一种等离子体静电探针校准用模拟负载的制作方法

1.本发明涉及空间等离子体静电探针测量校准技术领域，尤其涉及一种等离子体静电探针校准用模拟负载。


背景技术：

2.低温等离子体被广泛应用于空间等离子体环境模拟和航天器地面寿命与可靠性测试。在这些研究工程钟，必须采用静电探针进行大量的实验测量以获得等离子体的关键参数如等离子体密度、电子温度、等离子体电位以及空间均匀性等。静电探针是插入等离子体内部的导电金属针，它的工作方式是通过给探针针尖施加从负到正的高频扫描电压，同时测量针尖尖端的电压和收集到的微弱电流，得到探针电压电流特性曲线，并通过特殊算法处理电压电流曲线从而计算等离子体参数。静电探针必须具有对跨越多个数量级的探针电流的大动态范围测量能力。探针的电压电流曲线呈现s形，可分为微安级探针电流的离子饱和电流区域、毫安级探针电流的电子饱和电流区域以及两者之间的过渡区域。
3.由于等离子体测量过程中，不同任务需要测量的等离子体密度相差巨大，例如近地轨道电离层内的等离子体密度可以低至104m-3
，远地轨道的等离子体密度则更低，而电推进器喷射出的等离子体密度可以10
14-10
19
m-3
范围内变化，因此在对等离子体静电探针进行校准时要求测试负载能吸收相差10个数量级的探针电流。为了保证等离子体静电探针测量的准确性，需要对等离子体静电探针测量装置进行校准，以解决测量结果的量值溯源问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述问题，提供一种等离子体静电探针校准用模拟负载。
5.为实现上述目的，本发明提供一种等离子体静电探针校准用模拟负载，包括可调精密恒压源、mosfet模块、二极管阵列、相位补偿过压保护网络、屏蔽机箱和同轴接头，所述二极管阵列用于产生单向导通且随电压指数增长的探针电流，以模拟探针过渡区的电流信号，所述mosfet模块用于在探针对地正电压下产生饱和电流信号以模拟探针的电子饱和电流；所述可调精密恒压源用于为所述mosfet模块提供精准稳定的栅极电压，所述相位补偿过压保护网络用于限制所述mosfet模块饱和电流、补偿探针高速扫描时二极管阵列引起的相位偏差、保护测试负载免受过高的探针电压烧毁,所述可调精密恒压源、mosfet模块、二极管阵列和相位补偿过压保护网络设置在所述屏蔽机箱内。
6.根据本发明的一个方面，所述二极管阵列由多个二极管串联组成。
7.根据本发明的一个方面，所述二极管阵列连接至所述mosfet模块的漏极，所述mosfet模块的源极接地，所述mosfet模块由串联电阻大小和栅极电压控制饱和电流大小。
8.根据本发明的一个方面，所述可调精密恒压源由电池给电压基准管供电，由串联分压电阻决定输出电压。
9.根据本发明的一个方面，所述相位补偿过压保护网络由限流电阻、两组电容电感和双相瞬态抑制二极管构成π形网络。
10.本发明的等离子体静电探针校准用负载，可模拟空间等离子体的特征阻抗，与探针电源配合使用可以获得大电流范围内的等离子体探针特征电压电流曲线，具有极高的精度、重复性和稳定性。
附图说明
11.图1示意性表示根据本发明一种实施方式的等离子体静电探针校准用模拟负载结构图；
12.图2示意性表示根据本发明的等离子体静电探针测试负载的电路原理图；
13.图3示意性表示根据本发明的测试负载的电压电流曲线。
具体实施方式
14.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
16.如图1所示，本发明提供一种等离子体静电探针校准用模拟负载，包括可调精密恒压源110、mosfet模块120、二极管阵列130、相位补偿过压保护网络140、屏蔽机箱150和同轴接头160。
