离子速度分布函数瞬时测量装置及方法
【专利摘要】离子速度分布函数瞬时测量装置及方法，属于离子速度分布函数测量【技术领域】。本发明是为了解决现有多栅探针测量方法需要不断改变可调电压来测量电流，以描绘离子分布函数，不能实时测量离子分布函数的问题。装置的直流电源为粒子提供加速电场，磁场线圈为经加速电场加速后的粒子提供偏转磁场，电荷收集板收集经偏转磁场改变运动方向的运动粒子；方法为由电荷收集板上不同粒子收集区域感应到的电流，获得不同位置的粒子束电流密度，从而获得实时的离子速度分布函数。本发明用于离子速度分布函数的瞬时测量。
【专利说明】离子速度分布函数瞬时测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及离子速度分布函数瞬时测量装置及方法，属于离子速度分布函数测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]等离子体是一种以自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，当对气体持续加热，使分子分解为原子并发生电离，就形成了由离子、电子和中性粒子组成的气体，这种气体状态称为等离子体。
[0003]磁场是对放入其中的磁体有磁力作用的一种特殊物质，其基本特征是能对运动电荷施加作用力，即通电导体或运动带电粒子在磁场中能受到磁场的作用力，其中带电粒子
所受的作用力被称为洛伦兹力，大小和方向由公式= 决定，其中 >为带电粒子所受
的洛伦兹力，Q为带点粒子的电量，V为带点粒子的速度，J为磁通密度。
[0004]电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质，其中在某个区域内各处场强大小相等，方向相同，则该区域成为匀强电场。在匀强电场中，力处处相等，加速度不变。电场力是当电荷置于电场中所受到的作用力，或是在电场中为移动自由电荷所施加的作用力。匀强电场中粒子受到的电场力的大小为F = Eq，其中F为电场力，E为电场强度，q为检验电荷的电量，正电荷受到的电场力方向与电场方向相同，负电荷则相反。
[0005]现有测量离子速度分布函数的方法主要为多栅探针法。图4所示为简单的多栅探针测量电路示意图，图中C1和C2均表示栅极，K为收集极，U为电源，约为30V，用于排斥电子，U。为可调电源。金属电极的体积尽可能小，以减小探针对等离子体造成的干扰。在金属电极上施加一个直流电压并在一定范围内改变其电压值，比如从-50V到+50V改变其电压值，每次增加0.1V?0.2V，然后采集探针上的电流数据，得到I一V特性曲线。应用合适的计算公式，可以从特性曲线求得等离子主要特性参数值。
[0006]现有的多栅探针测量离子速度分布函数的方法需要不断改变可调电压来测量电流，以描绘离子分布函数，还没有一种很好的方法能够实时测量离子分布函数。
【发明内容】
[0007]本发明目的是为了解决现有多栅探针测量方法需要不断改变可调电压来测量电流，以描绘离子分布函数，不能实时测量离子分布函数的问题，提供了一种离子速度分布函数瞬时测量装置及方法
[0008]本发明所述离子速度分布函数瞬时测量装置，它包括直流电源、磁场线圈和电荷收集板，
[0009]直流电源用于为粒子提供加速电场；
[0010]磁场线圈用于为经加速电场加速后的粒子提供偏转磁场；
[0011]电荷收集板设置在磁场线圈的末端侧，用于收集经偏转磁场改变运动方向的运动粒子。
[0012]电荷收集板上均匀设置多个粒子收集区域，相邻粒子收集区域呈电隔离。
[0013]一种离子速度分布函数瞬时测量方法，它基于上述离子速度分布函数瞬时测量装置实现，
[0014]带正电荷的粒子经直流电源提供的加速电场加速后，进入到磁场线圈提供的偏转磁场中，运动方向发生偏转后，运动到电荷收集板上不同粒子收集区域内，由电荷收集板上不同粒子收集区域感应到的电流，获得不同位置的粒子束电流密度，从而获得实时的离子速度分布函数。
[0015]偏转磁场的磁场方向与带正电荷的粒子进入偏转磁场的运动方向相垂直。
[0016]本发明的优点:本发明根据带正电荷的粒子在磁场中运动方向发生偏转的特性，设置了电荷收集板，进而通过电荷收集板上不同粒子收集区域内感应到的电流，获得不同位置的粒子束流的密度分布，从而获得粒子入射离子束速度分布。本发明装置结构简单，测量结果准确。采用本发明装置实现的离子速度分布函数瞬时测量方法，通过简单有效的电荷收集方法，实现了离子瞬时速度的测量，为等离子体束瞬时速度的测量提供了新的测量途径。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明所述离子速度分布函数瞬时测量装置的结构示意图；图中?表示带正电荷的粒子，Θ表示带负电荷的粒子，C1和C2均为栅极，u为直流电源的电压；
