一种金属电阻探测器及核聚变等离子体物理研究装置

摘要

本发明公开了一种金属电阻探测器及核聚变等离子体物理研究装置，其中探测器包括硅片，硅片的下表面覆盖有导热薄膜，硅片开设有第一窗口和第二窗口，第一窗口和第二窗口内分别设有第一金属薄膜和第二金属薄膜，第一金属薄膜和第二金属薄膜粘合于导热薄膜，硅片上表面设有用于遮挡第二窗口的金属板，导热薄膜的下表面与第一金属薄膜对应的位置粘合有相互嵌套在一起的第一电阻丝和第二电阻丝，导热薄膜的下表面与第二金属薄膜对应的位置粘合有相互嵌套在一起的第三电阻丝和第四电阻丝，四个电阻丝通过导线连接在一起构成电桥结构。本发明大大拓宽了电磁波的吸收波段，具有精确测量宽波段电磁波辐射功率的功能，从而实现等离子体辐射功率的精确测量。

说明书

技术领域

本发明涉及核聚变等离子体测量技术领域，具体涉及一种金属电阻探测器及核聚变等离子体物理研究装置。

背景技术

在核聚变等离子体物理研究装置上，等离子体中包含大量的带电粒子和中性粒子，它们之间复杂的相互作用能够产生宽波段的电磁波(从可见到X射线)，尤其是包含紫外波段。电磁波辐射是等离子体能量损失的一个重要通道，因此，精确测量电磁波辐射功率损失对于研究在核聚变实验过程中的等离子体能量平衡具有重要意义。

光电探测器是一种测量电磁波辐射的有效工具，因为它具有较高探测效率和较宽响应波段等优点。但是，光电探测器对紫外波段的电磁波响应率比较低，并且紫外光对光电探测器具有损伤作用，从而导致光电探测器性能下降。由于光电探测器对不同波段的电磁波具有不同的响应系数，无法进行绝对标定，从而难以用于等离子体电磁波辐射功率损失的绝对测量。常规的辐射量热计一般工作在低温状态下，需要液氮制冷，因此，常规的辐射量热计一般体积比较大，难以在核聚变等离子体物理研究装置上使用。此外，核聚变等离子体物理实验装置一般涉及高温烘烤，这也限制了制冷式辐射量热计系统在核聚变实验装置上的应用。因此，研制一种耐高温烘烤、具有高灵敏度、以及能够精确测量宽波段电磁波辐射功率的辐射量热计探测器是目前在核聚变实验装置上进行电磁波辐射功率测量所面临的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属电阻探测器，以至少解决现有技术利用光电探测器进行电磁波辐射测量，对紫外波段的电磁波响应率比较低，且难以用于等离子体电磁波辐射功率损失的绝对测量的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供一种金属电阻探测器，包括硅片，所述硅片的下表面覆盖有导热薄膜，所述硅片开设有第一窗口和第二窗口，所述第一窗口和第二窗口内分别设有第一金属薄膜和第二金属薄膜，所述第一金属薄膜和第二金属薄膜粘合于导热薄膜，所述硅片上表面设有用于遮挡第二窗口的金属板，所述导热薄膜的下表面与第一金属薄膜对应的位置粘合有相互嵌套在一起的第一电阻丝和第二电阻丝，所述导热薄膜的下表面与第二金属薄膜对应的位置粘合有相互嵌套在一起的第三电阻丝和第四电阻丝，四个电阻丝通过导线连接在一起构成电桥结构，所述电桥结构具有电流输入引脚和信号输出引脚。

进一步，所述第一金属薄膜与第二金属薄膜的结构和尺寸相同。

进一步，所述四个电阻丝采用相同的热敏电阻材料，四个电阻丝的结构和尺寸相同。

进一步，所述电桥结构具有两个电流输入引脚和两个信号输出引脚，即：第一电流输入引脚、第二电流输入引脚、第一信号输出引脚和第二信号输出引脚，第一电流输入引脚通过导线连接第三电阻丝，再通过导线与第一信号输出端引脚连接，第一电流输入引脚还通过导线连接第一电阻丝，再通过导线与第二信号输出端引脚连接；第二电流输入引脚通过导线连接第二电阻丝，再通过导线与第一信号输出端引脚连接；第二电流输入引脚还通过导线连接第四电阻丝，再通过导线与第二信号输出端引脚连接。

进一步，所述金属导线为铜导线。

进一步，所述导热薄膜为氮化硅薄膜。

进一步，所述导热薄膜的厚度小于15微米。

进一步，四个电阻丝的宽度小于50微米，厚度小于30微米。

本发明还提供一种核聚变等离子体物理研究装置，所述装置采用所述探测器来测量等离子体电磁波辐射功率。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种金属电阻探测器及核聚变等离子体物理研究装置，采用金属薄膜作为电磁波吸收层，大大拓宽了电磁波的吸收波段，并具有均匀的光谱响应系数，具有精确测量宽波段电磁波辐射功率的功能；采用非常薄的氮化硅薄膜作为基板，降低了基板的热容量，提高了热传导效率；利用电桥平衡结构，能够测量微弱的电阻变化，提高了探测器的灵敏度，从而实现等离子体辐射功率的精确测量，解决了现有技术利用光电探测器进行探测，对紫外波段的电磁波响应率比较低，且难以用于等离子体电磁波辐射功率损失的绝对测量的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种金属电阻探测器的侧视示意图；

