一种用于低温等离子体电位诊断的探针系统的制作方法

本发明涉及一种探针系统，尤其涉及用于低温等离子体电位诊断的探针系统，属于低温等离子体参量诊断设备领域。

背景技术：

在低温等离子体(等离子体数密度小于10²²m^-3)应用领域，主要是利用等离子体发生器产生的低温等离子体，低温等离子体的参量很大程度上决定了应用层面的性能好坏，因此，需要对低温等离子体参量进行诊断。一般情况下，需要诊断的低温等离子体参量有等离子体电位、等离子体密度和等离子体能量。

目前，等离子体电位诊断方法主要采用的是电流收集方案，其基本原理为：当金属设备与低温等离子体诊断区域形成一定电位差时，金属设备会收集一定电流，通过对金属设备设定一系列不同的电压值，可得到设备电压和收集电流的关系曲线，根据曲线走势及相关理论公式推导出低温等离子体的电位及其他参量。该方案的优点在于一次诊断可同时获得等离子体电位、等离子体密度和等离子体能量参数，信息丰富。但其缺点也十分明显：第一，有大量诊断需求的场合时，若电源不具有电压扫描功能，诊断时间效率低下；第二，具体结果需要对电压电流曲线进行后期数据处理才能得到，不具有实时性；第三，测量噪音对等离子体参量推导结果有较大影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于低温等离子体电位诊断的探针系统，该系统能够实现低温等离子体电位的实时、快速和准确测量，提供一种用于低温等离子体电位诊断的探针系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开一种用于低温等离子体电位诊断的探针系统，包括：金属丝、绝缘套、金属柱、导线、取样电阻、示波器和直流稳压电源；

所述绝缘套上开设两个通道，通道用于固定安装金属柱；然后通过金属丝将两个金属柱导通；金属柱另一端通过导线连接到直流稳压电源以及两个取样电阻；两个取样电阻串联后与直流稳压电源并联；示波器的测量探头安装在两个串联取样电阻的中心位置；

所述金属丝材料应为低逸出功、耐高温材料，如钨；

所述金属丝制为u型结构；

所述绝缘套材料应为绝缘、耐高温材料，如陶瓷；

所述两根金属柱材料应为导电性能良好的材料，如铜；

所述两根金属柱对称布置；

所述绝缘套通道的直径需不小于金属柱直径；

所述需保证金属柱顶端位置低于绝缘套顶端；

所述两个取样电阻所有参数应一致，且电阻值需不小于10k欧姆；

所述示波器的参考地探头应与被测低温等离子体电位的参考地固定连接；

所述直流稳压电源应为隔离电源；

所述金属丝中心点分别至直流稳压电源正负极的电路总电阻应相等；

所述两个取样电阻串联中心点分别至直流稳压电源正负极的电路总电阻应相等；

本发明公开一种用于低温等离子体电位诊断的探针系统的工作方法为：

将金属丝部分置于低温等离子体待诊断区域时，由于空间电荷限制现象，金属丝与被诊断等离子体区域形成等离子体鞘层，此时电路处于断路状态，电路整体电位会悬浮于一个低于真实等离子体电位的值，以保证金属丝与被诊断等离子体区域的接触净电流为零，此时示波器会显示出恒定电压曲线。打开直流稳压电源，首先设置一个较小的恒电流输出(不大于0.5a)，金属丝在加热一段时间后会释放电子，金属丝与被诊断等离子体区域原有的电荷交换平衡被打破，等离子体鞘层效应被稀释。金属丝相对被诊断等离子体的电位发生变化，根据并联电路对称性，此时示波器测量得到的电位即金属丝中心点相对被诊断等离子体的电位，该电位值大于电路断路时示波器测量得到的电位值。随后采用相同的方法，不断加大直流稳压电源输出电流并利用示波器进行测量。在输出电流持续升高的过程中：电压值一开始缓慢变化，当输出电流值大于a时，电压值随着输出电流的增大迅速升高，当输出电流值大于b时(b>a)，电压值变化又迅速变缓；则可取区间[b,b+0.5]任一电流值c作为试验基准输出电流值。后续进行低温等离子体电位诊断时，设置直流稳压电源输出电流为c，此时示波器测量得到电压值即是低温等离子体的电位；变化所述探针系统的诊断位置便能够实时、快速和准确地得到稳态低温等离子体电位。

有益效果

本发明公开的一种用于低温等离子体电位诊断的探针系统，利用低温等离子体与金属设备接触过程中的等离子体鞘层现象和并联电路的对称性，实现低温等离子体电位的实时、快速和准确测量。其基本原理为：与低温等离子体接触时，金属丝会同时吸收电子电流和离子电流，由于电子电流比离子电流大很多，金属丝与低温等离子体之间形成等离子体鞘层，金属丝电位悬浮于较低值，加热金属丝向等离子体发射一定大小电子电流，减小吸收的电子电流和离子电流大小比值，可以稀释等离子体鞘层效应，不断降低金属丝电位与被诊断等离子体区域电位差以逼近真实值。此时，只要能够测量得到金属丝的实际电位，便能直接得到被诊断的低温等离子体电位。通过设置具有对称结构的并联电路，将对金属丝区域悬浮电位的测量转移到取样电阻上，一方面避免了示波器探针的直接连接对金属丝工作电路的影响，一方面减小非对称结构对结果准确度的影响，从而使得所述探针系统能够实现低温等离子体电位的实时、快速和准确测量。

附图说明

图1为本实施例公开的一种用于低温等离子体电位诊断的探针系统结构示意图：

图2为金属丝、金属柱和绝缘套剖视示意图；

图3不同输出电流下的示波器测量电压示意图；

图4采用所述探针系统测量得到的空心阴极地面试验羽流情况下的低温等离子体电位二维分布图。

其中：1—金属丝、2—绝缘套、3—金属柱、4—导线、5—取样电阻、6—示波器、7—直流稳压电源。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1

本实施例公开得到一种用于低温等离子体电位诊断的探针系统，包括：金属丝、绝缘套、金属柱、导线、取样电阻、示波器、直流稳压电源，如图1所示；

连接关系：所述绝缘套上开设两个通道，通道用于固定安装金属柱；然后通过金属丝将两个金属柱导通；金属柱另一端通过导线连接到直流稳压电源以及两个取样电阻；两个取样电阻串联后与直流稳压电源并联；示波器的测量探头安装在两个串联取样电阻的中心位置；

所述金属丝材料为钨，直径为0.127mm，长度为4mm，呈u型结构；如图2所示；

所述绝缘套材料为陶瓷；

所述两根金属柱材料为铜；

工作过程：将金属丝部分置于空心阴极地面试验羽流情况下的低温等离子体待诊断区域时，由于空间电荷限制现象，金属丝与被诊断等离子体区域形成等离子体鞘层，此时电路处于断路状态，电路整体电位会悬浮于一个低于真实等离子体电位的值，以保证金属丝与被诊断等离子体区域的接触净电流为零，此时示波器会显示出恒定电压曲线，其值为5v左右。打开直流稳压电源，连续设置一系列输出电流，通过示波器测量得到对应输出电流下的电压值(如图3所示)。找到电压由迅速变化转为缓慢变化的转折点，该转折点对应的直流稳压电源的输出电流约为2.5a，取3.0a作为试验基准输出电流值。此时，变化所述探针系统的诊断位置便能够实时、快速和准确地得到空心阴极地面试验羽流情况下的低温等离子体电位(如图4所示)。

以上所述的具体描述，对发明的目的、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例而已，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。