柱状朗缪尔探针以及适用于低密度等离子体的测量方法

1.本发明属于等离子体诊断技术领域，尤其涉及柱状朗缪尔探针以及适用于低密度等离子体的测量方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.作为应用最广泛的等离子体诊断手段之一，朗缪尔探针的主要优势就在于能够同时获得多个等离子体参数以及具备很好的局域测量能力。在等离子体的静电探针诊断中，根据经典的朗缪尔探针理论，朗缪尔探针i-v特性曲线的一阶导峰值电势(即伏安特性曲线的拐点电势)就是等离子体空间电位；指数拟合i-v特性曲线过渡区的电子电流就能够得到等离子体的电子温度；利用电子温度和等离子体空间电位所对应的探针收集电流(即电子饱和收集电流)就能够进一步计算得到等离子体的电子密度。这种经典的朗缪尔探针数据处理方法也被称之为朗缪尔探针的拐点法。
4.另一方面，根据带电粒子的轨道运动限制(oml)理论，在低密度等离子体中，柱状朗缪尔探针i
2-v曲线的电子饱和区的电流随着探针电势的增加应该近似呈线性增长，该线性关系的斜率即为等离子体的电子密度。这种数据处理方法也被称之为朗缪尔探针的oml法。
5.尽管朗缪尔探针已经被广泛地应用于低温等离子体的工业应用、实验室等离子体研究、甚至是空间电离层等离子体探测，然而目前的朗缪尔探针无论是在探针结构设计方面还是诊断技术方面仍然面临着严峻的挑战。
6.其中，最主要的挑战之一就是利用目前的朗缪尔探针仍无法实现低密度等离子体的准确测量。对于经典的朗缪尔探针拐点法，等离子体的准确测量，特别是电子密度的准确测量依赖等离子体空间电位测量结果的准确性、等离子体电子密度计算结果的可靠性以及电子饱和收集电流的定量准确性。
7.然而，在低密度等离子体中，对于传统结构的朗缪尔探针，探针的金属传感器很容易陷入与其相连的绝缘支架上的悬浮鞘层中，即形成“终端效应”。该效应会导致探针的金属传感器无法全面积收集等离子体信号，从而引起探针收集到的电子电流过小，最终导致所获得的等离子体电子密度往往是被低估的。
8.尽管有人已经提出，通过对平面朗缪尔探针或柱状朗缪尔探针增添一个与探针传感器同电势的保护环或是保护管，能够有效的改善绝缘支架所引起的“终端效应”。
9.然而，实际上，完全消除“终端效应”需要对朗缪尔探针进行精密且严谨的设计，探针保护部件与探针金属传感器之间任何外形(尺寸)上的差异都会引起新的“终端效应”。
10.还有，根据oml理论，柱状朗缪尔探针周围的鞘层也应该是圆柱形的，基于柱状的鞘层理论，探针i
2-v曲线电子饱和区的电流随着探针电势的增加应该近似呈线性增长。
11.但是，在低密度等离子体中，大量的实验数据表明，柱状朗缪尔探针周围的鞘层往
往更趋近于椭球形，这种椭球形的鞘层会导致i
2-v曲线中电子饱和区电流的增加越来越快，即偏离理论预言的线性增长。
12.因此，利用现有的oml理论数据处理方法，通常无法获得可靠的等离子体电子密度。


技术实现要素：

13.为克服上述现有技术的不足，本发明提供了柱状朗缪尔探针，以解决目前无法利用朗缪尔探针准确测量低密度等离子体的问题。
14.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
15.第一方面，公开了柱状朗缪尔探针，包括：
16.金属传感器、绝缘垫片、传感器保护管、探针绝缘支架、传感器主导线以及保护管辅导线；
17.所述金属传感器的下方为传感器保护管，所述金属传感器和传感器保护管之间设置有绝缘垫片；
18.所述金属传感器的末端连接传感器主导线，所述传感器主导线依次穿过绝缘垫片和传感器保护管并与探针外部电路相连；
19.所述传感器保护管的末端连接保护管辅导线，并与探针外部电路相连；
20.所述传感器保护管下方的部件为中空圆柱形的探针绝缘支架，所述保护管辅导线及传感器主导线均穿过探针绝缘支架。
21.作为进一步的技术方案，所述金属传感器形状为柱状的金属丝，材质为电子逸出功较高的难熔金属；优选的，所述金属传感器材质为钨、钼、铂或铼等金属材料。
22.作为进一步的技术方案，所述传感器保护管材质为不锈钢管，外径与所述金属传感器直径一致。
23.作为进一步的技术方案，所述绝缘垫片材质为圆环状的不锈钢垫片，外径与所述金属传感器直径一致，内径与传感器保护管内径尺寸一致。