图2为本发明一种金属电阻探测器的正视示意图；

图3为本发明一种金属电阻探测器的背视示意图；

图4为本发明一种金属电阻探测器的背视局部示意图；

图中：1-硅片，2-导热薄膜，3-第一金属薄膜，4-第二金属薄膜，5-金属板，6-第一电阻丝，7-第二电阻丝，8-第三电阻丝，9-第四电阻丝，10-导线，11-电流输入引脚，12-信号输出引脚。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

请参考图1至图4，本发明提供一种金属电阻探测器，包括硅片1，所述硅片1的下表面覆盖有导热薄膜2，所述硅片1开设有第一窗口和第二窗口，所述第一窗口和第二窗口内分别设有第一金属薄膜3和第二金属薄膜4，所述第一金属薄膜3和第二金属薄膜4粘合于导热薄膜2，所述硅片1上表面设有用于遮挡第二窗口的金属板5，所述导热薄膜2的下表面与第一金属薄膜3对应的位置粘合有相互嵌套在一起的第一电阻丝6和第二电阻丝7，所述导热薄膜2的下表面与第二金属薄膜4对应的位置粘合有相互嵌套在一起的第三电阻丝8和第四电阻丝9，四个电阻丝通过导线10连接在一起构成电桥结构，所述电桥结构具有电流输入引脚11和信号输出引脚12。

第一窗口和第二窗口可以是矩形窗口。第一金属薄膜3作为电磁波吸收层，用于遮挡第二窗口的金属板5用于为第二金属薄膜4遮挡电磁波，第二金属薄膜4作为参考吸收层。两个电阻丝嵌套在一起的作用是保证两者的温度是一样的。第一电阻丝6和第二电阻丝7相互嵌套在一起作为测量电阻，第一电阻丝6和第二电阻丝7相互嵌套在一起作为参考电阻。两个测量电阻和两个参考电阻以相互穿插隔开的方式组成电桥结构，电桥结构具有两个电流输入引脚11和两个信号输出引脚12，即：第一电流输入引脚、第二电流输入引脚、第一信号输出引脚和第二信号输出引脚。具体的，第一电流输入引脚通过导线10连接第三电阻丝8，再通过导线10与第一信号输出端引脚连接，第一电流输入引脚还通过导线10连接第一电阻丝6，再通过导线10与第二信号输出端引脚连接；第二电流输入引脚通过导线10连接第二电阻丝7，再通过导线10与第一信号输出端引脚连接，第二电流输入引脚还通过导线10连接第四电阻丝9，再通过导线10与第二信号输出端引脚连接。

电桥结构的电流输入引脚11由恒定频率的电流进行激励，测量信号通过信号输出引脚12引出。当等离子体电磁波入射到探测器上时，第一金属薄膜3吸收电磁波而温度上升，第二金属薄膜4由于金属板5的遮挡而保持温度不变。第一金属薄膜3将热量传递给测量电阻，造成测量电阻阻值发生变化，而参考电阻阻值保持不变，因此，电桥结构失去平衡，探测器输出电压信号。

四个电阻丝采用热敏电阻材料，即使微弱的温度变化都能造成电阻阻值的变化，并且电阻阻值的变化与温度变化成线性关系。由于金属薄膜具有良好的电磁波吸收性能，并且吸收系数与波段无关，最终探测器的输出电压信号幅值与电磁波入射功率成正比，因此，该金属电阻探测器可以用于电磁波辐射功率的绝对测量。4个完全相同的金属电阻丝高度集成在同一片基板上，能够有效抑制背景温差对探测器的影响。电桥结构使得微弱的平衡偏离得以放大，有效提高探测器的灵敏度和等离子体电磁波辐射功率损失的测量精度。

作为具体实施方式，所述导热薄膜2绝缘，可以采用为氮化硅薄膜。所述第一金属薄膜3与第二金属薄膜4的结构和尺寸相同。所述四个电阻丝采用相同的热敏电阻材料，四个电阻丝的结构和尺寸相同。为兼顾导电性能和成本，所述金属导线10为铜导线10。所述导热薄膜2的厚度小于15微米。四个电阻丝的宽度小于50微米，厚度小于30微米。

本发明提供的一种金属电阻探测器及核聚变等离子体物理研究装置，采用金属薄膜作为电磁波吸收层，大大拓宽了电磁波的吸收波段，并具有均匀的光谱响应系数，具有精确测量宽波段电磁波辐射功率的功能；采用微米级膜厚的氮化硅薄膜作为基板，降低了基板的热容量，提高了热传导效率；利用电桥平衡结构，能够测量微弱的电阻变化，提高了探测器的灵敏度，从而实现等离子体辐射功率的精确测量，解决了现有技术利用光电探测器进行探测，对紫外波段的电磁波响应率比较低，且难以用于等离子体电磁波辐射功率损失的绝对测量的技术问题。

实施例二

本发明还提供一种核聚变等离子体物理研究装置，所述装置采用所述探测器来测量等离子体电磁波辐射功率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。