專利名稱：等離子體懸浮參考探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體診斷儀器技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及實時測量低溫等離子體懸浮電位 的探針。
背景技術(shù)：
朗繆爾探針是等離子體重要的診斷儀器,應(yīng)用中它被偏壓掃描電源驅(qū)動，從而使它吸 引等離子體內(nèi)部的電子、正離子流。通過對其I-V特性曲線進(jìn)行分析推導(dǎo)得出等離子體 空間電位Vs,電子溫度Te,電子以及離子密度Ne、Ni，懸浮電位Vf，電子能量分布函數(shù)EEDF 等等參數(shù)。但在實踐中由于朗繆爾探針在掃描電源的驅(qū)動下工作，等離子體鞘層阻抗很 大時(不良的接地或真空室墻附近電離較差),等離子體空間電位容易發(fā)生低頻遷移(波動)， 這種遷移不是等離子體空間電位本身的正常變化而是由于測量裝置帶來的波動。因此診 斷時必須將其帶來的誤差去掉，即將I-V特性曲線中將空間電位的波動去掉。但直接測 量等離子體空間電位是不容易的。根據(jù)RF.Chen若鞘層內(nèi)電子為Maxwellian分布，離 子符合Bohm判據(jù)，等離子體懸浮電位和空間電位則有如下關(guān)系.-
W,+!m、同 (1)
M離子質(zhì)量；7^=^為電子溫度；附電子質(zhì)量；懸浮電位為J^; F,為等離子
體空間電位。又假設(shè)某時刻電子溫度7^為常量，則有
/^-巧=0 (2)
這說明等離子體空間電位的波動和懸浮電位的波動一樣，由于測量等離子體懸浮電 位較容易，因此一般通過測量等離子體懸浮電位的波動來間接獲得空間電位的波動，測 量懸浮電位的探針為懸浮探針。
目前比較常見的懸浮探針由電極、低通濾波器、高阻連接而成，電極一端插入等離 子體內(nèi)，另一端連接低通濾波器。等離子體懸浮電位為朗繆爾探針電流為O時的電位， 在探針上接入高阻(1M)，由于電阻R很高1M則探針上近似沒有電流即探針懸浮，高阻 兩側(cè)的電位即為等離子體的懸浮電位。實踐中，由于測量高阻兩側(cè)電位時要求信號采集 設(shè)備具有極高的輸入阻抗,因為探針上高阻1M,這樣要求的信號采集設(shè)備需要更高的阻 抗，因此這種懸浮探針也不能準(zhǔn)確的測量等離子體的懸浮電位。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有懸浮探針在實踐中不能準(zhǔn)確測量等離子體的懸浮電位,本發(fā)明提供一種準(zhǔn) 確測量等離子體懸浮電位的等離子體懸浮參考探針.
本發(fā)明裝置包括電極、低通濾波器、高阻、I-V變換器、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制
計算機(jī)。其中細(xì)金屬電極插入等離子體內(nèi)，另一端接低通濾波器，低通濾波器與高阻連接， 高阻另一端連接I-V變換器，I-V變換器與地相連。I-V變換器由LF356JFET輸入型運(yùn) 算放大器組成。
探針在等離子體中處于懸浮狀態(tài)，高阻兩端的電位差即為等離子體懸浮電位。其中 電極是為了吸收等離子體信號，表面積應(yīng)該大些，例如4cr^材料，可為不繡鋼；低通 濾波器(截止頻率為lKHz)的作用是將射頻以及以上成分濾掉；高值電阻(這里為功率 0. 5瓦；1M歐姆)其作用是使探針達(dá)到懸浮狀態(tài);I-V變換器，測量探針的微弱電流信號， 并將該信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并輸出；數(shù)據(jù)釆集卡(研華公司的PCL818HG),其作用是接收 I-V變換器的輸出信號(探針電流信號)并將其傳給工業(yè)控制計算機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡啟動采 集，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波，數(shù)據(jù)存儲并顯示；工業(yè)控制計算機(jī)對信號進(jìn)行 處理并顯示。
設(shè)等離子體懸浮電位為PV,懸浮探針上電流為/,，經(jīng)過電阻Rf上的電流為々。測出 電流/,并根據(jù)^ =/, .i 即可知道懸浮電位。LF356JFET輸入型運(yùn)算放大器測量電流厶 并將其轉(zhuǎn)換成電壓Vo信號輸出。根據(jù)放大器原理，輸出信號F。二/^i "、a/^因此 LF356的輸出Vo即為懸浮電位F,。如果^太大則設(shè)I^10MQ，這樣該電路成為電壓衰 減器，即K。-0.1i,。 LF356JFET輸入型運(yùn)算放大器等效阻抗。為
。=""^0// ,)=^//:。 =105/2xl05 =0.50,因此電路中接入LF356對信號
測量影響非常小。電路中的低通濾波器(截止頻率為lKHz)用來阻擋懸浮電位的射頻 成分，使低頻信號通過。該懸浮探針插入等離子體中，測量懸浮電位隨著朗繆爾探針電 壓的波動而波動的情況。如圖4。正常情況下懸浮電位應(yīng)該是朗繆爾探針電流時候的朗 繆爾探針上的電位應(yīng)該是在掃描期間不變的量;但從圖4可見,懸浮電位隨著朗繆爾探針 電源的波動而單調(diào)變化;說明該懸浮探針可以實時的監(jiān)測等離子體懸浮電位的變化。
