一种多台阶静电探针的制作方法

1.本发明涉及等离子体静电特性诊断技术领域，具体涉及一种多台阶静电探针。


背景技术：

2.在磁约束聚变等离子体装置中，如何降低等离子体粒子输运和热输运水平，提高装置对等离子体的约束水平是能否实现具有经济性的可控自持聚变反应的关键问题之一。目前的理论和实验结果表明，等离子体中的微观不稳定性——湍流是引起粒子输运和热输运的主要因素。因此，对等离子体实验装置中湍流及其引起的输运行为的研究是磁约束聚变研究的重要课题之一。
3.在目前的磁约束聚变装置中，等离子体的比压(动力压强与磁压强之比)较小，湍流输运的特征主要由静电效应决定。静电探针(又称朗缪尔探针)诊断技术是最典型的等离子体湍流测量手段。在典型应用环境下，静电探针的伏安特性曲线能够反应出当地等离子体的电子温度、电子密度、空间电位、旋转速度等重要参数。通过设定探针不同的工作状态，及多个探针间的组合，可以获得丰富的等离子体湍流信息。探针的基本工作状态包括：
4.1、悬浮电位
5.将单个探针悬浮置于等离子中，探针表面电子流与粒子流平衡后，探针对地电位为悬浮电位φ
f
。
6.2、饱和流单探针
7.将单根探针置于等离子体中，在探针与地之间加入足够大的负偏置电压，使得探针充分排斥电子流而离子流达到饱和，此时的饱和电流即探针的离子饱和流i
si
。
8.3、扫描探针
9.将单根探针置于等离子体中，在探针与地之间加入足够大的正负扫描电压，从而获得探针的伏安特性曲线，从伏安特性曲线的分析上可以获得当地等离子体的电子温度n
e
、电子密度t
e
、悬浮电位φ
f
、空间电位φ
p
、电子能量分布函数f(∈)等。
10.4、双探针对
11.将两根探针置于同一等离子体中，相距适当距离，并在两针之间加载恒定偏压，使负偏置探针处于离子饱和区，正偏置探针处于过渡区，此时两探针的对地电压分别为φ
+
和φ
‑
，流过两探针的电流为离子体饱和离子流i
si
。双探针对通常配合附近的悬浮电位探针使用，构成三探针组合，利用及可得到等离子体温度和密度，利用公式φ
p
＝φ
f
+αt
e
可得到等离子体空间电位。
12.5、马赫探针对
13.沿等离子体流方向，在上下游分别布置一个饱和流单探针，通过在探针周围设置遮挡物，使得上游探针只接收上游饱和离子流i
u
，下游探针只接收下游饱和离子流i
d
。根据探针原理可得到该方向等离子体的马赫数
14.这些探针单独使用时只能获得部分等离子体参数信息，通过适当的组合形式构成静电探针阵列即可实现复杂物理量的测量需求。


