用于超高温气体射流径向动态电子温度表征的电子探针

摘要

本发明涉及用于超高温气体射流径向动态电子温度表征的电子探针，包括电子探头与玻璃套管烧结在一起，电子探头一端与玻璃套管截面齐平，另一端露出玻璃套管连接导线，由此构成一根圆柱探头；将电子探头排成一行置于冷却水套中，由高温胶将其两端口固结为一体，在冷却水套14的内设置一冷却水的进和出水管路，高温胶固接点下方的玻璃管包敷电子探头直接浸泡在冷却水腔中，耐水胶18密封以及固接冷却水套与玻璃套管11的出口，水冷套14及探针整体呈楔形。该电子探针可用于温度高达18000 K的超高温气体中，由于直线排列多个探头，同时工作可在单点测量的短时间内得到多点的数据，楔形角设计减少探针在测量时对高温高速气体流场的扰动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超高温流动气体射流的径向电子温度动态不对称性及其变化规律的定性表征的电子探针设计，特别是涉及一种用于超高温流动气体射流的径向电子温度动态不对称性及其变化规律的定性表征的多测点楔形电子探针设计。

背景技术

冷等离子体在功能薄膜制造和刻蚀技术等相关的各个领域有广泛的应用，在低气压非平衡冷等离子体条件下，气体温度一般不高于数百度，而其中的电子温度则可能超过数万度，正是电子的能量及其分布与变化对工艺过程和结果起着决定性的作用，静电探针是用于测量这种条件下等离子体中电子温度的一种简单而实用的方法。这种条件下的等离子体气体温度不高，空间变化梯度小，静电探针的结构因此很简单。此外，热等离子体气体温度一般在3000-20000K，广泛应用于喷涂工艺，在零部件表面制备耐磨损、抗腐蚀或隔热涂层，应用于航空航天、机械加工、冶金、化工以及生物工程等领域，这种等离子体不仅温度极高，气流速度一般超过每秒数百米，并且温度和速度的变化梯度也极大，同时存在着各种导致等离子体流场和温度随时间不规律和非均匀变化的复杂因素，常规的测温方法在这种情况下无法使用，而这里的温度及其分布的不稳定性是导致喷涂等工艺的不可控和重复性差的重要因素，即使是对温度的时间或空间波动的定性的表征也会对工艺过程的控制提供有意义的信息。在这种超高温的条件下，根据气体的压力、温度、以及气体种类的不同，其电离度和处于各种激发态的粒子数密度也相应变化，因此，对这种等离子体射流的温度及其分布，常采用光谱诊断的方法进行测量。光谱测量方法对气体射流本身不产生任何外加扰动，但是设备比较昂贵，并且根据被测对象的状态不同，要选择相应的测量和数据分析方法，否则很难判断测量结果的准确性，要用光谱的方法进行三维瞬时的动态测量，技术上是非常困难的。

静电探针用于大气压条件下等离子体中的电子温度测量在理论上存在一些争议，但已有一些简单的实际应用例，表明测量的结果基本上能正确反应等离子体射流的实际电子温度及其分布情况。用于热等离子体射流测量的电子探针需要水冷，同时，为了不干扰等离子体的流动和得到好的空间分辨，探针的尺寸应该尽可能小。目前，应用于热等离子体电子温度测量的电子探针不多，很好满足冷却和小尺寸条件的探针基本上查不到；同时，现在应用的电子探针都是单测点结构(即采用单根金属丝作为探头)，也就是对稳态的等离子体，在固定的测量点测得一组探针电流随电路外加电压变化的曲线，由此导出该点的电子温度，没有能够同时测量多个测点的电子温度或能够比较多点位置间瞬时状态相对变化的电子探针。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电子探针，能够用于温度高达18000K、温度沿射流直径方向的空间变化梯度，达到每毫米数千度的超高温流动气体射流的径向电子温度动态不对称性及其变化规律的定性表征。