使用這種結(jié)構(gòu)的等離子體懸浮參考探針連接到I-V變換器、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制 計算機(jī)，由于測量懸浮電位時信號，利用I-V變換器轉(zhuǎn)換并用計算機(jī)顯示，可以更精確 的測量等離子體懸浮電壓。


圖1懸浮探針組成圖
圖2等離子體懸浮參考探針I(yè)-V變換電路
圖3濾波器和懸浮電位測量電路
圖4懸浮電位&(w隨著朗繆爾探針電壓^變化關(guān)系曲線 圖5數(shù)據(jù)采集軟件流程圖
圖中1電極、2低通濾波器、3高阻、4I-V變換器、5數(shù)據(jù)采集卡、6工業(yè)控制計 算機(jī)、7反饋電阻、8直流電源A、 9直流電源B、 IOI-V變換器輸出電壓
具體實施例方式
等離子體懸浮探針組成如圖1，由電極l、低通濾波器2、高阻3、 I-V變換器4、 數(shù)據(jù)采集卡5、工業(yè)控制計算機(jī)6組成，細(xì)屬電極l插入等離子體內(nèi)，另一端接低通濾波 器2;低通濾波器2與高阻3連接，高阻3另一端連接I-V變換器4; I-V變換器將收集 信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并輸出；數(shù)據(jù)采集卡5接收I-V變換器4的輸出信號并將其傳給工 業(yè)控制計算機(jī)6，工業(yè)控制計算機(jī)6對信號進(jìn)行處理并顯示。懸浮探針電極l插入等離 子體中；為了更好地吸收等離子體信號，表面積應(yīng)該大些例如4cm2材料可為不銹鋼;低 通濾波器2(截止頻率為lKHz)作用是將射頻以及以上成分濾掉；高值電阻3(這里為功率 0. 5瓦；1M歐姆)其作用是使探針達(dá)到懸浮狀態(tài);I-V變換器4，測量探針的微弱電流信號， 并將該信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并輸出；數(shù)據(jù)采集卡5 (研華公司的PCL818HG),其作用是接收 I-V變換器的輸出信號(探針電流信號)并將其傳給工業(yè)控制計算機(jī)6;工業(yè)控制計算機(jī) 6對信號進(jìn)行處理并顯示。
I-V變換器4的具體結(jié)構(gòu)如圖2。 I-V變換器由LF356JFET輸入型運(yùn)算放大器組成。 高阻3和LF356的2腳連接，3腳和地連接；反饋電阻7;直流電源A 8和直流電源B 9; I-V 變換器的輸出阻抗為50Q。
如圖5所示的數(shù)據(jù)采集卡采集過程，其步驟如下
1、 數(shù)據(jù)采集卡啟動采集，將I-V變換器輸出的數(shù)據(jù)采集
2、 經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
3、 經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波，
4、 數(shù)據(jù)存儲并顯示。
權(quán)利要求
1、一種用于測量等離子體懸浮電位的等離子體懸浮參考探針，由電極(1)、低通濾波器(2)、高阻(3)、I-V變換器(4)、數(shù)據(jù)采集卡(5)、工業(yè)控制計算機(jī)(6)組成，其特征在于所述的電極(1)插入等離子體內(nèi)，另一端接低通濾波器(2)；低通濾波器(2)與高阻(3)連接，高阻(3)另一端連接I-V變換器(4)；I-V變換器將收集信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并輸出；數(shù)據(jù)采集卡(5)接收I-V變換器(4)的輸出信號并將其傳給工業(yè)控制計算機(jī)(6)，工業(yè)控制計算機(jī)(6)對信號進(jìn)行處理并顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量等離子體懸浮電位的參考探針，由電極(1)、低通濾波器(2)、高阻(3)、I-V變換器(4)、數(shù)據(jù)采集卡(5)、工業(yè)控制計算機(jī)(6)組成。電極(1)插入等離子體內(nèi)，另一端接低通濾波器(2)；低通濾波器(2)與高阻(3)連接，高阻(3)另一端連接I-V變換器(4)；I-V變換器將收集信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并輸出；數(shù)據(jù)采集卡(5)接收I-V變換器(4)的輸出信號并將其傳給工業(yè)控制計算機(jī)(6)，工業(yè)控制計算機(jī)(6)對信號進(jìn)行處理并顯示。探針在等離子體中處于懸浮狀態(tài)，高阻兩端的電位差即為等離子體懸浮電位，采用這種結(jié)構(gòu)可以對各種低溫等離子體中懸浮電位實時測量。
文檔編號H05H1/00GK101170865SQ20071015858
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者巴德純, 慶 王 申請人:東北大學(xué)