[发明专利]用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路

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。