用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路

摘要

本发明公开了一种用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路，属于等离子体诊断技术领域。控制电路整体位于等离子体装置之外，包括三个Langmuir单探针、交流锯齿波供电电压发生装置、直流供电电压发生装置、双刀双掷开关、反向开关、第一双刀三掷开关、第二双刀三掷开关、第一单刀单掷开关、第二单刀单掷开关和转换电阻，通过切换控制电路中的开关来进行Langmuir单探针、双探针和三探针不同诊断电路之间的选择，并提供清洗电路实现对探针的清洗操作。本发明利用了三种探针诊断方法在实验设备上的相同点，可以节约实验成本。结合三种诊断方法的不同点，通过转换控制电路切换不同方法，方便快捷，大大缩短实验周期；可以在实验过程中对探针进行清洗，使实验结果更加准确。

说明书

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术领域，涉及接触式诊断方法，具体地说，是指一种用于等 离子体诊断的Langmuir多探针控制电路。

背景技术

等离子体诊断分为接触式和非接触式两种，Langmuir探针技术属于接触式测量的一种， 是最早应用于等离子体诊断的有效工具。

1923-1935年期间，朗缪尔（Langmuir）首次使用静电探针诊断等离子体，发展了基本方 法和理论，对探针技术作了大量开创性的研究工作，所以静电探针称为Langmuir探针。静电 探针是一个伸入等离子体中的导体，它可以有各种形状和大小，这取决于具体的实验要求， 而最常用的有球形、圆柱和平板三种形状，制作探针的材料一般使用钨、金、铂、铱、石墨 等。

Langmuir探针工作时，将探针置于等离子体中，那么等离子体、探针和外部电路构成电 流回路。探针的电势由外部电路的偏置电压决定，探针同等离子体之间存在有电势差，因而 吸引等离子体中的带电粒子。探针电势的变化、空间位置的变化导致探针吸引的带电粒子的 数量发生变化，反应为探针电路中的电流发生改变。探针吸收的电流同等离子体的状态有关， 通过测量不同条件下的探针电流，得到探针的电压电流曲线，然后根据相应的探针理论进行 分析和计算，就可以获得等离子体温度、密度、电位等参数。

目前，最广泛应用于等离子体诊断的是Langmuir单探针，因为单探针方法能够得到的等 离子体参数最多，如悬浮电位、空间电位、电子温度、电子浓度、电子能量分布。但是在单 探针理论中，只有一个探针作为参考电极，这时需要使用放电喷口的阳极、阴极或与等离子 体接触的室壁等作为另一个参考电极，但是这个参考电极在有些场合是找不到的，比如在无 极放电、余辉放电、电离层等离子体的情况下无法找到。而且在有些等离子体中等离子体的 空间电位是周期变化的，或者是随时间衰减变化的。单探针测量时，避免不了等离子体空间 电位的影响，所以这时单探针是无法进行测量的。因此，必须找到一个电极来监测空间等离 子体的电位变化，这样发展出了Langmuir双探针的悬浮测量法。Langmuir双探针有两个电极， 双探针电路仅与两根探针之间的很小一部分等离子体作用形成探针回路，整个回路处于整体 悬浮状态，对等离子体扰动小，受等离子体空间电位影响小，能够测量等离子体中更小体积 范围内的电子温度、电子浓度。Langmuir单探针和双探针方法都需要在特定测点处对探针进 行电压扫描，记录相应电压状态下的电流值，以获得典型的电流-电压（I-V）特征曲线，然 后对特征曲线进行相应的分析、计算才能获得等离子体参数。这个分析计算过程十分复杂、 数据量大、需要丰富的经验，仅适用于稳态等离子体的参数测量，对瞬时放电的等离子体参 数的测量存在一定的局限性。为了克服这些障碍，Chen和Sekiguchi（见参考文献[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年给出 了三探针方法，该方法是一个新的简单的方法，它不需要进行电压扫描就可以在某个测点上 计算出电子温度和电子浓度的值。下面分别介绍三种理论方法及其简单的实验电路。