本发明提供的用于超高温气体射流径向动态电子温度表征的电子探针，包括1根或2-30根用耐高温导电材料制作的电子探头12，电子探头12外套一根玻璃套管11，电子探头12的外壁与玻璃套管11内壁烧结在一起，每根电子探头12一端与玻璃套管11截面齐平，另一端露出玻璃套管11连接导线，由此构成一根圆柱探头，同样可以制作10根电子探头12；一冷却水套14前方设计为楔形角，以对气流扰动的较小；再将一根或10根探头排成一行置于冷却水套14中，由高温胶将其两端口固结为一体，如图3所示；在冷却水套14的下端设一开口17，该开口17内设置一冷却水的进水管路16，进水管16的高度尽量高，一般与圆柱探头同高，其直径小于开口17(采用水以下进上出的方式)，高温胶固接点下方的玻璃管包敷电子探头直接浸泡在冷却水腔15中，采用一般耐水胶18密封以及固接冷却水套与玻璃套管11的出口，水冷套14及探针整体呈楔形。

在上述的技术方案中，电子探头12采用镍铝合金丝、镍锘合金丝或其它耐氧化导电材料制作，其单根电子探头12的横截面(也就是测点面积)可选择直径在0.1-0.5mm的范围内。

在上述的技术方案中，根据测量精度的要求冷却水套14可以选择不同的楔形角以调整探针对气流扰动的影响，在便于加工的条件下，对气流扰动的较小的楔形角可以取为6°-30°大小。

在上述的技术方案中，探针冷却水套和进出水管的材料均选用紫铜或其它导热良好的耐高温材料，以保证高效的散热。

在上述的技术方案中，玻璃套管(11)的管壁厚度在0.1-1mm的范围内。

本发明的优点在于

1)探针的头部直线排列了多个(1个或大于1个)可以同时且相互独立工作的电子探头，各探头同时工作可在单根电子探头测量一个空间位置点的数据的短时间内得到多点或整个直径范围的数据。从结构设计上保证了探针能够用于超高温流动气体射流的径向电子温度动态不对称性及其变化规律的定性表征。

2)由于有良好的冷却效果，电子探头材料可替换以往静电探针探头选用的耐高温钨丝合金，而采用镍铝合金丝、镍锘合金丝或其它耐氧化导电材料，这样可以有效缓和在大气环境中使用时探头表面的氧化，不仅是为了提高使用寿命，也能提高测量数据的可靠性和可重复性，因为电子探头表面氧化的进展将改变表面的微观形貌，也就是会改变实际的探头表面积，因而产生难以准确估算的误差。

3)电子探头外烧结包敷厚度均匀的毛细玻璃管，不仅包敷层的厚度尺寸误差范围小，可以提高电子探头的排布精度，也就是提高探测点位置的定位精度，同时，由于烧结包敷可以消除绝缘层和电子探头之间的间隙，避免电子探头的侧面也参与电子采集，能确保探测面积的精确性，从而提高测量精度。

4)高温胶能承受与镍铝合金相当的温度，并且具有良好的耐水性，同时起到固接电子探头和探针冷却套以及密封水的作用，合理减少高温胶的使用量和厚度，可以使其在超过一万度的高温气流的热冲击作用下不产生崩裂和减少冲蚀，延长探针使用寿命。

5)冷却水的合理设计使探头竖直向上使用时楔尖处也能得到良好的冷却，探针整体的外形采用楔形设计，能减少探针在测量时对高温高速气体流场的扰动，以便得到尽可能接近射流真实情况的测量结果。