24.第二方面，公开了柱状朗缪尔探针的装配方法，包括：
25.利用磁控溅射或电镀的方式，对不锈钢垫片正反及内外四面进行绝缘处理，即制作完成绝缘垫片；
26.其中，绝缘镀层为二氧化硅、氧化铝或者氮化铝绝缘薄膜等绝缘薄膜，膜厚要求不低于0.1μm；
27.传感器主导线和保护管辅导线的外部进行绝缘镀膜处理；可以采用相同的绝缘镀膜工艺处理；
28.利用激光器点焊的方式将传感器主导线固定在金属传感器的末端，并保持二者具有导通性；
29.利用激光器点焊的方式将保护管辅导线固定在传感器保护管的末端，并保持二者具有导通性；
30.将传感器主导线依次穿过绝缘垫片和传感器保护管，其中，传感器保护管和传感器主导线之间的空隙用绝缘胶进行填充，固化后的绝缘胶同时发挥固定作用；
31.将传感器保护管插入绝缘支架中，二者之间的空隙用绝缘胶进行填充，固化后的
绝缘胶同时发挥固定作用。
32.作为进一步的技术方案，在传感器主导线依次穿过绝缘垫片和传感器保护管过程中，金属传感器和传感器保护管之间保持绝缘性，传感器保护管与传感器主导线之间保持绝缘性。
33.作为进一步的技术方案，在将传感器保护管插入绝缘支架的过程中，暴露在外面的传感器保护管的长度与金属传感器的长度保持一致，并且传感器主导线与保护管辅导线之间保持绝缘性。
34.第三方面，公开了适用于低密度等离子体的测量方法，包括：
35.将朗缪尔探针固定在真空法兰上，同时插入等离子体中；
36.金属传感器的电压发生器通过真空法兰上的电极接线柱，将扫描偏压施加在金属传感器和等离子体接地电极之间；
37.传感器保护管的电压发生器通过真空法兰上的另一个电极接线柱，将扫描偏压施加在传感器保护管和等离子体接地电极之间；
38.其中，两个电压发生器输出的电压信号是同频同相完全相同的扫描偏压，而在电流信号采集端，只有流经金属传感器的电压发生器的电流信号被采集监测，该电流信号即为朗缪尔探针采集到的等离子体伏安特性曲线。
39.作为进一步的技术方案，还包括获得低密度等离子体特征参数的数据处理步骤：
40.首先将等离子体i-v特性曲线中电流为零的探针电势输出为等离子体悬浮电位vf；
41.其次，根据曲线获得其一阶导数曲线，输出一阶导数最大值所对应的探针电势为等离子体空间电位v
p
，输出该电势所对应的探针电流为电子饱和收集电流i
es
；
42.根据i-v曲线获得i
2-v曲线，在i
2-v曲线中，做出等离子体空间电位v
p
处所对应的切线，根据该切线的斜率分别计算得到等离子体的电子温度te和电子密度ne。
43.作为进一步的技术方案，分别计算得到等离子体的电子温度te和电子密度ne，其计算公式分别为：
[0044][0045][0046]
其中，e为元电荷，vb探针电势，ie为探针电流，d为探针金属传感器的直径，l为探针金属传感器的长度，me为电子质量。
[0047]
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0048]
本发明提供的一种新型的柱状朗缪尔探针，使用该探针测量等离子体时，能够确保探针的整个金属传感器处于相同的鞘层环境中，避免金属传感器陷入探针支架周围的悬浮鞘层中，从而使整个金属传感器具有确切的电子收集面积(即金属传感器的全部表面积)、金属传感器采集到的等离子体i-v特性曲线是准确可靠的，因而利用经典的朗缪尔探针拐点法，计算得到的等离子体电子温度和电子密度等参数也是准确可靠的。
[0049]
本发明提供的一种柱状朗缪尔探针的加工工艺和组装流程，利用该工艺流程组装
的朗缪尔探针能够获得更准确的等离子体测量结果，特别是在测量低密度等离子体时，其优势更为显著。
[0050]
本发明提供的一种基于oml理论的柱状朗缪尔探针的数据处理方法，在低密度等离子体中，即使柱状朗缪尔探针周围的鞘层呈现椭球形时，利用该方法仍能够获得较为可靠的等离子体电子密度和电子温度等参数信息。
[0051]
本发明提供的一种自动的数据处理软件，该软件能够基于oml理论，自动分析朗缪尔探针的i-v特性曲线，并快速得到低密度等离子体的空间电位、电子密度以及电子温度等参数信息。
[0052]