Lagmuir单探针的测量原理图见附图1。图1中1是Langmuir探针，2是等离子体，3是 交流锯齿波供电电压发生装置，4是电压测量设备，5是电流测量设备。调节交流锯齿波供电 电压发生装置（Power Unit）3，输出扫描电压，使Langmuir探针1电位产生正负周期变化， 测量回路中对应于每个电压值的电流值，绘制成图，就构成了理想的Langmuir单探针的伏安 特性曲线，见图2。从图2中可以直接得到的参量有：悬浮电位V_f，等离子体空间电位V_s， 电子饱和电流I_e0，离子饱和电流I_sat。通过Langmuir单探针理论，可以计算得到等离子体电 子温度、电子密度及电子的能量分布。

Lagmuir双探针的测量原理图见图3。同样，调节交流锯齿波供电电压发生装置3，输出 扫描电压，使Langmuir探针1的电位产生正负周期变化，测量回路中对应于每个电压值的电 流值，绘制成图，就构成了理想的Langmuir双探针的伏安特性曲线，见图4。与单探针不同 的是，双探针的伏安特性曲线是对称的，直接可以得到离子饱和电流I_sat1和I_sat2。通过Langmuir 双探针理论，还可以计算得到等离子体电子温度、电子密度。

Lagmuir三探针的测量原理图见附图5。三探针的其中两根探针分别接在直流供电电压发 生装置6输出电压的两端，另外一根探针悬浮。当有等离子体2通过时，只要测量出浮置探 针和正偏置探针之间的电势差V_d2和正负偏置探针回路之间的电流I就可以根据三探针理论 计算出等离子体电子温度和电子浓度的值。三探针方法不仅可以测量稳态等离子体，也是瞬 态等离子体测量的有力工具。

综上所述，如果在等离子体参数测量诊断的过程中，将Langmuir单探针、双探针和三探 针三种方法有机结合起来，就可以快捷、准确、全面地得到稳态等离子体和瞬态等离子体的 特性参数。

发明内容

本发明是一种将Langmuir单探针、双探针、三探针三种不同的诊断技术有机结合在一起 的多探针系统，可以通过切换外电路的不同设置，方便快捷地达到三种不同诊断方法之间的 转换，从而获得不同诊断方法条件下的等离子体电子温度、电子浓度（离子浓度）、悬浮电位、 空间电位等参数。本发明提供的用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路充分利用了 Langmuir单探针、双探针、三探针三种诊断方法在供电电源、清洗方法、探针使用、测量参 量等方面的相同点，将三种诊断方法有机组合在一起。整个控制电路位于等离子体装置之外， 可以在保持等离子体装置内部状态不变的情况下，通过切换控制电路中的开关来进行 Langmuir单探针、双探针和三探针不同诊断方法之间的选择，并实现对探针的清洗操作。

所述的控制电路包括三个Langmuir单探针、交流锯齿波供电电压发生装置、直流供电电 压发生装置、双刀双掷开关、反向开关，第一双刀三掷开关、第二双刀三掷开关、第一单刀 单掷开关、第二单刀单掷开关和转换电阻，其中，三个Langmuir探针之间连接有第一单刀单 掷开关和第二单刀单掷开关，分别控制上下两根Langmuir单探针和中间Langmuir单探针的 导通性；所述的双刀双掷开关的两个下位分别连接交流锯齿波供电电压发生装置的正极和负 极，两个上位分别连接反向开关的正极和负极，所述的反向开关连接直流供电电压发生装置 的正负极。

所述的第一双刀三掷开关的双刀引脚与双刀双掷开关的双刀引脚之间并联连接转换电阻、 第一电压测量设备和第二电压测量设备；第一双刀三掷开关和第二双刀三掷开关的上中下三 位对应连接；第一双刀三掷开关下位触点接地，第二双刀三掷开关的下位触点悬空，第二双 刀三掷开关的双刀引脚分别与上中两根Langmuir单探针相接；上Langmuir单探针与下 Langmuir单探针之间接入第三电压测量设备。

