本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種凸凹探針及其等離子體診斷方法，用于診斷等離子體獲得準(zhǔn)確的等離子體空間電位、電子密度和電子能量分布函數(shù)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有診斷等離子體最常用的技術(shù)是單探針，是把一個(gè)小金屬電極即探針置于等離子體中，在探針與等離子體接地電極之間加上掃描偏置電壓，然后測(cè)量探針電流隨掃描偏置電壓的變化，得到伏安特性曲線，再通過分析伏安特性曲線得到等離子體的參數(shù)，包括等離子體空間電位、電子密度和電子能量分布函數(shù)等。其中探針的形狀為球形、平面或圓柱形，分析伏安特性曲線的方法是：對(duì)伏安特性曲線進(jìn)行微分，用微分最大值對(duì)應(yīng)的電位作為等離子體空間電位，用此電位處的探針電流作為電子飽和電流計(jì)算電子密度，以此電位為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算電子能量分布函數(shù)。

上述方法對(duì)于理論上不存在空間電荷效應(yīng)的情況是準(zhǔn)確的，但實(shí)際上當(dāng)探針偏置在等離子體空間電位附近時(shí)，電子向探針匯集一定會(huì)產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)，使得伏安特性曲線在等離子體空間電位處的拐點(diǎn)變圓滑，伏安特性曲線在低于實(shí)際等離子體空間電位的某處就偏離指數(shù)變化，從而在那里而不是實(shí)際等離子體空間電位處出現(xiàn)微分最大值，導(dǎo)致以此獲得的等離子體空間電位值低于實(shí)際的等離子體空間電位值，并由此進(jìn)一步導(dǎo)致計(jì)算出的電子密度值偏低和電子能量分布函數(shù)不準(zhǔn)確。

另一方面，現(xiàn)有技術(shù)使用的各種探針形狀也存在問題。其中，圓柱形探針由于其易制作和對(duì)等離子體擾動(dòng)較小而最為廣泛使用，但圓柱形探針空間對(duì)稱性不好，尖端電場(chǎng)較強(qiáng)，探針上的收集電流密度不均勻，從而產(chǎn)生沿面電勢(shì)差和電流，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。另外，圓柱形探針靠近其絕緣支架的部分會(huì)受到絕緣支架鞘層的遮擋而不能有效收集電子，因此不能準(zhǔn)確確定有效的電流收集面積，從而使電子密度計(jì)算不準(zhǔn)確。與圓柱形探針相比，球形探針對(duì)等離子體擾動(dòng)更小且空間對(duì)稱性好，但球形探針也不能避免其靠近絕緣支架的部分受絕緣支架鞘層的遮擋而不能有效收集電子的問題，使有效的電流收集面積不能準(zhǔn)確確定以及由此導(dǎo)致電子密度計(jì)算不準(zhǔn)確。平面探針因其對(duì)等離子體擾動(dòng)大和理論不完善而最少使用，且平面探針同樣存在電場(chǎng)不均勻和探針受絕緣支架鞘層遮擋的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種凸凹探針及其等離子體診斷方法，以解決現(xiàn)有的單探針等離子體診斷技術(shù)由于空間電荷效應(yīng)和探針形狀結(jié)構(gòu)原因所造成的診斷結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，獲得準(zhǔn)確的等離子體空間電位、電子密度和電子能量分布函數(shù)。

本發(fā)明技術(shù)方案是：

一種凸凹探針由凸探針、絕緣管和金屬導(dǎo)線組成；凸探針為半球形，直徑為0.5-50mm；絕緣管與凸探針直徑相同；凸探針半球的平面部分與絕緣管的一端正對(duì)接觸或留一個(gè)縫隙，縫隙的寬度不大于凸探針半球和絕緣管直徑的1/10；凸探針半球的平面上連接一根金屬導(dǎo)線，金屬導(dǎo)線從絕緣管中穿過與外部電路連接。

凹探針組件由凹探針、絕緣套管和金屬導(dǎo)線組成；凹探針為圓筒形，內(nèi)徑為0.5-50mm，深徑比大于10；凹探針圓筒的一端開放，凹探針圓筒外緊套一個(gè)絕緣套管，凹探針圓筒開放的一端邊緣與絕緣套管邊緣平齊；凹探針圓筒的另一端連接一根金屬導(dǎo)線，金屬導(dǎo)線從絕緣套管中穿過與外部電路連接。

