[發(fā)明專利]關(guān)于強(qiáng)流脈沖高速等離子體的大量程抗干擾便捷式三探針診斷裝置及使用方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011096019.2
• 申請(qǐng)日: 2020-10-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112415250A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙崇霄;宋健;漆亮文;趙繁濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R19/00
• 分類號(hào): G01R19/00;G01K7/00;G01R29/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 劉秋彤;梅洪玉

1.關(guān)于強(qiáng)流脈沖高速等離子體的大量程抗干擾便捷式三探針診斷裝置，其特征在于，該裝置包括依次連接的等離子體發(fā)射器、三探針、三探針電路、示波器和數(shù)據(jù)處理器；所述的三探針電路包括：兩個(gè)直流電源、不間斷電源UPS、4個(gè)電容和2個(gè)電阻；UPS直接給直流電源供電以保證直流電源的穩(wěn)定性；三探針與等離子體接觸部分選用了三根鎢絲，標(biāo)記為P1、P2、P3；兩個(gè)直流電源的電壓不同；兩個(gè)直流電源的正極直接相連，再與三探針的一根鎢絲P1連接；兩個(gè)電源的負(fù)極都與4Ω電阻的一端連接，另一端與三探針另外兩根鎢絲P2、P3連接；在直流電源兩端與電阻兩端都并聯(lián)電容，用以減少信號(hào)干擾；三探針的電路裝置不接地，且為懸浮狀態(tài)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的關(guān)于強(qiáng)流脈沖高速等離子體的大量程抗干擾便捷式三探針診斷裝置，其特征在于，所述的2個(gè)直流電源分別標(biāo)記直流電源A和直流電源B，其中，直流電源A調(diào)節(jié)電壓為3V，直流電源B調(diào)節(jié)電壓為9V。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的關(guān)于強(qiáng)流脈沖高速等離子體的大量程抗干擾便捷式三探針診斷裝置，其特征在于，所述的兩個(gè)電源的負(fù)極都與4Ω電阻的一端連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的關(guān)于強(qiáng)流脈沖高速等離子體的大量程抗干擾便捷式三探針診斷裝置，其特征在于，所述的直流源兩端與電阻兩端都并聯(lián)的電容為1000pF。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的關(guān)于強(qiáng)流脈沖高速等離子體的大量程抗干擾便捷式三探針診斷裝置，其特征在于，所述的直流源兩端與電阻兩端都并聯(lián)的電容為1000pF。

6.權(quán)利要求1-5任一所述的關(guān)于強(qiáng)流脈沖高速等離子體的大量程抗干擾便捷式三探針診斷裝置的使用方法，其特征在于，具體如下：

S1、開(kāi)啟等離子體發(fā)射器，三探針置于在真空腔室中；

S2、在回路電源兩端以及電阻兩端并聯(lián)1000pF的電容，設(shè)：

1、等離子體的電子能量分布為麥克斯韋分布；

2、電子的平均自由程遠(yuǎn)大于每個(gè)探針周圍離子鞘的厚度和探針半徑；

3、離子鞘的厚度小于探針間的間隔，探針間的相互作用效應(yīng)忽略不計(jì)；

需要測(cè)量電路的四個(gè)電位，P2和P3的電位分別標(biāo)記為ch1和ch2，直流電源A負(fù)極和直流電源B兩端電位分別標(biāo)記為ch3和ch4；示波器的地線與P1連接；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了避免干擾，示波器也要處于懸浮狀態(tài)；三個(gè)探針的電壓分別為V1、V2、V3，本次實(shí)驗(yàn)為了與等離子體進(jìn)行匹配，電阻選擇了4Ω；在回路中可以看出電流間的相互關(guān)系為：

I₁＝I₂+I₃ (1)

其中I₁、I₂、I₃分別為P1、P2、P3上的電流；I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A；電壓間的關(guān)系為：

其中I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A；電壓間的關(guān)系為：

其中，V1表示探針P1的電位，V2表示探針P2的電位，V3表示探針P3的電位；Vd2表示P1和P2之間的電壓差，Vd3表示P1和P3之間的電壓差；

流入各探針內(nèi)的電流可以表達(dá)為：

-I₁＝-SJ_eexp(-φV₁)+SJ_i(V₁) (3)

I₂＝-SJ_eexp(-φV₂)+SJ_i(V₂) (4)

I₃＝-SJ_eexp(-φV₃)+SJ_i(V₃) (5)

其中：J_e為電子飽和電流密度，J_i為離子飽和電流密度，S為探針的表面積，k為玻爾茲曼常數(shù)，e和m_e分別為電子電量和電子質(zhì)量；與電子飽和電流相比，離子飽和電流的相對(duì)變化可忽略不計(jì)：

通過(guò)公式(3)，(4)，(5)可以得出：

通過(guò)公式(8)可以計(jì)算出電子溫度T_e；將公式(4)和(5)中的SJ_e消去，可以得到：

其中：

ΔV_d≡V_d3-V_d2＝V₃-V₂ (10)

通過(guò)公式(9)便可得出飽和離子電流通道J_i；在探針周圍的離子鞘層區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)可以部分穿透外部的等離子體區(qū)，形成通常稱為“準(zhǔn)中性等離子體區(qū)”的區(qū)域；準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)與鞘層交界處的電位為：

當(dāng)T_eT_i時(shí)，可以計(jì)算低壓等離子體在離子鞘邊界處的速度和離子電流密度：

其中，m_i和n_is分別為鞘層邊界的離子質(zhì)量與離子密度；在準(zhǔn)中性區(qū)域中，電子密度n_es與粒子密度n_is近似相等，并且電子滿足麥克斯韋能量分布，則有：

其中n_e為所要求的電子密度；離子鞘層表面積S’可以認(rèn)為與探針的實(shí)際表面積S近視相等；那么從公式(12)、(13)中可以得出：

通過(guò)公式(7)電子飽和密度可以寫(xiě)為：

以上，便可得出電子密度n_e。