一种凸凹探针及其等离子体诊断方法与流程

本发明属于等离子体技术领域，涉及到一种凸凹探针及其等离子体诊断方法，用于诊断等离子体获得准确的等离子体空间电位、电子密度和电子能量分布函数。

背景技术：

现有诊断等离子体最常用的技术是单探针，是把一个小金属电极即探针置于等离子体中，在探针与等离子体接地电极之间加上扫描偏置电压，然后测量探针电流随扫描偏置电压的变化，得到伏安特性曲线，再通过分析伏安特性曲线得到等离子体的参数，包括等离子体空间电位、电子密度和电子能量分布函数等。其中探针的形状为球形、平面或圆柱形，分析伏安特性曲线的方法是：对伏安特性曲线进行微分，用微分最大值对应的电位作为等离子体空间电位，用此电位处的探针电流作为电子饱和电流计算电子密度，以此电位为基准点计算电子能量分布函数。

上述方法对于理论上不存在空间电荷效应的情况是准确的，但实际上当探针偏置在等离子体空间电位附近时，电子向探针汇集一定会产生空间电荷效应，使得伏安特性曲线在等离子体空间电位处的拐点变圆滑，伏安特性曲线在低于实际等离子体空间电位的某处就偏离指数变化，从而在那里而不是实际等离子体空间电位处出现微分最大值，导致以此获得的等离子体空间电位值低于实际的等离子体空间电位值，并由此进一步导致计算出的电子密度值偏低和电子能量分布函数不准确。

另一方面，现有技术使用的各种探针形状也存在问题。其中，圆柱形探针由于其易制作和对等离子体扰动较小而最为广泛使用，但圆柱形探针空间对称性不好，尖端电场较强，探针上的收集电流密度不均匀，从而产生沿面电势差和电流，影响测量的准确性。另外，圆柱形探针靠近其绝缘支架的部分会受到绝缘支架鞘层的遮挡而不能有效收集电子，因此不能准确确定有效的电流收集面积，从而使电子密度计算不准确。与圆柱形探针相比，球形探针对等离子体扰动更小且空间对称性好，但球形探针也不能避免其靠近绝缘支架的部分受绝缘支架鞘层的遮挡而不能有效收集电子的问题，使有效的电流收集面积不能准确确定以及由此导致电子密度计算不准确。平面探针因其对等离子体扰动大和理论不完善而最少使用，且平面探针同样存在电场不均匀和探针受绝缘支架鞘层遮挡的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种凸凹探针及其等离子体诊断方法，以解决现有的单探针等离子体诊断技术由于空间电荷效应和探针形状结构原因所造成的诊断结果不准确的问题，获得准确的等离子体空间电位、电子密度和电子能量分布函数。

本发明技术方案是：

一种凸凹探针由凸探针、绝缘管和金属导线组成；凸探针为半球形，直径为0.5-50mm；绝缘管与凸探针直径相同；凸探针半球的平面部分与绝缘管的一端正对接触或留一个缝隙，缝隙的宽度不大于凸探针半球和绝缘管直径的1/10；凸探针半球的平面上连接一根金属导线，金属导线从绝缘管中穿过与外部电路连接。

凹探针组件由凹探针、绝缘套管和金属导线组成；凹探针为圆筒形，内径为0.5-50mm，深径比大于10；凹探针圆筒的一端开放，凹探针圆筒外紧套一个绝缘套管，凹探针圆筒开放的一端边缘与绝缘套管边缘平齐；凹探针圆筒的另一端连接一根金属导线，金属导线从绝缘套管中穿过与外部电路连接。