本发明的优点在于：

（1）利用了三种探针诊断方法在实验设备上的相同点，可以节约实验成本。

（2）结合三种诊断方法的不同点，通过转换控制电路切换不同方法，方便快捷，大大缩 短实验周期。

（3）加入了探针的清洗电路，可以在实验过程中对探针进行清洗，使实验结果更加准确。

附图说明

图1是Langmuir单探针的测量原理图；

图2是理想的Langmuir单探针的I-V曲线；

图3是Langmuir双探针的测量原理图；

图4是理想的Langmuir双探针的I-V曲线；

图5是Langmuir三探针的测量原理图；

图6是本发明提供的用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路结构示意图。

图中：

1-Langmuir多探针；2-等离子体装置；3-交流锯齿波供电电压发生装置；4-电压测量设备； 5-电流测量设备；6-直流供电电压发生装置；7-函数信号发生器；8-功率放大器；S1为双刀双 掷开关；S2为反向开关；S3和S4分别为第一双刀三掷开关和第二双刀三掷开关；S5和S6 分别为第一单刀单掷开关和第二单刀单掷开关；R1为转换电阻；V1、V2和V3分别为第一、 第二和第三电压测量装置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式。

本发明中将三根直径0.3mm的钨丝作为Langmuir多探针1，安装在同一根耐高温氧化 铝(Al₂O₃)四孔陶瓷管中，彼此之间相互隔开2mm的距离。钨丝和屏蔽同轴电缆线焊接在一 起，通过特制的法兰盘整体穿过等离子体装置2的器壁，与控制电路的输出端连接在一起。 整个控制电路位于等离子体装置2之外，可以在保持等离子体装置2内部状态不变的情况下， 通过切换控制电路中的开关来进行Langmuir单探针、双探针和三探针不同诊断方法之间的选 择，并实现对探针的清洗操作。

如图6所示，本发明提供的用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路，主要包含了 Langmuir多探针1、交流锯齿波供电电压发生装置3、直流供电电压发生装置6、双刀双掷开 关S1、反向开关S2，第一双刀三掷开关S3、第二双刀三掷开关S4、第一单刀单掷开关S5、 第二单刀单掷开关S6和转换电阻R1，V1、V2和V3分别为第一、第二和第三电压测量装置。

其中，Langmuir多探针探针1的三根探针之间连接有第一单刀单掷开关S5和第二单刀 单掷开关S6，分别控制上下两根探针与中间探针的导通性。

所述的双刀双掷开关S1的两个下位分别连接交流锯齿波供电电压发生装置3的正极和负 极，两个上位分别连接反向开关S2的正极和负极，所述反向开关S2连接直流供电电压发生 装置6的正负极。

所述的第一双刀三掷开关S3的双刀引脚与双刀双掷开关S1的双刀引脚之间并联连接转 换电阻R1、电压测量设备V1和电压测量设备V2。第一双刀三掷开关S3和第二双刀三掷开 关S4的上中下三位对应连接；第一双刀三掷开关S3的下位触点接地，第二双刀三掷开关S4 的下位触点悬空；第二双刀三掷开关S4的双刀引脚分别与上中两根探针相接；上探针与下探 针之间接入第三电压测量设备V3。

第一电压测量设备V1通过测量转换电阻R1（R1=1kΩ）两端的电压值，来确定回路电 流I，相当于电流测量设备。第二电压测量设备V2用来测量测量回路中探针的电位。这两路 测量信号接入到采集系统内，生成电流-电压（I-V）特征曲线。第一电压测量设备V1和第二 电压测量设备V2的测量数据是通过HBM的GEN2i便携式数据记录仪(数据采集仪共16个 差分隔离通道，每个通道的最大采集速率为200kS/s)来采集、显示和存储的。

将Langmuir多探针1浸入到等离子体装置2中，并使多探针系统固定在等离子体装置2 中，通过特制的法兰盘使每个探针的信号引出线穿过等离子体装置2的器壁引出。等离子体 装置2的器壁接地。将多探针系统包含三个Langmuir探针，各自连接一根信号引出线，其中 两根信号引出线连接到电路控制系统的输出端，另外一根信号引出线悬浮。

函数信号发生器7和功率放大器8串联组成了交流锯齿波供电电压发生装置3，用来给 Langmuir单探针和双探针提供扫描电压。交流锯齿波供电电压发生装置3使用GWINSTEK 厂家GFG-8020H型号的函数信号发生器7和功率放大器8串联而成，方便调节锯齿波的输出 频率（1-1M Hz）和输出幅值（±100V）。

