电流，从而获得电子收集电流；
(4)将空间电位作为拟合全区域终止点，向前推多个数据点作为拟合全区域,对拟合全区域内所有长度为拟合点数的区间进行最小二乘法线性拟合，确定所有线性拟合的斜率以及拟合方差，选取方差最小值处所对应的拟合区间作为最佳拟合区间，并以此区间的线性拟合斜率计算等离子体电子温度，进而计算得到等离子体电子密度。
作为可选择的实施方式，所述步骤(1)中，所述电流-电压数据由朗缪尔探针获取得到。
作为可选择的实施方式，所述步骤(2)中，根据所述过渡区点数确定拟合点数的具体过程包括：
计算出过渡区点数n，并以2n/3作为拟合点数，所述拟合点数为整数。
作为可选择的实施方式，所述步骤(3)中，还将原始的电流数据一一对应地扣除离子电流，并对其结果取自然对数得到Ln|Ie|。
作为可选择的实施方式，所述步骤(4)中，拟合全区域的确定方法为，将空间电位Vp做为拟合全区域终止点，向前推2n个数据点作为拟合全区域(2Vf-Vp:Vp)。
作为可选择的实施方式，所述步骤(4)中，进行最小二乘法线性拟合后，得到直线y＝px+b，确定所有直线的线性拟合的斜率p以及拟合方差Δ＝sum((y-Ln|I|)2)。
作为可选择的实施方式，所述步骤(4)中，计算等离子体电子温度时，以方差最小值处所对应的拟合区间的线性拟合斜率p的倒数作为等离子体电子温度。
作为可选择的实施方式，所述步骤(4)中，利用输出的Te和扣除离子电流后真实的电子饱和收集电流计算得到等离子体电子密度ne。
一种用于获取等离子体参数的数据处理系统，包括：
数据获取模块，被配置为获取等离子体的伏安曲线，并对其进行平滑处理；
拟合点数确定模块，被配置为选取电流为零处的探针电势作为等离子体悬浮电位，以电流对电压的一阶导的最大值作为等离子空间电位，以悬浮电位和空间电位作为过渡区的起止点，计算出过渡区点数，根据所述过渡区点数确定电子温度的线性拟合点数；
离子电流确定模块，被配置为对饱和区离子电流线性拟合并外推至等离子体空间电位处，并以此作为离子电流，然后从所述伏安曲线中扣除离子收集电流，从而获得电子收集电流；
电子参数计算模块，被配置为将空间电位作为拟合全区域终止点，向前推多个数据点作为拟合全区域,对拟合全区域内所有长度为拟合点数的区间进行最小二乘法线性拟合，确定所有线性拟合的斜率以及拟合方差，选取方差最小值处所对应的拟合区间作为最佳拟合区间，并以此区间的线性拟合斜率计算等离子体电子温度，进而计算得到等离子体电子密度。
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法中的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明给出了一个明确且合理的Ln|I|-V曲线电流信号线性拟合长度的选取标准，该方法能够有效避免电流的线性拟合区间过大或过小，最终获得准确的等离子体电子温度。
本发明选取扣除离子电流后的Ln|Ie|曲线进行线性拟合，与原始探针电流的Ln|I|数据相比，能够有效避免离子收集电流对等离子体电子温度计算结果的影响。
本发明在计算等离子体电子密度时，所使用的等离子体电子温度为本发明专利的电子温度计算结果，并且所使用的电子饱和收集电流为扣除离子电流之后真实的电子电流，因而得到的等离子体电子密度更为可靠。
本发明能够提供了一个能够自动分析Langmuir探针I-V曲线、自动计算得到等离子体电子温度和电子密度等参数的高效软件程序。该程序能够自动读取原始的I-V曲线，自动获取Vf、Vp、过渡区点数n、Ln|Ie|,进而能够自动设置Ln|Ie|-V曲线的线性拟合点数并找到最佳拟合区间，最终计算得到等离子体的电子温度、电子密度等参数，整个计算过程快速、便捷、高效。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为获取等离子体电子温度方法流程图；
图2为Langmuir探针I-V曲线的数据处理的系统用户界面图；