上述凸探针和凹探针的材料是相同的非磁性金属；上述绝缘管和绝缘套管的材料为陶瓷、玻璃或塑料。

上述凸探针组件和凹探针组件构成凸凹探针组合使用，凸凹探针组合包括分体式凸凹探针组合和一体伸缩式凸凹探针组合两种形式；分体式凸凹探针组合中，凸探针组件和凹探针组件靠近安装，凹探针圆筒开放的一端靠近凸探针，凹探针组件不遮挡凸探针；一体伸缩式凸凹探针组合中，凸探针组件和凹探针组件共轴安装，凸探针组件可以处于缩入凹探针组件内的状态和伸出凹探针组件外的状态；凸探针组件缩入凹探针组件内的状态中，凸探针缩入凹探针圆筒内的深度大于凹探针圆筒直径的10倍；凸探针组件伸出凹探针组件外的状态中，凸探针靠近凹探针圆筒边缘但不被凹探针遮挡。

诊断等离子体时，将凸凹探针组合置于等离子体中；同时或分别在凸探针和凹探针与等离子体接地电极之间加上扫描偏置电压，并测量凸探针和凹探针各自的电流随扫描偏置电压的变化，得到凸探针和凹探针各自的伏安特性曲线(对于一体伸缩式凸凹探针组合，在凸探针组件缩入凹探针组件内的状态下测量凹探针的伏安特性曲线，在凸探针组件伸出凹探针组件外的状态下测量凸探针的伏安特性曲线)；从凹探针的伏安特性曲线上找到它的拐点，读出该拐点对应的偏置电压值，这个偏置电压值就是等离子体空间电位V_S；从凸探针的伏安特性曲线上读出上述偏置电压值对应的电流，这个电流就是凸探针的饱和电子电流I_es，然后利用公式计算获得电子密度n_e，上述公式中，e、m_e和T_e分别是电子电量、电子质量和电子温度，A是凸探针半球面的面积；对凸探针的伏安特性曲线做二次微分，利用公式获得电子能量分布函数f(E)，其中E＝e(V_S-V)是电子能量，V是探针偏置电压，取值V≤V_S。

本发明的有益效果是：

1.凹探针利用开口和空腔收集电子，没有金属-等离子体界面，从而能够消除空间电荷效应，使伏安特性曲线清晰地显示出拐点，指示出准确的等离子体空间电位；2.由于获得了准确的等离子体空间电位，利用它计算获得的电子密度和电子能量分布函数更准确；3.凸探针和绝缘管的结构设计方案能够避免绝缘管的鞘层对部分探针面积的遮挡，使凸探针的电子收集面积能够准确确定(等于半球面的面积)，从而能够准确计算电子密度；3.凸探针的半球面形状对等离子体扰动最小，且电流密度均匀，获得的伏安特性曲线质量好，使以之为基础计算获得的电子能量分布函数更准确。

附图说明

图1是分体式凸凹探针组合的示意图。

图2是一体伸缩式凸凹探针组合的示意图。

图3是利用凸凹探针诊断等离子体的电原理图。

图4是利用凸凹探针诊断空间等离子体的示意图。

图5是利用凸凹探针诊断等离子体获得的伏安特性曲线。

图6是利用凸凹探针诊断等离子体获得的电子能量分布函数。

图中：1凸探针；2绝缘管；3金属导线；4凹探针；5绝缘套管；6分体式凸凹探针组合；7等离子体；8等离子体接地电极；9卫星；10凹探针的伏安特性曲线；11拐点；12凸探针的伏安特性曲线。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例一：

图1中凸探针1、绝缘管2和金属导线3组成凸探针组件；凸探针1为半球形，直径为2mm；绝缘管2与凸探针1直径相同；凸探针1半球的平面部分与绝缘管2的一端正对，之间留一个0.2mm的缝隙；凸探针1半球的平面上连接金属导线3，金属导线3从绝缘管2中穿过与外部电路连接。

图1中凹探针4、绝缘套管5和金属导线3组成凹探针组件；凹探针4为圆筒形，内径为1.7mm，深30mm；凹探针4圆筒的一端开放，凹探针4圆筒外紧套一个绝缘套管5，凹探针4圆筒开放的一端边缘与绝缘套管5边缘平齐；凹探针4圆筒的另一端连接金属导线3，金属导线3从绝缘套管5中穿过与外部电路连接。

