一种基于驻极体的等离子体密度测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及等离子体密度测量技术，具体设及一种基于驻极体的等离子体密度测 量系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 等离子体测量是一项综合性很强的技术，其方法可分为主动式测量和被动式测量 两大类。主动式测量包括探针法、微波法、阻抗测量法等，被动式测量主要有化omson散射 法、光谱法等。目前最常使用的等离子体测量方法有探针法和光谱法，探针法测量主要存在 的缺点是该测量方法要求等离子体中粒子的平均自由程A大于探针尺寸；同时该测量方法 测量周期长，测量误差大，数据处理自动化程度低。光谱法测量主要存在的缺点是在低溫等 离子体测溫范围内，必须用高分辨率光谱仪才能测定。
【发明内容】
[0003] 针对W上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于驻极体的等离子体密度 测量系统及其测量方法，通过测量驻极体表面的电位变化量，从而公式反演等离子体的密 度。
[0004] 本发明的一个目的在于提出一种基于驻极体的等离子体密度测量系统。
[0005] 本发明的基于驻极体的等离子体密度测量系统包括:驻极体传感装置、电位测量 装置、传动装置和测量控制装置;其中，驻极体传感装置包括驻极体传感器和驻极体底座， 驻极体传感器为薄片状，正表面分布有电荷，安装在驻极体底座上;驻极体传感器通过驻极 体底座安装在传动装置上;传动装置和电位测量装置分别连接至测量控制装置;待测的等 离子体与电位测量装置位于驻极体传感装置的同侧;测量控制装置通过传动装置控制驻极 体传感器的正表面正对电位测量装置，电位测量装置测量驻极体传感器的表面电位，即为 表面电位的初始值;测量控制装置通过传动装置控制驻极体传感器沿着与其正表面平行的 方向移动，使得驻极体传感器的正表面正对待测的等离子体，等离子体云团中和驻极体传 感器的正表面的电荷，导致驻极体传感器的表面电位发生改变，与等离子体密度相关;测量 控制装置通过传动装置控制驻极体传感器的正表面再次正对电位测量装置，电位测量装置 测量改变后的驻极体传感器的表面电位;测量控制装置通过驻极体传感器的表面电位的改 变计算得到等离子体密度。
[0006] 驻极体传感器为薄片状的驻极体，驻极体的材料采用聚丙締 PP、聚乙締 PE、四氣乙 締 TFE、六氣丙締 HFP、聚四氣乙締 PTFE、聚酷亚胺Kapton、聚二甲基硅氧烷PDMS和尼龙中的 一种。
[0007] 电位测量装置包括探针阵列、探针底座和电位计;其中，N个探针排列成二维的探 针阵列，设置在探针底座上，每一个探针分别连接至电位计的一个通道，N为含5的自然数。
[0008] 进一步，电位测量装置还包括探针阵列开关，与探针阵列相对应，探针阵列开关包 括N个开关，每一个探针连接至一个开关，通过控制开关的通断，将所连接的探针连接至电 位计。从而，通过控制探针阵列开关，可W得到想要测量的位置的等离子体的密度。
[0009] 测量控制装置包括：电位信号调理电路、距离信号调理电路、多通道数据采集卡、 检测控制器、输入装置、输出装置和存储器;其中，检测控制器启动检测准备程序，通过输入 装置向检测控制器输入探针阵列与驻极体传感器间的相对位置信息(包括轴向间距和纵向 偏差）；检测控制器输出步进电机驱动信号，步进电机通过传动机构驱动驻极体底座移动； 距离传感器实时测量探针阵列与驻极体传感器的相对位置，并将其转换为电信号送至距离 信号调理电路;距离信号调理电路对电信号进行滤波降噪和整形处理后，送至数据采集卡， 转换为数字信号并送至检测控制器;检测控制器解算出实测的位置与设定的位置的差值， 并形成步进电机驱动信号，实现闭环控制；当实测的位置与设定的位置的差值小于预定值 时，检测控制器输出停止信号，关停步进电机;电位测量装置将电位信号传送至电位信号调 理电路，电位信号调理电路对电位信号进行滤波降噪和整形处理后，送至数据采集卡，将电 位信号转换为数字信号并送至检测控制器，检测控制器解算探针所在点的表面电位，并存 储至存储器。输入装置采用键盘，输出装置采用显示屏。
