本发明属于等离子体诊断研究技术领域，具体涉及等离子体密度的调控技术。
背景技术：
作为一种特殊电磁介质，等离子体在新能源、国家安全、新型材料制备与处理、生命与环境科学等领域具有广阔应用前景。诸多等离子体应用技术都离不开等离子体的产生装置，即等离子体源。在实验室中，目前最受关注的等离子体产生方式有气体放电、热致电离、射线辐照、光电离和激光辐射电离等，但至今最成熟和最主要的还是气体放电法。随着近些年来等离子体研究与应用技术的不断发展与突破，不仅在传统的工业应用领域中(如材料的表面改性、加工与制造业等)，而且在新兴的许多新技术领域中(如生物与环境工程、等离子体化工、航天科学技术等)，都可以看到气体放电等离子体技术。其中，对于等离子体密度这一关键参数的精准测量与调控是影响等离子体技术应用的重点与难点问题。对等离子体密度进行在线测量诊断，开展实时数据采集、分析和处理、并通过控制算法进行等离子体密度的反馈控制，是目前实验人员急需解决的问题。
目前，对等离子体密度控制方法主要有两种：一种是根据放电过程中等离子体密度信号的变化来实时调整充气阀，改变进气量，从而达到调节等离子体密度的效果。即通过控制压电晶体充气阀的充气量来调节实际等离子体密度与预设密度的差距。通过这种方式对等离子体密度进行控制通常是程序控制脉冲注入法，即在每次放电前根据等离子体密度信号预设气体脉冲参数来达到放电时对等离子体密度的控制。这种方法在之前的实验中取得了不错的效果，但是随着实验的进一步深入，程序控制脉冲注入法由于其固有的缺陷，已经很难有效地控制等离子体密度，实时性较差。显而易见，由于程序控制脉冲注入法不能实时地根据放电情况来调整送气量，从而也就不能对密度进行有效控制，使实验达不到预期的效果。后来人们对控制方法进行了改进，采用密度反馈送气法，即采用闭环控制，根据放电期间密度信号的变化，对送气量进行实时调整，以达到对等离子体密度的有效控制，这种方法取得了不错的效果。然而在它们之间存在着一个共同的缺点：单纯通过控制压电晶体充气阀向等离子体源内部真空腔室进行充气，它的控制是单方向的。从控制理论的角度来说，这样的控制系统是发散系统，极其不稳定。当密度低于预设值时，控制脉冲宽度加大，补气增加；密度达到预设值以上时，实际密度大于预设值，控制脉冲宽度减小直至为零。但是，由于等离子体密度受到多种因素影响，有时即便不进行补气，密度也不会很快降下来，但控制系统没有办法进行调节，只能等待密度降下来，这样使密度的控制效果就大打折扣，实时性较差。
另一种方法是通过控制射频电源功率大小进行调节。并且在射频电源和等离子体源之间放置匹配网络，使电源内阻、等离子体阻抗关系匹配良好，电源功率全部耦合到等离子体，没有能量损失。如果想要在较大范围内改变等离子体密度，就要大幅度调节功率，这样不仅调节周期长而且阻抗匹配关系不好，使一部分能量反射回电源，到达等离子体内部得能量不是人们想要的结果，不能保持系统稳定性。
技术实现要素：
本发明为了解决目前的气体放电型等离子体密度通过传统的单变量控制密度方法出现不准确、不稳定、不及时的问题，提出一种等离子体密度的两级调控方法及系统。
本发明所述等离子体密度的两级调控方法，该方法为：
当等离子体实际密度ρ与预设密度ρt的偏差d满足条件|d|>60％ρt时，先采用压电晶体阀控制进气量来对等离子体密度进行粗调；当等离子体实际密度ρ与预设密度ρt的偏差d满足条件20％ρt≤|d|≤60％ρt时，通过调节射频电源功率的方法对等离子体密度进行微调，直至满足条件|d|<ε为止，ε为允许误差。
优选地，允许误差ε＝10％ρt～20％ρt。
一种系统，所述系统用于实现所述等离子体密度的两级调控方法，所述系统包括密度采集单元、密度比对单元和控制器；
密度采集单元，用于采集等离子体真空腔室内等离子体实际密度，并将等离子体实际密度发送给密度比对单元；
