[發明專利]一種三電極結構的靜電探針系統

有效

• 申請號: 202010715223.1
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111935893B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 王傳勝;林鑫;李飛;張仕忠;余西龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: H05H1/00
• 分類號: H05H1/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 焦海峰

本發明公開一種三電極結構的靜電探針系統，三電極探針單元收集電子電流和離子電流，通過耐高壓射頻降噪單元去除射頻噪聲；去除射頻噪聲后的電流經取樣電阻后輸入到功放單元，經功放單元的接地端構成探針回路；功放單元將信號控制及數據處理單元產生的周期性掃描電壓信號放大并加載到三電極探針單元的探針極；電流采集單元同時采集探針極和參考極的電流信號，先通過工頻干擾抑制器主動消除工頻噪聲，再經過隔離器輸入到信號控制及數據處理單元處理得到電子密度和電子溫度數據。實現對射頻噪聲的補償和對工頻噪聲的主動消除，進而得到高信噪比的伏安特性曲線，能夠實現對含有強烈射頻噪聲和工頻干擾的等離子體電子溫度和電子密度的準確測量。

技術領域

本發明屬于等離子體診斷技術領域，具體涉及一種三電極結構的靜電探針系統。

背景技術

靜電探針診斷因其結構簡單，成本低廉以及診斷參數多樣而廣受關注。靜電探針診斷的基本原理是插入到等離子體中的一根金屬針在電壓的作用下會吸引等離子體中的離子和電子，從而形成電流。通過測量探針電壓和電流獲得含有等離子體電子密度和電子溫度等信息的伏安特性曲線，然后可根據曲線結合探針理論計算得到等離子體的關鍵參數例如電子溫度、電子密度等。

目前的靜電探針系統對含有射頻噪聲和工頻干擾的等離子體診斷時存在困難，這類噪聲的存在導致伏安特性曲線信噪比差，無法得到電子溫度和電子密度數據，這一問題在大功率等離子體設備例如深空探測氣動熱防護領域中極為重要的MW級高頻感應風洞中尤其明顯，因此消除上述噪聲獲得高信噪比伏安特性曲線成為了診斷等離子體參數的關鍵。針對以上噪聲問題的處理，目前主要采用Isaac D Sudit和Francis F Chen 1993的文章里提出的探針結構，即使用扼流圈實現對射頻干擾定頻限波。但運用此技術的探針只能應用于與限波頻率匹配的放電系統，其他放電頻率不能直接使用，并且由于噪聲一般呈現包絡分布特性，并非為無限窄的單一頻率，因此該方法并不能完全消除噪聲，因大功率設備中噪聲的絕對值較大，這一問題導致的伏安特性變形尤其明顯。另外工頻干擾等低頻噪聲在實驗室等離子體中廣泛存在，特別是對于射頻、微波等放電而言，電源會耦合工頻成分，該噪聲會導致伏安特性曲線振動。由于工頻頻率難以通過濾波方法消除，需要單獨處理，造成參數診斷困難。根據現有靜電探針診斷公開發表資料顯示，目前尚沒有針對靜電探針診斷中對工頻等低頻噪聲干擾抑制的技術。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種三電極結構的靜電探針系統，使用包含探針極、補償極和參考極的三電極探針，結合噪聲抑制電路實現了對探針電流中噪聲的抑制，能夠獲得高信噪比伏安特性曲線，解決了對具有射頻噪聲和工頻干擾的等離子體關鍵參數能否精確診斷的難題。補償極通過隔直電容與探針極相連，實現對探針極周圍等離子體的空間電勢振動的有效補償；耐高壓射頻抑制單元實現對射頻頻段范圍內的噪聲的有效抑制；參考極結合電流采集單元實現對工頻噪聲的主動消除，同時將整套探針的電路系統置于金屬屏蔽盒內避免空間電磁場的干擾。

本發明采取的技術方案為：

一種三電極結構的靜電探針系統，包含：三電極探針單元、耐高壓射頻降噪單元、功放單元、電流采集單元和信號控制及數據處理單元，三電極探針單元設置為探針極P1、參考極P2和補償極P3組成的三電極探頭；

所述三電極探針單元收集電子電流和離子電流，通過耐高壓射頻降噪單元去除射頻噪聲；

去除射頻噪聲后的電流經取樣電阻后輸入到功放單元，經功放單元的接地端構成探針回路；同時所述功放單元將信號控制及數據處理單元產生的周期性掃描電壓信號放大并加載到三電極探針單元的探針極P1；

所述電流采集單元同時采集探針極P1和參考極P2的電流信號，先通過工頻干擾抑制器主動消除工頻噪聲，該信號再經過隔離器輸入到所述信號控制及數據處理單元處理得到電子密度和電子溫度數據。