17.其中二极管阵列130，由一系列二极管串联组成，用于产生单向导通且随电压指数增长的探针电流，以模拟探针过渡区的电流信号。mosfet模块120，二极管阵列连接至mosfet漏极，源极接地，由串联电阻大小和栅极电压控制饱和电流大小，用于在探针对地正电压下产生饱和电流信号以模拟探针的电子饱和电流。可调精密恒压源110，由电池给电压基准管供电，由串联分压电阻决定输出电压，用于为mosfet模块提供精准稳定的栅极电压。相位补偿过压保护网络140，由限流电阻、两组电容电感和双相瞬态抑制二极管构成π形网络，用于限制mosfet模块饱和电流、补偿探针高速扫描时二极管阵列引起的相位偏差、保护测试负载免受过高的探针电压烧毁。屏蔽机箱150，将上述部件包裹外部电磁信号干扰测试负载电路，降低电路的噪声纹波，提高测试负载精度。本发明的等离子体静电探针校准用负载，可模拟空间等离子体的特征阻抗，与探针电源配合使用可以获得大电流范围内的等离子体探针特征电压电流曲线，具有极高的精度、重复性和稳定性。
18.本发明通过对等离子体探针的s形电压电流曲线的三个特征区域进行分析，发现，可以采用以下电路器件模拟曲线的离子饱和电流、电子饱和电流以及两者之间过渡区的指数形式电流：
19.离子饱和电流通常为微安级的随电压线性增加的电流信号，可以采用100kω级别电阻进行模拟；电子饱和电流通常为毫安级的几乎不随电压变化的电流信号，类似场效应管的饱和电流，可采用n沟道mosfet进行模拟；过渡区电流随探针电压指数增加，类似二极管的单向导通特性，可采用二极管阵列进行模拟。
20.如图2所示，给出了等离子体探针测试负载的电路原理图的一个实例。其中，干电
池v1和上拉电阻r3为电压基准管vr1提供上拉电压，通过调节可调电阻r1和固定电阻r2的阻值比例可以精确调节vr1的输出电压，这些元器件构成了可调精密恒压源110；mos管q1为mosfet模块120；二极管d1至d25串联形成二极管阵列130；可调电容c1和c2、固定电感l1和l2、限流电阻r4构成。
21.相位补偿的π形网络用于调节二极管阵列产生相位偏移，双向瞬态抑制二极管dz1作为过压保护元件；同轴接头j1用于通过同轴电缆连接至探针控制器。
22.如图3所示，本发明利用了二极管的正向导通区电流随正向电压指数增长的特性，多个串联扩展了正向导通区的电压范围，使得该负载的电压电流曲线中呈现出现等离子体探针的典型过渡区电流特征。
23.本发明采用电压基准控制的mos管，利用mos管沟道形成后源漏极电流不随电压变化的特性在测试负载的电压电流曲线中产生电子饱和电流区特征，在过渡区和电子饱和电流区交界处形成明显的电流拐点，同时由于mos管通过电流大，可以模拟从毫安级到安级跨3-4个数量级的电子饱和电流，从而扩宽了可测试的等离子体静电探针的类型，例如空间应用的探针和半导体行业使用的商业探针。
24.此外，本发明采用限流电阻、可调电容、电感和双相瞬态抑制二极管构成π形相位补偿过压保护网络，用于限制mos管的最大电流、补偿探针高速扫描时二极管阵列引起的相位偏差、避免测试负载过压烧毁。
25.根据本发明所设计的等离子体静电探针校准用模拟负载，可模拟多种等离子体的特征阻抗，产生大电流范围内的s形电压电流曲线，系统结构简单、可靠性和精度高。这些特点使得该系统不仅可用于测试空间等离子体探针、提高空间等离子体探针精度、增加空间探测、航天器状态监控和自我保护的能力，同样可用于校准针对反应性离子刻蚀、等离子体增强化学气相沉积等芯片制造工艺的商用等离子体探针，有利于提高商业等离子体设备的效率和精度，在空间任务和通用等离子体应用领域均有广泛的应用前景，预计专利成果可转化为批量生产销售产品产生显著的经济效益和社会效益。
26.以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。