附图说明

图1所示为电子探针工作原理图

图2为本发明的楔形电子探针的纵截面剖视图

图3是本发明的楔形电子探针的横截面剖视图

图4是本发明的楔形电子探针从探头底部往上看的俯视图。

具体实施方式

实施例1

参照图2，制作一用于超高温气体射流径向动态电子温度表征的电子探针，选用单根的横截面(也就是测点面积)直径在0.1mm的范围内镍铝合金丝(或其它耐氧化导电材料)置于壁厚0.15mm毛细玻璃套管11中作为电子探头12，采用烧结的办法固结两者。镍铝合金丝12一端与毛细玻璃套管11截面齐平，另一端露出玻璃套管11连接导线，由此构成一根圆柱探头；相仿的办法可以制作10根探头(如图4所示)。一探针冷却水套14由紫铜经机加工制作，在便于加工的条件下，对气流扰动的较小的楔形角可以取为9°大小；再将制作好的一根圆柱探头，或10根圆柱探头排成一行置于冷却水套14中，用高温胶13填充在冷却水套14与玻璃套管11上端口之间固结为一体。如图3所示，可以看到多个电子探头的排布情况，每根电子探头12的侧面都烧结了玻璃套管11，周围用高温胶13与探针冷却水套14连接。高温胶固接点下方的圆柱探头直接浸泡在冷却水腔15中，在冷却水套14的底部开有若干个开口17，该开口17也作为出水口(根据有多少根圆柱探头开多少个出水口17，当10根圆柱探头排成一行置于冷却水套14中，需要开10个出水口17)，其中开口17中插入冷却水的进水管16，该进水管16的长度与圆柱探头的长度一致；采用耐水胶18密封冷却水套与圆柱探头的出口。冷却水管路由市场可以购得的直径为2mm的铜管磨制而成，植入水冷套中，采用下进上出的冷却方式。在所有粘接牢靠后，整体打磨探针楔形尖端，以保证电子探头收集电子的表面方向大小一致，保证测量的精度。

该电子探针的头部直线排列了多个可以同时工作且相互独立的探头，采用抗氧化性能好的镍铬合金做探头材料，探头表面烧结了玻璃管起电绝缘、水密封、消除探头与绝缘体间隙以精确控制探测面积的作用，包敷了玻璃薄管的探头直接浸于冷却水中，因此可用于温度高达18000K的超高温气体的电子温度测量，由于直线排列了多个探头测点，同时工作可在单点测量的短时间内得到多点的数据，探针的外形采用楔形设计，能减少探针在测量时对高温高速气体流场的扰动，此外，这种探针设计最重要的特点是能够用于测点排布空间范围内的动态变化比较测量。

实施例2

参照图2，制作一用于超高温气体射流径向动态电子温度表征的电子探针，选用单个的横截面(也就是测点面积)直径在0.5mm的范围内镍锘合金丝(或其它耐氧化导电材料)置于壁厚0.2mm毛细玻璃套管11中作为电子探头12，采用烧结的办法固结两者。镍铝合金丝12一端与玻璃套管11截面齐平，另一端露出玻璃套管11连接导线，由此构成一根圆柱探头，相仿的办法可以制作20根圆柱探头，再将20根圆柱探头排成一行置于冷却水套14中由高温胶固结为一体。如图3所示，可以看到20根电子探头的排布情况，每根电子探头12的侧面都烧结了玻璃套管11，周围用高温胶13与探针冷却水套14连接。探针冷却水套14由机加工制作，在便于加工的条件下，对气流扰动的较小的楔形角可以取为12°大小。高温胶固接点下方的圆柱探头直接浸泡在冷却水腔15中，在冷却水套14的底部开有若干出水口17，其中可以插入冷却水的进水管路16，冷却水管路由市场可以购得的直径为2mm的铜管磨制而成，植入水冷套中，采用下进上出的冷却方式。采用耐水胶密封冷却水套与圆柱探头的出口。在所有粘接牢靠后，以保证电子探头收集电子的表面方向大小一致，保证测量的精度。

实施例3

参照图1，本实施例制作的电子探针的使用方法如下，在等离子体发生器阳极1和探针8之间连接可调直流电源4和电阻2，在电阻2的两端并接数据采集线，将电阻两端的电压降传入数据采集系统3，数据采集系统主要由安装了采集卡的计算机组成，5和6分别为探针冷却的进水和出水管路，探针固定于能上下、左右和前后移动的支座7上，当等离子体10的状态改变、或探针在等离子体中的探测点9的位置改变、或改变可调电源4的电压设定值，流过电路1-2-4-8-9-10-1回路中的电流值将发生变化，因此在电阻2两端的电压降也将发生相应的改变，当探测点位置固定，假设等离子体射流处于稳定状态时，改变电源电压设定值，由此测得回路中电流随设定电压的变化曲线，并导出测定点位置处等离子体的电子温度。

实际的热等离子体射流并不是严格的稳定状态，因此，测得的曲线是电流的时间平均值随设定电压的变化关系。同时，在常规的测量回路中，是串接电流计来直接得到电流值，在本设计系统中为了方便使用一般的采集卡进行瞬时的计算机数据采集和记录，将电流计替换为电阻2和数据采集系统3。