密度比对单元，用于将等离子体实际密度与预设等离子体密度进行比较，将二者的偏差值发送给控制器；
控制器，用于根据偏差值发送控制信号给射频电源或功率放大器，通过调节功率放大器的功率控制压电晶体阀的进气量，进而来粗调等离子体密度；或通过调节射频电源的功率来微调等离子体密度。
优选地，密度采集单元包括朗缪尔探针、数据处理电路和数据采集卡，朗缪尔探针前端探入等离子体真空腔室内部，朗缪尔探针的信号通过数据处理电路发送至数据采集卡。
本发明的有益效果：
(1)在保证系统稳定性的条件下，实际密度值与给定密度值偏差更小，准确度提高。
(2)当给定等离子体密度值与实际等离子体密度值相差较大时，先采用通过控制压电晶体充气阀向等离子体源进行充气的密度控制方法进行粗调，之后再采用调节射频功率的方式进行微调，提高系统稳定性。
(3)当实际密度达到预设值以上时，不用等到密度降下来，采用调节放电功率的方式使密度降低到合适值，减少系统响应时间。
(4)本发明专利可快速达到密度的预设值，减少气体用量，装置简单，可操作性强，降低成本，适合工程应用的需求。
附图说明
图1是本发明所述等离子体密度的两级调控系统的原理图；
图2是本发明所述等离子体密度的两级调控方法的原理图；
图3是密度调控闭环控制框图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例：气源内气体经过减压阀输入进压电晶体阀，压电晶体阀与等离子体源的真空腔室进气口相连接。计算机输出控制信号经功率放大器后发送给压电晶体阀，控制其开度，向等离子体源内部供气。
射频电源通过匹配网络将电源功率全部耦合到等离子体源，射频电源通过匹配网络连接等离子体源的真空腔室的电极。
机械泵组和分子泵组均和真空腔室相连接，机械泵组作为一级抽真空单元，可将真空腔内气压降低到1pa，分子泵组作为二级抽真空单元，可将气压降低到1.0×10-4pa。真空腔室本体固定在射频屏蔽箱内部。
本发明所述两级调控方法由计算机来完成，计算机内部设置有数据采集卡，朗缪尔探针前端探入等离子体真空腔室内部，朗缪尔探针的信号通过数据处理电路发送至数据采集卡，由于朗缪尔探针采集到的电信号是模拟信号，经过数据采集卡a/d转换生成数字信号输入到计算机。计算机输出的是数字信号，经过数据采集卡d/a转换生成模拟信号作用于射频电源和压电晶体阀。作用于压电晶体阀的信号经过功率放大器处理。
计算机还用于实现等离子体密度预设值输入、等离子体密度计算。
两级调控方法：采用射频电源进行放电，真空腔室外壁装有朗缪尔探针对等离子体内部电信号进行采集，之后电信号传输到计算机进行密度计算，将密度计算结果与预设密度值进行对比，计算出实际密度与预设值的偏差d，根据偏差d的大小输出控制信号。
如果偏差d较小(20％ρt≤|d|≤60％ρt)时，直接采用调节射频功率的方式来调节密度，精度高，这里包括两种情况：实际密度ρ>预设密度ρt、实际密度ρ<预设密度ρt，都可以微调至预设密度。
如果偏差d较大(|d|>60％ρt)时，分两级调控，第一步先采用压电晶体阀控制进气量来对等离子体密度进行粗调；粗调后实际密度值与预设密度相近，若测得等离子体实际密度ρ与预设密度ρt的偏差d满足条件20％ρt≤|d|≤60％ρt时，通过调节射频电源功率的方法对等离子体密度进行微调，直至实际密度ρ与预设密度ρt二者的偏差d满足条件|d|<ε为止，允许误差ε设置为20％ρt。如果不满足预设密度的要求，重复执行上述操作。
基于上述分析，可见本实施例可带来如下有益效果：该系统在整个控制的过程中,不依赖于人工手动的频繁操作，通过硬件自动控制功能实现，并且通过调节压电晶体阀和射频功率进行两级控制，极大程度地改善了等离子体密度调控不准确的问题，提高了整体应用系统的效率和性能。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。