图1中凸探针1和凹探针4的材料相同，均为黄铜；绝缘管2和绝缘套管5的材料为玻璃。

图1中凸探针组件和凹探针组件构成分体式凸凹探针组合，凸探针组件和凹探针组件靠近安装，凹探针4圆筒开放的一端靠近凸探针1，凹探针组件不遮挡凸探针1。

实施例二：

图2中凸探针1、绝缘管2和金属导线3组成凸探针组件；凸探针1为半球形，直径为1.8mm；绝缘管2与凸探针1直径相同；凸探针1半球的平面部分与绝缘管2的一端正对，之间留一个0.16mm的缝隙；凸探针1半球的平面上连接金属导线3，金属导线3从绝缘管2中穿过与外部电路连接。

图2中凹探针4、绝缘套管5和金属导线3组成凹探针组件；凹探针4为圆筒形，内径为2mm，深30mm；凹探针4圆筒的一端开放，凹探针4圆筒外紧套一个绝缘套管5，凹探针4圆筒开放的一端边缘与绝缘套管5边缘平齐；凹探针4圆筒的另一端连接金属导线3，金属导线3从绝缘套管5中穿过与外部电路连接。

图2中凸探针1和凹探针4的材料相同，均为钽；绝缘管2和绝缘套管5的材料为陶瓷。

图2中凸探针组件和凹探针组件构成一体伸缩式凸凹探针组合，凸探针组件和凹探针组件共轴安装，凸探针组件可以处于缩入凹探针组件内和伸出凹探针组件外两种状态；凸探针组件缩入凹探针组件内的状态中，凸探针1缩入凹探针4圆筒内的深度大于凹探针4圆筒直径的10倍，凸探针组件伸出凹探针组件外的状态中，凸探针1靠近凹探针4圆筒边缘但不被凹探针遮挡。

实施例三：

图3中凸探针组件和凹探针组件构成分体式凸凹探针组合6置于等离子体7中；同时在凸探针1和凹探针4与等离子体接地电极8之间加上扫描偏置电压，并测量凸探针1和凹探针4各自的电流随扫描偏置电压的变化，得到凸探针和凹探针各自的伏安特性曲线。

实施例四：

图4中凸探针组件和凹探针组件构成一体伸缩式凸凹探针组合随卫星9发射至空间等离子体7中，其中凸探针1为半球形，直径为48mm；绝缘管2与凸探针1直径相同；凸探针1半球的平面部分与绝缘管2的一端正对接触；凹探针4为圆筒形，内径为50mm，深600mm；凸探针1和凹探针4的材料相同，均为钛，绝缘管2的材料为陶瓷；分别在凸探针1和凹探针4与作为等离子体接地电极的卫星9之间加上扫描偏置电压，并测量凸探针1和凹探针4各自的电流随扫描偏置电压的变化，得到凸探针1和凹探针4各自的伏安特性曲线，其中在凸探针组件缩入凹探针组件内的状态下测量凹探针4的伏安特性曲线，在凸探针组件伸出凹探针组件外的状态下测量凸探针1的伏安特性曲线。

实施例五：

图5是将凸凹探针组合置于等离子体中，分别在凸探针(直径2mm)和凹探针与等离子体接地电极之间加上扫描偏置电压，然后测量凸探针和凹探针各自的电流随扫描偏置电压的变化得到的凸探针和凹探针各自的伏安特性曲线；从凹探针的伏安特性曲线10上找到它的拐点11，读出该拐点11对应的偏置电压值9.93V，这个偏置电压值9.93V就是等离子体空间电位V_S；从凸探针的伏安特性曲线12上读出上述偏置电压值9.93V对应的电流1.33mA，这个电流就是凸探针的饱和电子电流I_es，然后利用公式计算获得电子密度n_e，上述公式中，e、m_e和T_e分别是电子电量、电子质量和电子温度，A是凸探针半球面的面积；图6中，对图5中的凸探针的伏安特性曲线12做二次微分，利用公式获得电子能量分布函数f(E)，其中E＝e(V_S-V)是电子能量，V是探针偏置电压，取值V≤V_S。