图3为利用不同拟合点数分别处理原始的I-V曲线和扣除离子电流的I-V曲线而得到的等离子体电子温度结果；
图4为原始探针电流Ln|I|信号、扣除离子电流后的Ln|Ie|信号以及标准的线性拟合区间。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，如图1所示，具体包括如下过程：
(1)读取给定的原始I-V数据，并对其进行平滑处理。
(2)选取电流为零处的探针电势作为悬浮电位Vf，以电流对电压的一阶导的最大值作为空间电位Vp，以Vf和Vp作为过渡区的起止点，计算出过渡区点数n，并以2n/3作为拟合点数；
(3)对饱和区离子电流线性拟合至空间电位Vp，并以此作为离子电流Ii，进一步地，将原始的电流数据一一对应地扣除离子电流，并对其结果取自然对数得到Ln|Ie|。
(4)将空间电位Vp做为拟合全区域终止点，向前推2n个数据点作为拟合全区域(2Vf-Vp:Vp),对拟合全区域内所有长度为2n/3的区间进行最小二乘法线性拟合得到直线y＝px+b，循环输出所有线性拟合的斜率p以及拟合方差Δ＝sum((y-Ln|I|)2),选取方差最小值处所对应的拟合区间作为最佳拟合区间，并以此区间的线性拟合斜率p的倒数作为等离子体电子温度Te结果输出，最后利用输出的Te和扣除离子电流后真实的电子饱和收集电流计算得到等离子体电子密度ne。
如图3、图4所示。
其中，计算电子密度ne的公式为：
Figure BDA0003503701800000081
上述公式中，e表示元电荷，me表示电子质量，k表示玻尔兹曼常数，S表示探针表面积，Ies表示等离子体空间电位(Vp)处所对应的饱和电子收集电流，注意，此电流为扣除离子电流之后的探针电子电流。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种Langmuir探针I-V曲线的数据处理系统，包括：
数据获取模块，被配置为获取等离子体的伏安曲线，并对其进行平滑处理；
拟合点数确定模块，被配置为选取电流为零处的探针电势作为等离子体悬浮电位，以电流对电压的一阶导的最大值作为等离子空间电位，以悬浮电位和空间电位作为过渡区的起止点，计算出过渡区点数，根据所述过渡区点数确定电子温度的线性拟合点数；
离子电流确定模块，被配置为对饱和区离子电流线性拟合并外推至等离子体空间电位处，并以此作为离子电流，然后从所述伏安曲线中扣除离子收集电流，从而获得电子收集电流；
电子参数计算模块，被配置为将空间电位作为拟合全区域终止点，向前推多个数据点作为拟合全区域,对拟合全区域内所有长度为拟合点数的区间进行最小二乘法线性拟合，确定所有线性拟合的斜率以及拟合方差，选取方差最小值处所对应的拟合区间作为最佳拟合区间，并以此区间的线性拟合斜率计算等离子体电子温度，进而计算得到等离子体电子密度。
具体功能如下：
(1)系统具有用户界面，如图2所示，在某区域(本实施例中为左上区域)为输入参数设置区，可执行的功能包括：①读取原始的I-V曲线，可读取excel、txt、csv等多种格式的原始数据；②输入探针表面积S；③设置原始I-V曲线中离子饱和收集电流的线性拟合区间，拟合区间为拟合起始处至探针电势最低处，其中拟合起始处为可调电势；④原始I-V曲线的平滑功能，其中平滑点数可设置为任意奇数。
(2)系统的某区域(本实施例中为左下区域)为输出参数区，可输出的等离子体参数包括Vf(等离子体悬浮电位)、Vp(等离子体空间电位)、Te(等离子体电子温度)和ne(等离子体电子密度)。
(3)一侧区域为图表显示区，从左到右，从上到下的四个图依次显示的是①原始的I-V曲线；②原始I-V曲线的一阶导数曲线；③离子饱和电子的线性拟合区域并外推至等离子体空间电位处；④原始探针电流的Ln|I|信号、扣除离子电流后的Ln|Ie|信号以及标准的电子电流的线性拟合区间。