上述凸探針和凹探針的材料是相同的非磁性金屬；上述絕緣管和絕緣套管的材料為陶瓷、玻璃或塑料。

上述凸探針組件和凹探針組件構(gòu)成凸凹探針組合使用，凸凹探針組合包括分體式凸凹探針組合和一體伸縮式凸凹探針組合兩種形式；分體式凸凹探針組合中，凸探針組件和凹探針組件靠近安裝，凹探針圓筒開放的一端靠近凸探針，凹探針組件不遮擋凸探針；一體伸縮式凸凹探針組合中，凸探針組件和凹探針組件共軸安裝，凸探針組件可以處于縮入凹探針組件內(nèi)的狀態(tài)和伸出凹探針組件外的狀態(tài)；凸探針組件縮入凹探針組件內(nèi)的狀態(tài)中，凸探針縮入凹探針圓筒內(nèi)的深度大于凹探針圓筒直徑的10倍；凸探針組件伸出凹探針組件外的狀態(tài)中，凸探針靠近凹探針圓筒邊緣但不被凹探針遮擋。

診斷等離子體時(shí)，將凸凹探針組合置于等離子體中；同時(shí)或分別在凸探針和凹探針與等離子體接地電極之間加上掃描偏置電壓，并測(cè)量凸探針和凹探針各自的電流隨掃描偏置電壓的變化，得到凸探針和凹探針各自的伏安特性曲線(對(duì)于一體伸縮式凸凹探針組合，在凸探針組件縮入凹探針組件內(nèi)的狀態(tài)下測(cè)量凹探針的伏安特性曲線，在凸探針組件伸出凹探針組件外的狀態(tài)下測(cè)量凸探針的伏安特性曲線)；從凹探針的伏安特性曲線上找到它的拐點(diǎn)，讀出該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏置電壓值，這個(gè)偏置電壓值就是等離子體空間電位V_S；從凸探針的伏安特性曲線上讀出上述偏置電壓值對(duì)應(yīng)的電流，這個(gè)電流就是凸探針的飽和電子電流I_es，然后利用公式計(jì)算獲得電子密度n_e，上述公式中，e、m_e和T_e分別是電子電量、電子質(zhì)量和電子溫度，A是凸探針半球面的面積；對(duì)凸探針的伏安特性曲線做二次微分，利用公式獲得電子能量分布函數(shù)f(E)，其中E＝e(V_S-V)是電子能量，V是探針偏置電壓，取值V≤V_S。

本發(fā)明的有益效果是：

1.凹探針利用開口和空腔收集電子，沒有金屬-等離子體界面，從而能夠消除空間電荷效應(yīng)，使伏安特性曲線清晰地顯示出拐點(diǎn)，指示出準(zhǔn)確的等離子體空間電位；2.由于獲得了準(zhǔn)確的等離子體空間電位，利用它計(jì)算獲得的電子密度和電子能量分布函數(shù)更準(zhǔn)確；3.凸探針和絕緣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠避免絕緣管的鞘層對(duì)部分探針面積的遮擋，使凸探針的電子收集面積能夠準(zhǔn)確確定(等于半球面的面積)，從而能夠準(zhǔn)確計(jì)算電子密度；3.凸探針的半球面形狀對(duì)等離子體擾動(dòng)最小，且電流密度均勻，獲得的伏安特性曲線質(zhì)量好，使以之為基礎(chǔ)計(jì)算獲得的電子能量分布函數(shù)更準(zhǔn)確。

附圖說明

圖1是分體式凸凹探針組合的示意圖。

圖2是一體伸縮式凸凹探針組合的示意圖。

圖3是利用凸凹探針診斷等離子體的電原理圖。

圖4是利用凸凹探針診斷空間等離子體的示意圖。

圖5是利用凸凹探針診斷等離子體獲得的伏安特性曲線。

圖6是利用凸凹探針診斷等離子體獲得的電子能量分布函數(shù)。

圖中：1凸探針；2絕緣管；3金屬導(dǎo)線；4凹探針；5絕緣套管；6分體式凸凹探針組合；7等離子體；8等離子體接地電極；9衛(wèi)星；10凹探針的伏安特性曲線；11拐點(diǎn)；12凸探針的伏安特性曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。

實(shí)施例一：

圖1中凸探針1、絕緣管2和金屬導(dǎo)線3組成凸探針組件；凸探針1為半球形，直徑為2mm；絕緣管2與凸探針1直徑相同；凸探針1半球的平面部分與絕緣管2的一端正對(duì)，之間留一個(gè)0.2mm的縫隙；凸探針1半球的平面上連接金屬導(dǎo)線3，金屬導(dǎo)線3從絕緣管2中穿過與外部電路連接。

圖1中凹探針4、絕緣套管5和金屬導(dǎo)線3組成凹探針組件；凹探針4為圓筒形，內(nèi)徑為1.7mm，深30mm；凹探針4圓筒的一端開放，凹探針4圓筒外緊套一個(gè)絕緣套管5，凹探針4圓筒開放的一端邊緣與絕緣套管5邊緣平齊；凹探針4圓筒的另一端連接金屬導(dǎo)線3，金屬導(dǎo)線3從絕緣套管5中穿過與外部電路連接。