[0018]图2是电荷收集板的电荷收集表面意图；
[0019]图3是根据电荷收集板上粒子位置计算粒子速度的示意图；
[0020]图4是多栅探针测量电路示意图。
【具体实施方式】
[0021]【具体实施方式】一:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述离子速度分布函数瞬时测量装置，它包括直流电源1、磁场线圈2和电荷收集板3，
[0022]直流电源I用于为粒子提供加速电场；
[0023]磁场线圈2用于为经加速电场加速后的粒子提供偏转磁场；
[0024]电荷收集板3设置在磁场线圈2的末端侧，用于收集经偏转磁场改变运动方向的运动粒子。
[0025]【具体实施方式】二:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述电荷收集板3上均匀设置多个粒子收集区域，相邻粒子收集区域呈电隔离。
[0026]本实施方式中，如图1所示,在加速电场区域中，带正电荷的粒子?通过电场加速获得一定的初速度进入偏转磁场区域，而带负电荷的粒子Θ则会受到电场作用力返回起始位置。
[0027]偏转磁场区域通过N、S极线圈加入一个垂直于纸面方向的磁场,在磁场中带电粒子会进行拉莫尔回旋运动发生偏转。[0028]在偏转磁场区域中发生偏转的带正电荷的粒子因为运动半径的不同，运动轨迹会发生分离，由此会运动到电荷收集板3上不同的位置，根据电荷收集板3上粒子收集区域感应到的电流大小，可以得到该粒子收集区域的粒子束流的密度分布，从而获得某一瞬间入射的粒子的速度分布。
[0029]【具体实施方式】三:下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式是一种离子速度分布函数瞬时测量方法，它基于实施方式一或二所述的离子速度分布函数瞬时测量装置实现，
[0030]带正电荷的粒子经直流电源I提供的加速电场加速后，进入到磁场线圈2提供的偏转磁场中，运动方向发生偏转后，运动到电荷收集板3上不同粒子收集区域内，由电荷收集板3上不同粒子收集区域感应到的电流，获得不同位置的粒子束电流密度，从而获得实时的离子速度分布函数。
[0031]【具体实施方式】四:下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，本实施方式所述偏转磁场的磁场方向与带正电荷的粒子进入偏转磁场的运动方向相垂直。
[0032]本发明的工作原理:
[0033]假定一束等离子体束流，经加速电场加速后只有速度不同，则该等离子体束流以相同的入射角度进入偏转磁场区域。
[0034]粒子在均匀磁场中的运动为拉莫尔运动:
[0035]
【权利要求】
1.一种离子速度分布函数瞬时测量装置，其特征在于，它包括直流电源(I)、磁场线圈(2)和电荷收集板(3)， 直流电源(I)用于为粒子提供加速电场； 磁场线圈(2)用于为经加速电场加速后的粒子提供偏转磁场； 电荷收集板(3)设置在磁场线圈(2)的末端侧，用于收集经偏转磁场改变运动方向的运动粒子。
2.根据权利要求1所述的离子速度分布函数瞬时测量装置，其特征在于，电荷收集板(3)上均匀设置多个粒子收集区域，相邻粒子收集区域呈电隔离。
3.一种离子速度分布函数瞬时测量方法，它基于权利要求2所述的离子速度分布函数瞬时测量装置实现，其特征在于， 带正电荷的粒子经直流电源(I)提供的加速电场加速后，进入到磁场线圈(2)提供的偏转磁场中，运动方向发生偏转后，运动到电荷收集板(3)上不同粒子收集区域内，由电荷收集板(3)上不同粒子收集区域感应到的电流，获得不同位置的粒子束电流密度，从而获得实时的离子速度分布函数。
4.根据权利要求3所述的离子速度分布函数瞬时测量方法，其特征在于，偏转磁场的磁场方向与带正电荷的粒子进入偏转磁场的运动方向相垂直。
【文档编号】G01P3/42GK103954789SQ201410203422
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】王春生, 邹佳荣 申请人:哈尔滨工业大学