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，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)获取等离子体的伏安曲线，并对其进行平滑处理；
(2)选取电流为零处的探针电势作为等离子体悬浮电位，以电流对电压的一阶导的最大值作为等离子空间电位，以悬浮电位和空间电位作为过渡区的起止点，计算出过渡区点数，根据所述过渡区点数确定电子温度的线性拟合点数；
(3)对饱和区离子电流线性拟合并外推至等离子体空间电位处，并以此作为离子电流，然后从所述伏安曲线中扣除离子收集电流，从而获得电子收集电流；
(4)将空间电位作为拟合全区域终止点，向前推多个数据点作为拟合全区域,对拟合全区域内所有长度为拟合点数的区间进行最小二乘法线性拟合，确定所有线性拟合的斜率以及拟合方差，选取方差最小值处所对应的拟合区间作为最佳拟合区间，并以此区间的线性拟合斜率计算等离子体电子温度，进而计算得到等离子体电子密度。
2.如权利要求1所述的一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，其特征是，所述步骤(2)中，根据所述过渡区点数确定拟合点数的具体过程包括：
计算出过渡区点数n，并以2n/3取整后的结果作为拟合点数。
3.如权利要求1所述的一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，其特征是，所述步骤(3)中，还将原始的电流数据一一对应地扣除离子电流，并对其结果取自然对数得到Ln|Ie|。
4.如权利要求1所述的一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，其特征是，所述步骤(4)中，拟合全区域的确定方法为，将空间电位Vp做为拟合全区域终止点，向前推2n个数据点作为拟合全区域(2Vf-Vp:Vp)。
5.如权利要求1所述的一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，其特征是，所述步骤(4)中，进行最小二乘法线性拟合后，得到直线y＝px+b，确定所有直线的线性拟合的斜率p以及拟合方差Δ＝sum((y-Ln|I|)2)。
6.如权利要求1所述的一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，其特征是，所述步骤(4)中，计算等离子体电子温度时，以方差最小值处所对应的拟合区间的线性拟合斜率p的倒数作为等离子体电子温度。
7.如权利要求1所述的一种用于获取等离子体参数的数据处理方法，其特征是，所述步骤(4)中，利用输出的Te和扣除离子电流后真实的电子饱和收集电流计算得到等离子体电子密度ne。
8.一种用于获取等离子体参数的数据处理系统，其特征是，包括：
数据获取模块，被配置为获取等离子体的伏安曲线，并对其进行平滑处理；
拟合点数确定模块，被配置为选取电流为零处的探针电势作为等离子体悬浮电位，以电流对电压的一阶导的最大值作为等离子空间电位，以悬浮电位和空间电位作为过渡区的起止点，计算出过渡区点数，根据所述过渡区点数确定电子温度的线性拟合点数；
离子电流确定模块，被配置为对饱和区离子电流线性拟合并外推至等离子体空间电位处，并以此作为离子电流，然后从所述伏安曲线中扣除离子收集电流，从而获得电子收集电流；
电子参数计算模块，被配置为将空间电位作为拟合全区域终止点，向前推多个数据点作为拟合全区域,对拟合全区域内所有长度为拟合点数的区间进行最小二乘法线性拟合，确定所有线性拟合的斜率以及拟合方差，选取方差最小值处所对应的拟合区间作为最佳拟合区间，并以此区间的线性拟合斜率计算等离子体电子温度，进而计算得到等离子体电子密度。
9.一种电子设备，其特征是，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。
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