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0053]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0054]
图1为柱状朗缪尔探针结构图
[0055]
图2为柱状朗缪尔探针结构爆炸图
[0056]
图3为绝缘垫片的镀膜细节图
[0057]
图4为传感器主导线的镀膜细节图
[0058]
图5为传感器保护管的内部装配细节图
[0059]
图6为利用柱状朗缪尔探针测量等离子体的电路结构图。
[0060]
图7为利用朗缪尔探针的oml法获得低密度等离子体特征参数的流程图。
[0061]
图8为利用朗缪尔探针的oml法获得低密度等离子体参数的数据处理软件用户界面图。
[0062]
其中：1-金属传感器；2-绝缘垫片；3-传感器保护管；4-探针绝缘支架；5-传感器主导线；6-保护管辅导线；7-绝缘胶；8-绝缘镀层；9-等离子体；10-真空腔；11-朗缪尔探针；12-真空法兰；13-电极接线柱；14-金属传感器的电压发生器；15-传感器保护管的电压发生器；16-等离子体接地电极。
具体实施方式
[0063]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0064]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0065]
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0066]
实施例一
[0067]
本实施例公开了柱状朗缪尔探针，参见附图1、2所示，柱状朗缪尔探针主要由金属传感器1、绝缘垫片2、传感器保护管3、探针绝缘支架4、传感器主导线5以及保护管辅导线6等几部分构成。
[0068]
其中，最上面的是金属传感器1，这是整个朗缪尔探针最为核心的部件，其形状为柱状的金属丝，直径0.5mm，长1-3cm，材质为钨、钼、铂、铼等电子逸出功较高的难熔金属；金属传感器1的下方是传感器保护管3，其材质为不锈钢管，外径0.5mm，内径0.3mm，长2-4cm；在金属传感器1和传感器保护管3之间是绝缘垫片2，其材质为圆环状的不锈钢垫片，尺寸同样为外径0.5mm、内径0.3mm，绝缘垫片武超薄绝缘垫片，厚度为不超过0.5mm；金属传感器1的末端通过激光器点焊的方式连接传感器主导线5，并依次穿过绝缘垫片2和传感器保护管3与探针外部电路相连，传感器主导线为直径0.25mm的钨丝；传感器保护管3的末端通过激光器点焊的方式连接保护管辅导线6，并与探针外部电路相连，保护管辅导线6为直径0.1mm的钨、铜、铝、铂等常见金属导线；最下方的部件为中空圆柱形的探针绝缘支架4，其材质为陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯等常见的绝缘材料，其内径要求不低于1mm。
[0069]
本实施例子上述探针长直且自带保护装置。
[0070]
本实施例子技术方案在结构设计上是将传感器保护管与金属传感器的外径保持一致，同时保证二者之间具有良好的绝缘性，并且二者之间的绝缘垫片很薄。
[0071]
本实施例子技术方案能够实现低密度等离子体准确测量的原因，结构设计方面的因素为：传感器保护管与金属传感器的外径保持一致，同时保证二者之间具有良好的绝缘性，然后，在使用探针时，对二者施加完全相同的扫描电压，最终可以保证金属传感器的整个表面处于完全相同的鞘层中。
[0072]
具体而言，保证金属传感器和传感器保护管的扫描电压一致，是为了保证二者外面的鞘层中的电势分布是相同的；保证金属传感器和传感器保护管的外径一致，是为了保证二者外面的鞘层的形状和尺寸是相同的，并且二者在设计时是相互靠近的，中间的绝缘垫片厚度很小，只要能发挥绝缘作用即可，这样最终可以保证金属传感器的整个表面处于完全相同的鞘层中。
[0073]
实施例二
[0074]
本实施例公开了柱状朗缪尔探针的装配流程及要求如下：
[0075]
第一步：利用磁控溅射或电镀的方式，对不锈钢垫片正反及内外四面进行绝缘处理，即制作完成绝缘垫片2，如图3所示。其中，绝缘镀层8为二氧化硅、氧化铝以及氮化铝等绝缘薄膜，为了保证绝缘性，膜厚要求不低于0.1μm。此外，传感器主导线5和保护管辅导线6的外部也要求进行绝缘镀膜处理，如图4所示。