直流供电电压发生装置6采用SUING SS2323可跟踪直流稳定电源，可输出0-64V范围 内可调的直流稳压信号，由两台可跟踪直流稳定电源串联而成，可以给Langmuir三探针供给 40V的直流测量电压，也可以输出100V左右的清洗电压，用以探针的清洗。

采用本发明提供的用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路，可以实现单探针诊断 电路、双探针诊断电路和三探针诊断电路，具体实现方式如下：

1、单探针诊断电路：

将双刀双掷开关S1、第一双刀三掷开关S3和第二双刀三掷开关S4都打到下位，第一单 刀单掷开关S5和第二单刀单掷开关S6断开，这样交流锯齿波供电电压发生装置3的正极输 出到一根探针，负极输出接地，成为使用三根探针中其中一根作为Langmuir单探针的诊断电 路。调节交流锯齿波供电电压发生装置3，输出正负周期扫描电压，使用第二电压测量设备 V2测量Langmuir探针1两端电压，回路电流通过测量转换电阻R1两端的电压转化而来。将 电压信号作为x轴，电流信号作为y轴绘制成图，即成单探针的I-V曲线，通过单探针原理 获得相应的等离子体参数。如果把第一单刀单掷开关S5和第二单刀单掷开关S6闭合，即： 使用短接在一起的三根探针作为单探针来使用，提高了探针的采集面积，在一定程度上提高 了采集信号的信噪比。通过单探针原理可以得到等离子体特定测点处的悬浮电位、空间电位、 电子浓度、电子温度及电子能量分布。

2、双探针诊断电路：

将双刀双掷开关S1打到下位，第一双刀三掷开关S3和第二双刀三掷开关S4打到中位， 第一单刀单掷开关S5和第二单刀单掷开关S6断开，成为使用三根探针中其中两根作为 Langmuir双探针的诊断电路。交流锯齿波供电电压发生装置3的输出电压两极分别接到两根 探针上，这样，双探针的电路是整体悬浮的，减少了对等离子体的扰动。调节交流锯齿波供 电电压发生装置3，输出正负周期扫描电压，测量和记录两根探针之间的电压和回路电流绘 制成图，就形成了双探针的I-V曲线。通过双探针原理可以获得被测等离子体的电子温度和 电子浓度。

3、三探针诊断电路：

将双刀双掷开关S1打到上位，第一双刀三掷开关S3和第二双刀三掷开关S4打到上位， 第一单刀单掷开关S5和第二单刀单掷开关S6断开，就构成了Langmuir三探针的诊断回路。 调节直流供电电压发生装置6的输出，设定电压输出幅值为40V，电源的输出两极分别接在 其中的两根探针上，另外一根探针悬浮。使用第三电压测量设备V3测量正偏置探针和悬浮 探针之间的电势差，回路电流仍然由转换电阻R1换算而来，就可以根据三探针理论计算出 被测等离子体的电子温度和电子浓度。

4、清洗电路

由于实验过程中可能会导致探针污染，所以本发明的控制电路中也设计了探针的清洗电 路。清洗电路是给探针加以±100V左右的电压，利用探针在电压作用下吸引等离子体中的电 子和离子来轰击探针表面，达到清除探针表面污染物的目的。将直流供电电压发生装置6的 输出幅值调节到100V左右，将双刀双掷开关S1打到上位，第一双刀三掷开关S3和第二双 刀三掷开关S4打到下位，第一单刀单掷开关S5和第二单刀单掷开关S6闭合，这样将三根 探针短路成一根探针来进行清洗，清洗电压发生装置采用两台SUING SS2323可跟踪直流稳 定电源串联而成，可输出0-128V范围内可调的直流稳压信号。为了保证清洗的对称性和充 分性，可以通过反向开关S2来不时地改变清洗电源的极性。

本发明是在充分考虑了Langmuir单探针、双探针、三探针三种诊断方法在供电电源、清 洗方法、探针使用、测量参量方面存在的相同点或差异点的基础上，充分利用相同点，利用 电路控制系统来区分开三种不同的诊断方法。整个电路控制系统位于等离子体装置之外，可 以在保持等离子体装置内部状态不变的情况下，通过切换电路控制系统中的开关来进行 Langmuir单探针、双探针和三探针不同诊断方法之间的选择，并实现对探针的清洗操作。