[發(fā)明專利]用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310038992.2
• 申請(qǐng)日: 2013-01-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103140009A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯海濱;張尊;楊淵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H05H1/00
• 分類號(hào): H05H1/00
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于等離子體診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及接觸式診斷方法，具體地說(shuō)，是指一種用于等離子體診斷的Langmuir多探針控制電路。

背景技術(shù)

等離子體診斷分為接觸式和非接觸式兩種，Langmuir探針技術(shù)屬于接觸式測(cè)量的一種，是最早應(yīng)用于等離子體診斷的有效工具。

1923-1935年期間，朗繆爾（Langmuir）首次使用靜電探針診斷等離子體，發(fā)展了基本方法和理論，對(duì)探針技術(shù)作了大量開(kāi)創(chuàng)性的研究工作，所以靜電探針?lè)Q為L(zhǎng)angmuir探針。靜電探針是一個(gè)伸入等離子體中的導(dǎo)體，它可以有各種形狀和大小，這取決于具體的實(shí)驗(yàn)要求，而最常用的有球形、圓柱和平板三種形狀，制作探針的材料一般使用鎢、金、鉑、銥、石墨等。

Langmuir探針工作時(shí)，將探針置于等離子體中，那么等離子體、探針和外部電路構(gòu)成電流回路。探針的電勢(shì)由外部電路的偏置電壓決定，探針同等離子體之間存在有電勢(shì)差，因而吸引等離子體中的帶電粒子。探針電勢(shì)的變化、空間位置的變化導(dǎo)致探針吸引的帶電粒子的數(shù)量發(fā)生變化，反應(yīng)為探針電路中的電流發(fā)生改變。探針吸收的電流同等離子體的狀態(tài)有關(guān)，通過(guò)測(cè)量不同條件下的探針電流，得到探針的電壓電流曲線，然后根據(jù)相應(yīng)的探針理論進(jìn)行分析和計(jì)算，就可以獲得等離子體溫度、密度、電位等參數(shù)。

目前，最廣泛應(yīng)用于等離子體診斷的是Langmuir單探針，因?yàn)閱翁结樂(lè)椒軌虻玫降牡入x子體參數(shù)最多，如懸浮電位、空間電位、電子溫度、電子濃度、電子能量分布。但是在單探針理論中，只有一個(gè)探針作為參考電極，這時(shí)需要使用放電噴口的陽(yáng)極、陰極或與等離子體接觸的室壁等作為另一個(gè)參考電極，但是這個(gè)參考電極在有些場(chǎng)合是找不到的，比如在無(wú)極放電、余輝放電、電離層等離子體的情況下無(wú)法找到。而且在有些等離子體中等離子體的空間電位是周期變化的，或者是隨時(shí)間衰減變化的。單探針測(cè)量時(shí)，避免不了等離子體空間電位的影響，所以這時(shí)單探針是無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的。因此，必須找到一個(gè)電極來(lái)監(jiān)測(cè)空間等離子體的電位變化，這樣發(fā)展出了Langmuir雙探針的懸浮測(cè)量法。Langmuir雙探針有兩個(gè)電極，雙探針電路僅與兩根探針之間的很小一部分等離子體作用形成探針回路，整個(gè)回路處于整體懸浮狀態(tài)，對(duì)等離子體擾動(dòng)小，受等離子體空間電位影響小，能夠測(cè)量等離子體中更小體積范圍內(nèi)的電子溫度、電子濃度。Langmuir單探針和雙探針?lè)椒ǘ夹枰谔囟y(cè)點(diǎn)處對(duì)探針進(jìn)行電壓掃描，記錄相應(yīng)電壓狀態(tài)下的電流值，以獲得典型的電流-電壓（I-V）特征曲線，然后對(duì)特征曲線進(jìn)行相應(yīng)的分析、計(jì)算才能獲得等離子體參數(shù)。這個(gè)分析計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，僅適用于穩(wěn)態(tài)等離子體的參數(shù)測(cè)量，對(duì)瞬時(shí)放電的等離子體參數(shù)的測(cè)量存在一定的局限性。為了克服這些障礙，Chen和Sekiguchi（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]：Chen,S.L.,and?Sekiguchi,T.,“Instantaneous?Direct-Display?System?of?Plasma?Parameters?by?Means?of?Triple?Probe,”Journal?of?Applied?Physics,Vol.26,No.8,1965,pp.2363–2375.）在1965年給出了三探針?lè)椒ǎ摲椒ㄊ且粋€(gè)新的簡(jiǎn)單的方法，它不需要進(jìn)行電壓掃描就可以在某個(gè)測(cè)點(diǎn)上計(jì)算出電子溫度和電子濃度的值。下面分別介紹三種理論方法及其簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)電路。

Lagmuir單探針的測(cè)量原理圖見(jiàn)附圖1。圖1中1是Langmuir探針，2是等離子體，3是交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置，4是電壓測(cè)量設(shè)備，5是電流測(cè)量設(shè)備。調(diào)節(jié)交流鋸齒波供電電壓發(fā)生裝置（Power?Unit）3，輸出掃描電壓，使Langmuir探針1電位產(chǎn)生正負(fù)周期變化，測(cè)量回路中對(duì)應(yīng)于每個(gè)電壓值的電流值，繪制成圖，就構(gòu)成了理想的Langmuir單探針的伏安特性曲線，見(jiàn)圖2。從圖2中可以直接得到的參量有：懸浮電位V_f，等離子體空間電位V_s，電子飽和電流I_e0，離子飽和電流I_sat。通過(guò)Langmuir單探針理論，可以計(jì)算得到等離子體電子溫度、電子密度及電子的能量分布。