CN201594110U - 一种利用工频正弦电压测量离子源等离子体的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用工频正弦电压测量离子源等离子体的系统，主要是采用工频电源作为朗缪尔探针的扫描电源，通过自耦调压器来获得正弦工频扫描电压，加载于朗缪尔探针上，测量离子源等离子体参数。此方法不需要特别设计探针偏置电源的电路，具有简单、可靠和低费用的特点，可广泛的用于的大功率中性束注入器离子源以及各种离子加速器的离子源等离子体参数测量中。

Description

一种利用工频正弦电压测量离子源等离子体的系统

技术领域

本实用新型涉及等离子体探测领域，尤其是采用朗缪尔探针的一种利用工频正弦电压测量离子源等离子体的系统。

背景技术

离子源是各种粒子注入加速器的核心部件，同时也是中性束注入器的关键部件。用于产生高密度均匀的等离子体，并产生高能离子束的装置。离子源产生等离子体中的带电粒子用于加速成高能粒子束，因此需要对产生等离子体的基本参数进行诊断，尤其是带电粒子密度，以满足产生不同要求的离子束。

离子源是大功率中性束注入器的核心部件，同时也是各种离子束注入器的关键部件，离子源产生的等离子体的参数对于注入器有重要的影响。等离子体参数的测量有多种方法，如光谱诊断、探针诊断等。朗缪尔探针(也称静电探针)是应用最广泛的诊断工具，具有结构简单，原理简明和制作方便等特点。通过在朗缪尔探针加载偏置扫描电压，采集探针电压和电流信号可得到伏安曲线，分析可得到离子源等离子体参数。探针偏置电源的设置对诊断的结果有重要的影响，一般采用锯齿波或者三角波的方法，但是缺点是偏置电源需要专门设计，而且设计较为复杂。偏压电源电路的设计对探针的采集信号有较大的影响，产生较大的干扰信号，影响等离子体的测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种利用工频正弦电压测量离子源等离子体的系统，其结构简单，并且不会产生较大的干扰信号，即可完成对离子源等离子体的测量。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种利用工频正弦电压测量离子源等离子体的系统，其特征在于：包括自耦调压器及朗缪尔探针，所述朗缪尔探针伸入离子源内部，所述自耦调压器的前级电接入至工频交流电网，构成工频扫描电源，所述自耦调压器的后级分别与朗缪尔探针及离子源头部电源的公共参考电位电连接，向所述朗缪尔探针提供波形为正弦波的偏置扫描电压；还包括有数据采集模块，所述数据采集模块接入所述自耦调压器的后级与所述离子源头部电源的公共参考电位之间的电路中，以采集电压及电流信号。

本实用新型通过自耦调压器将工频电压转换为朗缪尔探针的偏置扫描电源。通过线路连接将工频扫描电源的一段接至朗缪尔探针上，另一段接至离子源头部电源的公共参考电位。在离子源放电过程中，等离子体作为探针回路的负载，利用采集模块同步采集探针偏压和探针电流并可调节扫描电源的幅值。根据数据采集结果可以获得探针的伏安曲线，分析后调节偏压幅值以获得符合要求的扫描电压。根据采集的多个伏安曲线可获得离子源放电的等离子体参数。

本实用新型可以获得离子源放电时的多个等离子体参数，并且可以获得等离子体参数的时间分布。在离子源放电过程中，给朗缪尔探针加载工频正弦电压，通过自耦调压器调节探针的偏压的幅值，可以在数毫秒内获得一个朗缪尔探针的伏安曲线，通过曲线分析可以得到等离子体电子温度、电子密度和等离子体空间电位等参数。在给定的时间内可以获得多个伏安曲线，可以获得等离子体参数随时间的变化关系。

本实用新型的有益效果为：可以通过简单的方法获得朗缪尔探针扫描电压，不需要专门的复杂电路设计；可以获得朗缪尔探针的伏安特性曲线，诊断离子源等离子体的多个参数，包括等离子体参数的时间和空间分布；可以有效的诊断等离子体参数，为离子源的放电调节优化提供有效的依据。

附图说明

图1为工频扫描测量离子源等离子体参数的系统方框图。

具体实施方式

本实用新型主要包括朗缪尔探针偏置电源，朗缪尔探针信号的传输和采集，以及探针信号的数据处理。朗缪尔探针偏置电源主要通过自耦调压器调压来实现，前极接于普通工频交流电网，后极接于朗缪尔探针系统中；在放电过程中，朗缪尔探针的信号电压和电流信号通过数据采集模块采集并存储。数据分析部分对采集的数据进行分析，获得探针的伏安特性曲线，诊断出离子源的等离子体参数。

如图1所示，离子源通过热阴极发射热电子电离实验气体产生等离子体，朗缪尔探针伸入到离子源的内部，等离子体中的电子和离子向探针运动，平衡时在探针与等离子体之间形成鞘层，而鞘层的类型会因探针的偏压不同而改变。探针的收集的电流(电子流或离子流)主要取决于探针偏置电压的加载。当探针加载的偏压相对离子源等离子体空间电位为正时，探针排斥离子吸收电子，其电流趋于电子饱和流；当其电位由正变为负时，探针收集的电子和离子的数目发生较大的变化，探针的电流表现为直线变化，根据其斜率变化可获得等离子体电子温度，由公式(1)给出

$T_e=\left|\frac{\mathrm{dV}}{d\ln (I+I_{i0})}\right|---\left(1\right)$

当探针偏置电压相对于等离子体空间电位很负时，探针排斥电子吸收离子，主要收集离子，探针电流称为离子饱和流，可获得等离子体的电子密度，由公式(2)给出

$n_e=\frac{I_{i0}}{2.5\×{10}^{-14}S\sqrt{T_e}}---\left(2\right)$

其中S是探针收集电子或离子的面积。

工频电压为正弦波，频率是50Hz，获得一个探针伏安曲线需要半个时间周期，为10ms，而计算离子源等离子体参数利用到伏安曲线变化的一段，只需要约6ms的时间，完全满足探针测量的需要。

本实用新型中的自耦调压器前级还有隔离变压器来实现工频电网与实验系统的参考电位隔离，自耦调压变压器用于调节扫描电压的幅值。偏置扫描电压设定后进行离子源放电，数据采集系统同步采集探针电压和电流信号，可获得探针的伏安特性曲线。通过对探针伏安特性曲线的分析可以获得离子源等离子体参数，如电子密度和电子温度等。

Claims (1)

1.一种利用工频正弦电压测量离子源等离子体的系统，其特征在于：包括自耦调压器及朗缪尔探针，所述朗缪尔探针伸入离子源内部，所述自耦调压器的前级电接入至工频交流电网，构成工频扫描电源，所述自耦调压器的后级分别与朗缪尔探针及离子源头部电源的公共参考电位电连接，向所述朗缪尔探针提供波形为正弦波的偏置扫描电压；还包括有数据采集模块，所述数据采集模块接入所述自耦调压器的后级与所述离子源头部电源的公共参考电位之间的电路中，以采集电压及电流信号。

Images