[0010] 传动装置包括:导轨、距离传感器、传动机构和步进电机;其中，驻极体底座设置在 导轨上；导轨的方向平行于驻极体传感器的正表面;导轨连接距离传感器;距离传感器连接 至测量控制装置的距离信号调理电路;传动装置的一端连接至驻极体底座，另一端连接至 步进电机;步进电机又连接至测量控制装置的检测控制器;测量控制装置通过距离传感器 得到驻极体传底座在导轨上的位置，再通过控制步进电机带动传动机构，控制驻极体底座 的位移。
[0011] 本发明的另一目的在于提供一种基于驻极体的等离子体密度测量方法。
[0012] 本发明的基于驻极体的等离子体密度测量方法，包括W下步骤：
[0013] 1)制备驻极体传感器：
[0014] 提供驻极体传感器的驻极体材料，驻极体传感器为薄片状，正表面分布有电荷；
[0015] 2)安装：
[0016] 将稳定的驻极体传感器安装在驻极体底座上，探针阵列安装在探针底座上，然后 将驻极体底座安装在传动装置的导轨上，导轨的方向与驻极体传感器的正表面平行，并将 传动机构连接至驻极体底座；
[0017] 3)将驻极体底座移动到设定的位置，完成测试前的准备工作；
[0018] 4)测量得到驻极体传感器的表面电位的初始值：
[0019] 测量控制装置通过传动装置控制驻极体传感器移动，使驻极体传感器的正表面与 探针阵列对正，驻极体传感器与探针阵列之间的距离为1，1含10mm，检测控制器通过输入装 置启动测试程序，输入电位测量指令，检测控制器自动完成探测阵列各点表面电位的测量， 并将表面电位传送至测量控制装置，存储并显示第i点对应的表面电位的初始值化1，并存储 至存储器，其中，N为探针阵列中探针的数量，賦1 ^的自然数，i为自然数，且ie{l、……、 N};
[0020] 5)测试等离子体：
[0021 ]探针阵列远离待测等离子体源，测量控制装置通过传动装置控制驻极体传感器沿 着导轨移动，使得驻极体传感器的正表面正对待测的等离子体，等离子体云团中和驻极体 传感器的表面电荷，导致驻极体传感器的表面电位发生改变，与等离子体密度相关；
[0022] 6)数据传输：
[0023] 测量控制装置通过传动装置控制电位测量装置移动，使探针阵列与驻极体传感器 的正表面再次对正，二者之间的距离为1，1含10mm，通过电位测量装置测量驻极体传感器各 点的表面电位，并送至测量控制装置，存储并显示第i点的表面电位值化1;
[0024] 7)数据处理：
[0025] 测量控制装置根据表面电位，得到驻极体传感器的表面电荷的改变量，并进一步 计算得到等离子体密度。
[0026] 为了进一步提高测试准确度，重复进行步骤5)~7)的过程，并剔除异常数据，拟合 各点表面电荷的改变量，通过数据统计方法处理测试数据。
[0027] 其中，在步骤4)中，测量驻极体传感器的表面电位的初始值包括:输入起始电位测 量指令，检测控制器启动自动测量程序，输出探针开关阵列选择驱动信号，选定的探针经探 针开关阵列中相应的开关与电位计和电位信号调理电路导通，而未选定的探针与电位计、 电位信号调理电路断开;检测控制器输出步进电机驱动信号，步进电机通过传动机构驱动 驻极体底座移动;距离传感器实时测量探针阵列与驻极体传感器的相对位置，并将其转换 为电信号送至距离信号调理电路；距离信号调理电路对电信号进行滤波降噪和整形处理 后，送至数据采集卡，转换为数字信号并送至检测控制器;检测控制器解算出实测的位置与 设定的位置的差值，并形成步进电机驱动信号，实现闭环控制；当实测的位置与设定的位置 的差值小于预定值时，检测控制器输出停止信号，关停步进电机;选定的探针感应驻极体传 感器相应点的表面电位，生成感应信号，并送至电位计；电位计将感应信号转换为电压形式 的电位信号；
[0028] 电位信号调理电路对电位信号进行滤波降噪和整形处理后，送至数据采集卡，将 电位信号转换为数字信号并送至检测控制器，检测控制器解算出对应点的表面电位的初始 值化i，并存储至存储器，其中，i为自然数，且