[0076]
第二步：利用激光器点焊的方式将传感器主导线5固定在金属传感器1的末端，并保持二者具有良好的导通性；利用相同的方式将保护管辅导线6固定在传感器保护管3的末端，并保持二者具有良好的导通性，如图1所示。
[0077]
第三步：将传感器主导线5依次穿过绝缘垫片2和传感器保护管3，其中，传感器保护管3和传感器主导线5之间的空隙用绝缘胶7进行填充，如图5所示，固化后的绝缘胶7同时也能发挥固定作用。在此过程中，要求金属传感器1和传感器保护管3之间保持良好的绝缘性，传感器保护管3与传感器主导线5之间保持良好的绝缘性。
[0078]
第四步：将传感器保护管3插入绝缘支架4中，二者之间的空隙用绝缘胶进行填充，如图1所示，固化后的绝缘胶7同时也能发挥固定作用。在此过程中，要求暴露在外面的传感器保护管3的长度与金属传感器1的长度保持一致，并且传感器主导线5与保护管辅导线6之间要保持良好的绝缘性。
[0079]
此外，在柱状朗缪尔探针的制作过程中，要求金属传感器1、绝缘垫片2以及传感器保护管3之间必须保持完全相同的外径尺寸。
[0080]
实施例三
[0081]
本实施例公开了适用于低密度等离子体的测量方法：
[0082]
在利用柱状朗缪尔探针测量等离子体时，需要将柱状朗缪尔探针11固定在真空法兰12上，同时插入等离子体9中。金属传感器的电压发生器14通过真空法兰12上的电极接线柱13，将扫描偏压施加在金属传感器1和等离子体接地电极16之间；传感器保护管的电压发生器15通过真空法兰12上的另一个电极接线柱13，将扫描偏压施加在传感器保护管3和等离子体接地电极16之间，如图6所示。其中，两个电压发生器输出的电压信号要求必须是同频同相完全相同的扫描偏压，而在电流信号采集端，只有流经金属传感器的电压发生器14的电流信号被采集监测，该电流信号即为新型朗缪尔探针采集到的等离子体伏安特性曲线。
[0083]
在使用上述柱状朗缪尔探针时，其核心操作是对探针的金属传感器和传感器保护管同时施加完全相同的扫描电压，这样可以保证金属传感器的整个表面处于完全相同的鞘层中。
[0084]
实施例四
[0085]
本实施例公开了利用柱状朗缪尔探针oml法获得低密度等离子体特征参数的数据处理方法：
[0086]
为了解决低密度等离子体中柱状朗缪尔探针获得的i
2-v曲线中电子饱和区电流的增长偏离理论预测的线性增长的问题，该发明专利中提出了一种新的适用于低密度等离子体的数据处理方法。如图7所示，该数据处理方法的一般流程如下：首先，利用柱状朗缪尔探针采集低密度等离子体的伏安特性(i-v)曲线，并且将曲线中电流为零的探针电势输出为等离子体悬浮电位vf；其次，根据i-v曲线获得其一阶导数曲线(di-dv)曲线，输出一阶导数最大值所对应的探针电势为等离子体空间电位v
p
，输出该电势所对应的探针电流为电子饱和收集电流i
es
；第三，根据i-v曲线获得i
2-v曲线，在i
2-v曲线中，做出等离子体空间电位v
p
处所对应的切线，根据该切线的斜率分别计算得到等离子体的电子温度te和电子密度ne，其计算公式分别如下所示：
[0087][0088][0089]
其中，e为元电荷，vb探针电势，ie为探针电流，d为探针金属传感器的直径，l为探针金属传感器的长度，me为电子质量。
[0090]
在低密度等离子体中，即使柱状朗缪尔探针周围的鞘层呈现椭球形时，利用该方法仍能够获得较为可靠的等离子体电子密度和电子温度等参数信息，总之，在低密度等离子体中，无论柱状探针的i
2-v曲线的电子饱和区是否呈现线性，本发明技术方案都可以获得可靠的等离子体电子密度和电子温度等参数信息。
[0091]
根据上述例子中所提出的数据处理方法，该发明专利提供了一种针对低密度等离
子体伏安特性曲线的自动数据处理软件。如图8所示，该软件能够自动采集等离子体的i-v曲线，并自动计算相应的di-dv曲线和i
2-v曲线，自动寻找di-dv曲线的峰值电势(v
p
)，并自动在i
2-v曲线中做出v
p
处所对应的切线，最终根据该切线的斜率以及输入的探针尺寸(d和l)，自动计算并输出等离子体的多个参数值(vf、v
p
、te以及ne)。
[0092]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。