技术实现要素：

15.本发明的目的在于提供一种多台阶静电探针，解决现有探针不能同时测量等离子体多个输运量的问题。
16.本发明通过下述技术方案实现：
17.一种多台阶静电探针，包括石墨外壳，所述石墨外壳的顶部形成三个台阶面，由低到高分别为第一台阶面、第二台阶面和第三台阶面；
18.所述第三台阶面上布置有第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针和第六悬浮电位探针；所述第一双探针和第二双探针布置在同一列，所述第一悬浮电位探针和第六悬浮电位探针布置在同一列，且第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针和第六悬浮电位探针交错布置，所述第一双探针和第一悬浮电位探针分别布置第三台阶面的两侧边缘，所述第一双探针和第二双探针所在列远离第二台阶面设置；
19.所述第二台阶面上布置有同列设置的第四悬浮电位探针和第五悬浮电位探针；所述第四悬浮电位探针或第五悬浮电位探针设置在第二台阶面的边缘，所述第四悬浮电位探针和第五悬浮电位探针与第一悬浮电位探针和第六悬浮电位探针交错布置；
20.所述第一台阶面上布置有第二悬浮电位探针、第三双探针、第四双探针、第三悬浮电位探针；所述第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针布置在同一列，所述第三双探针和第四双探针布置在同一列，所述第三双探针和第四双探针所在列远离第二台阶面设置，所述第二悬浮电位探针和第四双探针分别布置第一台阶面的两侧边缘，所述第二悬浮电位探针、第三双探针、第四双探针、第三悬浮电位探针交错布置，所述第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针与第四悬浮电位探针和第五悬浮电位探针交错布置。
21.本发明的台阶高度方向为探针的径向，所述列为探针的环向。本发明中每一列探针中，靠近台阶边缘的探针为正偏置，另一根为负偏置。
22.本发明的第三悬浮电位探针、第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针和第六悬浮电位探针构成四探针，用于雷诺协强测量，可以获得第二台阶面处局域的极向电场、径向电场和动量流，所述第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针和第六悬浮电位探针构成静电四探针，用于测量第三台阶面局域位置的离子饱和流、等离子体悬浮电位、极向电场、空间电位、等离子体电子温度、电子密度，以及径向粒子流、热流，所述第二悬浮电位探针、第三双探针、第四双探针、第三悬浮电位探针构成静电四探针，用于测量第一台阶面局域位置的等离子体悬浮电位、极向电场、空间电位、等离子体电子温度、电子密度，以及径向粒子流、热流。第一台阶面与第三阶台阶面测量得到的各参量的平均值作为第二台阶面这些参量的良好近似值。本发明的十根探针通过这样的方式，可以同时获得第二台阶面局域的离子饱和流、等离子体悬浮电位、极向电场、空间电位、等离子体电子温度、电子密度，以及、极向电场、径向电场，并以此为基础获得径向粒子流、热流和动量流。
23.按照本发明所述方式布置各个探针，静电探针针头突出于探头顶端，各列探针交错排列，同一台阶最多可设计两列无遮挡探针，使得各个探针之间相互无遮挡，且整个多台阶探针具有尺寸小的优点。
24.进一步地，不同列中两个探针之间的间距相同。
25.例如：第一双探针、第二双探针之间的间距为l，那么第一悬浮电位探针和第六悬浮电位探针之间的间距为l，第四悬浮电位探针和第五悬浮电位探针之间的间距为l，第二悬浮电位探针和第三悬浮电位探针之间的间距为l，第三双探针和第四双探针之间的间距为l。
26.进一步地，相邻列之间的间距相同。
27.例如：第六悬浮电位探针到第一双探针、第二双探针之间连线的垂直距离为m，第六悬浮电位探针到第四悬浮电位探针、第五悬浮电位探针之间连线的垂直距离也为m。
28.进一步地，各个探针的顶端针头高度一致。
29.进一步地，第一双探针、第二双探针、第一悬浮电位探针和第六悬浮电位探针的顶端针头均凸出于第三台阶面1～4mm；所述第四悬浮电位探针和第五悬浮电位探针的顶端针头均凸出于述第二台阶面1～4m；所述第二悬浮电位探针、第三双探针、第四双探针、第三悬浮电位探针的顶端针头均凸出于述第一台阶面1～4m。
30.进一步地，各个探针的顶端针头的直径均为2mm～4mm。
31.进一步地，第一台阶面、第二台阶面和第三台阶面上均设置有分别与各个探针匹配的通孔，所述通孔的内径为3mm～5mm。