圖1中凸探針1和凹探針4的材料相同，均為黃銅；絕緣管2和絕緣套管5的材料為玻璃。

圖1中凸探針組件和凹探針組件構(gòu)成分體式凸凹探針組合，凸探針組件和凹探針組件靠近安裝，凹探針4圓筒開放的一端靠近凸探針1，凹探針組件不遮擋凸探針1。

實(shí)施例二：

圖2中凸探針1、絕緣管2和金屬導(dǎo)線3組成凸探針組件；凸探針1為半球形，直徑為1.8mm；絕緣管2與凸探針1直徑相同；凸探針1半球的平面部分與絕緣管2的一端正對(duì)，之間留一個(gè)0.16mm的縫隙；凸探針1半球的平面上連接金屬導(dǎo)線3，金屬導(dǎo)線3從絕緣管2中穿過與外部電路連接。

圖2中凹探針4、絕緣套管5和金屬導(dǎo)線3組成凹探針組件；凹探針4為圓筒形，內(nèi)徑為2mm，深30mm；凹探針4圓筒的一端開放，凹探針4圓筒外緊套一個(gè)絕緣套管5，凹探針4圓筒開放的一端邊緣與絕緣套管5邊緣平齊；凹探針4圓筒的另一端連接金屬導(dǎo)線3，金屬導(dǎo)線3從絕緣套管5中穿過與外部電路連接。

圖2中凸探針1和凹探針4的材料相同，均為鉭；絕緣管2和絕緣套管5的材料為陶瓷。

圖2中凸探針組件和凹探針組件構(gòu)成一體伸縮式凸凹探針組合，凸探針組件和凹探針組件共軸安裝，凸探針組件可以處于縮入凹探針組件內(nèi)和伸出凹探針組件外兩種狀態(tài)；凸探針組件縮入凹探針組件內(nèi)的狀態(tài)中，凸探針1縮入凹探針4圓筒內(nèi)的深度大于凹探針4圓筒直徑的10倍，凸探針組件伸出凹探針組件外的狀態(tài)中，凸探針1靠近凹探針4圓筒邊緣但不被凹探針遮擋。

實(shí)施例三：

圖3中凸探針組件和凹探針組件構(gòu)成分體式凸凹探針組合6置于等離子體7中；同時(shí)在凸探針1和凹探針4與等離子體接地電極8之間加上掃描偏置電壓，并測(cè)量凸探針1和凹探針4各自的電流隨掃描偏置電壓的變化，得到凸探針和凹探針各自的伏安特性曲線。

實(shí)施例四：

圖4中凸探針組件和凹探針組件構(gòu)成一體伸縮式凸凹探針組合隨衛(wèi)星9發(fā)射至空間等離子體7中，其中凸探針1為半球形，直徑為48mm；絕緣管2與凸探針1直徑相同；凸探針1半球的平面部分與絕緣管2的一端正對(duì)接觸；凹探針4為圓筒形，內(nèi)徑為50mm，深600mm；凸探針1和凹探針4的材料相同，均為鈦，絕緣管2的材料為陶瓷；分別在凸探針1和凹探針4與作為等離子體接地電極的衛(wèi)星9之間加上掃描偏置電壓，并測(cè)量凸探針1和凹探針4各自的電流隨掃描偏置電壓的變化，得到凸探針1和凹探針4各自的伏安特性曲線，其中在凸探針組件縮入凹探針組件內(nèi)的狀態(tài)下測(cè)量凹探針4的伏安特性曲線，在凸探針組件伸出凹探針組件外的狀態(tài)下測(cè)量凸探針1的伏安特性曲線。

實(shí)施例五：

圖5是將凸凹探針組合置于等離子體中，分別在凸探針(直徑2mm)和凹探針與等離子體接地電極之間加上掃描偏置電壓，然后測(cè)量凸探針和凹探針各自的電流隨掃描偏置電壓的變化得到的凸探針和凹探針各自的伏安特性曲線；從凹探針的伏安特性曲線10上找到它的拐點(diǎn)11，讀出該拐點(diǎn)11對(duì)應(yīng)的偏置電壓值9.93V，這個(gè)偏置電壓值9.93V就是等離子體空間電位V_S；從凸探針的伏安特性曲線12上讀出上述偏置電壓值9.93V對(duì)應(yīng)的電流1.33mA，這個(gè)電流就是凸探針的飽和電子電流I_es，然后利用公式計(jì)算獲得電子密度n_e，上述公式中，e、m_e和T_e分別是電子電量、電子質(zhì)量和電子溫度，A是凸探針半球面的面積；圖6中，對(duì)圖5中的凸探針的伏安特性曲線12做二次微分，利用公式獲得電子能量分布函數(shù)f(E)，其中E＝e(V_S-V)是電子能量，V是探針偏置電壓，取值V≤V_S。