[發明專利]柱狀朗繆爾探針以及適用于低密度等離子體的測量方法

在審

• 申請號: 202210652123.8
• 申請日: 2022-06-10
• 公開（公告）號: CN114980465A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 李建泉;張清和;李書翰;邢贊揚
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H05H1/00
• 分類號: H05H1/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發明提出了柱狀朗繆爾探針以及適用于低密度等離子體的測量方法，探針包括：金屬傳感器、絕緣墊片、傳感器保護管、探針絕緣支架、傳感器主導線以及保護管輔導線；所述金屬傳感器的下方為傳感器保護管，所述金屬傳感器和傳感器保護管之間設置有絕緣墊片；所述金屬傳感器的末端連接傳感器主導線，所述傳感器主導線依次穿過絕緣墊片和傳感器保護管并與探針外部電路相連；所述傳感器保護管的末端連接保護管輔導線，并與探針外部電路相連；所述傳感器保護管下方的部件為中空圓柱形的探針絕緣支架，所述保護管輔導線及傳感器主導線均穿過探針絕緣支架。利用該探針測量得到的等離子體電子溫度和電子密度等參數是準確可靠的。

技術領域

本發明屬于等離子體診斷技術領域，尤其涉及柱狀朗繆爾探針以及適用于低密度等離子體的測量方法。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

作為應用最廣泛的等離子體診斷手段之一，朗繆爾探針的主要優勢就在于能夠同時獲得多個等離子體參數以及具備很好的局域測量能力。在等離子體的靜電探針診斷中，根據經典的朗繆爾探針理論，朗繆爾探針I-V特性曲線的一階導峰值電勢(即伏安特性曲線的拐點電勢)就是等離子體空間電位；指數擬合I-V特性曲線過渡區的電子電流就能夠得到等離子體的電子溫度；利用電子溫度和等離子體空間電位所對應的探針收集電流(即電子飽和收集電流)就能夠進一步計算得到等離子體的電子密度。這種經典的朗繆爾探針數據處理方法也被稱之為朗繆爾探針的拐點法。

另一方面，根據帶電粒子的軌道運動限制(OML)理論，在低密度等離子體中，柱狀朗繆爾探針I²-V曲線的電子飽和區的電流隨著探針電勢的增加應該近似呈線性增長，該線性關系的斜率即為等離子體的電子密度。這種數據處理方法也被稱之為朗繆爾探針的OML法。

盡管朗繆爾探針已經被廣泛地應用于低溫等離子體的工業應用、實驗室等離子體研究、甚至是空間電離層等離子體探測，然而目前的朗繆爾探針無論是在探針結構設計方面還是診斷技術方面仍然面臨著嚴峻的挑戰。

其中，最主要的挑戰之一就是利用目前的朗繆爾探針仍無法實現低密度等離子體的準確測量。對于經典的朗繆爾探針拐點法，等離子體的準確測量，特別是電子密度的準確測量依賴等離子體空間電位測量結果的準確性、等離子體電子密度計算結果的可靠性以及電子飽和收集電流的定量準確性。

然而，在低密度等離子體中，對于傳統結構的朗繆爾探針，探針的金屬傳感器很容易陷入與其相連的絕緣支架上的懸浮鞘層中，即形成“終端效應”。該效應會導致探針的金屬傳感器無法全面積收集等離子體信號，從而引起探針收集到的電子電流過小，最終導致所獲得的等離子體電子密度往往是被低估的。

盡管有人已經提出，通過對平面朗繆爾探針或柱狀朗繆爾探針增添一個與探針傳感器同電勢的保護環或是保護管，能夠有效的改善絕緣支架所引起的“終端效應”。

然而，實際上，完全消除“終端效應”需要對朗繆爾探針進行精密且嚴謹的設計，探針保護部件與探針金屬傳感器之間任何外形(尺寸)上的差異都會引起新的“終端效應”。

還有，根據OML理論，柱狀朗繆爾探針周圍的鞘層也應該是圓柱形的，基于柱狀的鞘層理論，探針I²-V曲線電子飽和區的電流隨著探針電勢的增加應該近似呈線性增長。

但是，在低密度等離子體中，大量的實驗數據表明，柱狀朗繆爾探針周圍的鞘層往往更趨近于橢球形，這種橢球形的鞘層會導致I²-V曲線中電子飽和區電流的增加越來越快，即偏離理論預言的線性增長。

因此，利用現有的OML理論數據處理方法，通常無法獲得可靠的等離子體電子密度。

發明內容

為克服上述現有技術的不足，本發明提供了柱狀朗繆爾探針，以解決目前無法利用朗繆爾探針準確測量低密度等離子體的問題。