32.进一步地，石墨外壳的顶部为方形平面结构，所述方形平面结构上设置有l形结构，所述l形结构的竖直段顶部和水平段顶部分别为第三台阶面和第二台阶面，所述方形平面结构为第一台阶面。
33.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
34.1、本发明可用于同时测量等离子体同一局域位置的离子饱和流、电子温度、密度、等离子体电位、径向电场、极向电场，并由以此为基础，还可以获得等离子体粒子流、热流以及动量流。
35.2、按照本发明所述方式布置各个探针，静电探针针头突出于探头顶端，各列探针交错排列，同一台阶最多可设计两列无遮挡探针，使得各个探针之间相互无遮挡，且整个多台阶探针具有尺寸小的优点。
附图说明
36.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
37.图1为多台阶静电探针的结构示意图。
38.附图中标记及对应的零部件名称：
[0039]1‑
第一双探针，2
‑
第二双探针，3
‑
第一悬浮电位探针，4
‑
第二悬浮电位探针，5
‑
第三双探针，6
‑
第四双探针，7
‑
第三悬浮电位探针，8
‑
第四悬浮电位探针，9
‑
第五悬浮电位探针，10
‑
第六悬浮电位探针，11
‑
石墨外壳。
具体实施方式
[0040]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。
[0041]
实施例1：
[0042]
如图1所示，一种多台阶静电探针，包括石墨外壳11，其特征在于，所述石墨外壳11的顶部形成三个台阶面，由低到高分别为第一台阶面、第二台阶面和第三台阶面；
[0043]
所述第三台阶面上布置有第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3和第六悬浮电位探针10；所述第一双探针1和第二双探针2布置在同一列，所述第一悬浮电位探针3和第六悬浮电位探针10布置在同一列，且第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3和第六悬浮电位探针10交错布置，所述第一双探针1和第一悬浮电位探针3分别布置第三台阶面的两侧边缘，所述第一双探针1和第二双探针2所在列远离第二台阶面设置；
[0044]
所述第二台阶面上布置有同列设置的第四悬浮电位探针8和第五悬浮电位探针9；所述第四悬浮电位探针8或第五悬浮电位探针9设置在第二台阶面的边缘，所述第四悬浮电位探针8和第五悬浮电位探针9与第一悬浮电位探针3和第六悬浮电位探针10交错布置；
[0045]
所述第一台阶面上布置有第二悬浮电位探针4、第三双探针5、第四双探针6、第三悬浮电位探针7；所述第二悬浮电位探针4和第三悬浮电位探针7布置在同一列，所述第三双探针5和第四双探针6布置在同一列，所述第三双探针5和第四双探针6所在列远离第二台阶面设置，所述第二悬浮电位探针4和第四双探针6分别布置第一台阶面的两侧边缘，所述第二悬浮电位探针4、第三双探针5、第四双探针6、第三悬浮电位探针7交错布置，所述第二悬浮电位探针4和第三悬浮电位探针7与第四悬浮电位探针8和第五悬浮电位探针9交错布置。
[0046]
在本实施例中，不同列中两个探针之间的间距相同；相邻列之间的间距相同，同一个台阶面最多设置两列探针。
[0047]
在本实施例中，各个探针的顶端针头高度一致：
[0048]
所述第一双探针1、第二双探针2、第一悬浮电位探针3和第六悬浮电位探针10的顶端针头均凸出于第三台阶面1～4mm；所述第四悬浮电位探针8和第五悬浮电位探针9的顶端针头均凸出于述第二台阶面1～4m；所述第二悬浮电位探针4、第三双探针5、第四双探针6、第三悬浮电位探针7的顶端针头均凸出于述第一台阶面1～4m；第一台阶面、第二台阶面和第三台阶面上均设置有分别与各个探针匹配的通孔，所述通孔的内径为3mm～5mm。
[0049]
各个探针的顶端针头的直径均为2mm～4mm。
[0050]
在本实施例中，所述石墨外壳11的顶部为方形平面结构，所述方形平面结构上设置有l形结构，所述l形结构的竖直段顶部和水平段顶部分别为第三台阶面和第二台阶面，所述方形平面结构为第一台阶面，具体地：
[0051]
石墨外壳11整体呈方筒形，内部长20～50mm，宽20～40mm；石墨外壳11的高度为60～150mm，每个台阶高2～5mm。
[0052]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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方式而已，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。