一种基于虚拟仪器的朗缪尔探针等离子体诊断方法

摘要

本发明涉及到一种基于虚拟仪器的朗缪尔探针等离子体诊断方法，用于诊断等离子体的空间电位、电荷密度、电子温度等参数。其特征是使用“准直流”探针偏置信号代替常规的锯齿波扫描偏置信号，利用虚拟仪器代替常规的扫描信号发生器生成探针偏置信号并对探针的电压、电流信号进行采集和分析计算。本发明的效果和益处是不需要电流与电压信号采集同步，降低了对数据采集卡的要求；可通过多次采集提高数据的信噪比；更重要的是可以通过灵活地变更采样率克服等离子体波动的干扰，从而能够对波动的等离子体进行诊断。

说明书

技术领域

本发明属于等离子体科学与技术领域，涉及到一种基于虚拟仪器的朗缪尔探针等离子体诊断方法，用于诊断等离子体的空间电位、电荷密度、电子温度等参数。

背景技术

常规的利用朗缪尔探针诊断等离子体参数的方法是：利用计算机或触发器触发信号发生器发生一个锯齿波扫描电压对探针进行偏置，在锯齿波扫描周期内对探针的电压和电流信号进行等时间间隔的采集，然后对采集到的电流、电压数据进行分析计算，得出等离子体的各个参数。这种方法的缺点是：1.需要使用具有同步采集功能的数据采集卡以保证电流与电压信号采集的准确同步，其价格通常数倍于不要求严格同步的数据采集卡。2.由于电流、电压在诊断过程中持续变化，对于每一个偏置电压只能在同一瞬间采集一个电流数据，因此信噪比低。3.只能诊断稳定的等离子体，因为在锯齿波扫描周期内发生的等离子体的变化与扰动会引起电流、电压特性曲线的畸变，不能得到正确的等离子体参数。

造成以上问题的主要原因是探针的偏置和电流、电压信号的采集都缺乏必要的灵活性。其中探针的锯齿波扫描偏置信号由信号发生器的电路硬件定制，诊断中偏置电压随时间连续线性地增大，不能根据等离子体中的波动和数据采集的需要进行变化和调整。另一方面，锯齿波扫描信号的固有形式限制了电流、电压信号采集的灵活性，即只能在锯齿波扫描周期内进行等时间间隔的采集，而不能对某一偏置下的电流信号进行多次重复采集。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟仪器的朗缪尔探针等离子体诊断方法，以解决常规的利用朗缪尔探针诊断等离子体参数的方法中探针偏置与数据采集缺乏灵活性的不足。该方法不需要电流与电压信号采集同步，降低了对数据采集卡的要求；可以通过多次采集提高数据的信噪比；更重要的是可以通过灵活地变更采样率克服等离子体波动的干扰，从而能够对波动的等离子体进行诊断。

本发明技术方案是：

1.使用“准直流”探针偏置信号代替常规的锯齿波扫描偏置信号，其中“准直流”信号是指等电压间隔的直流电压序列形式的信号。

2.利用虚拟仪器代替常规的扫描信号发生器生成探针偏置信号并对探针的电压、电流信号进行采集和分析计算。探针偏置信号的生成、电压-电流数据的采集、以及对数据的分析计算处理全过程基于虚拟仪器实现，其中虚拟仪器指由计算机、计算机软件和模数/数模转换卡所组成的系统。

在上述方案中，“准直流”形式的探针偏置方式使探针在电压、电流信号的采集期间保持在稳定的偏置状态下，从而能够对电压、电流信号进行多次重复采集，还可以根据需要变更采样率，以提高信噪比和克服等离子体波动的干扰；虚拟仪器是一种基于计算机的仪器，其特点是以通用的计算机硬件及操作系统为依托实现各种仪器功能。本发明中的虚拟仪器指由计算机、计算机软件和模数/数模转换卡所组成的系统。虚拟仪器的使用使探针的偏置与数据的采集能够通过计算机得到灵活的控制，并保证探针的偏置与数据的采集之间保持正确的时序关系。

本发明的有益效果是：

(a)本发明的方法不需要电流与电压信号的采集同步进行，因此可以用不具备同步采集功能的数据采集卡代替价格昂贵的具有同步采集功能的数据采集卡。

(b)本发明的方法可以对每一组电流、电压信号进行多次重复采集并取平均值，从而大幅提高数据的信噪比。

(c)本发明的方法能够灵活地调整电流、电压信号采集的采样率和采样数以消除等离子体波动的干扰，从而能够对波动的等离子体进行诊断。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是准直流偏置原理示意图。

图3是利用本发明对磁控放电等离子体进行诊断的实施例。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

在图1中，虚拟仪器软件用Labview8.2编程，模数/数模转换卡使用NationalInstruments公司的具有模拟输出功能的USB-6211数据采集卡。放大驱动电路和探针与常规的朗缪尔探针系统中使用的相同。

在图2中，“准直流”信号由等电压间隔的直流电压序列构成，直流电压序列之间的电压间隔为0.05～0.5V。由于直流电压序列之间的电压间隔很小，在整个扫描过程中探针的偏置电压近似于连续变化。“准直流”偏置下的探针在电流、电压数据采集过程中处于稳定的直流偏置状态，因此电压与电流信号的采集不要求同步。另一方面，采用“准直流”偏置摆脱了锯齿波扫描信号的周期时间限制，可以利用多次重复采集取平均的方法提高数据的信噪比。更重要的是可以灵活地调整电流、电压信号采集的采样率和采样数，使在某一偏置下的取样覆盖多个等离子体波动周期，从而能够通过平均消除等离子体波动的干扰，对波动的等离子体进行诊断。

在图3的实施例中，(a)、(b)分别为用120千次每秒和10千次每秒的采样率测得的等离子体的电流-电压特性曲线，所有数据都是对1000次测量进行平均的结果，排除了随机噪声信号的因素。图3(a)中电子电流信号的波动非常大，难以用来计算等离子体参数。这是因为120千次每秒的采样率过高，使得对每一个偏置下对电流的1000次测量不能覆盖整个等离子体波动周期，因此不能通过平均消除等离子体波动的干扰。图3(b)中将采样率设为10千次每秒后，得到了清晰的电流-电压特性曲线。等离子体参数由计算机对该数据进行自动计算处理给出。