[发明专利]射频等离子体探针装置

说明书

技术领域

本发明属于等离子体科学与技术领域，涉及到一种射频等离子体探针装置，用于诊断等离子体，特别是射频和双频等离子体以获得等离子体的密度和电子温度等参数。

背景技术

探针是诊断等离子体参数常用的装置，可以分为单探针、双探针等多种类型。单探针是把一个小金属电极置于等离子体中，在探针与等离子体地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就可以得到等离子体的参数。双探针由两个靠近的单探针构成，扫描偏置电压加在两探针之间也是通过分析伏安特性曲线获得等离子体的参数。双探针装置与等离子体放电系统不共地，因此双探针对于等离子体无参考地的情况也可以进行诊断。

利用探针诊断射频等离子体时，探针的伏安特性曲线会受到射频信号的严重干扰。单探针与等离子体放电系统共地，干扰是射频信号直接叠加在探针上造成的；对于双探针，射频干扰是通过探针装置与等离子体地间的分布电容耦合造成的。解决这一问题通常的办法是在探针电路中串联若干射频扼流圈，并在探针头部附近安装辅助电极。这些措施虽然能够使射频扰动得到衰减，但使探针结构复杂、体积大、对等离子体扰动大、不能在较小的放电空间使用。更主要的问题是，上述办法只能针对单一的射频频率，对于科研、生产中常用的双频放电等离子体，由于存在复杂的谐波成分，则完全无效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种射频等离子体探针装置，以解决由于射频信号的干扰而无法对射频、双频等离子体进行诊断的问题。

本发明技术方案是：

探针装置主要由双探针、放大驱动电路、模数/数模转换卡和笔记本电脑构成，探针电路中不使用射频扼流圈和辅助电极。双探针置于等离子体中，探针装置的其他组成部分远离等离子体放电系统的地，距离大于0.5米。

探针装置工作完全依靠装置中笔记本电脑的电池供电。笔记本电脑由电池供电，不使用交流适配器。

双探针可以是两个探针形状、大小相同，也可以是两个探针形状、大小不同。模数/数模转换卡具有模拟输出功能。探针装置工作所需的扫描偏置信号由模数/数模转换卡的模拟输出提供，不使用振荡电路或积分电路生成。

放大驱动电路、模数/数模转换卡分别从笔记本电脑的不同USB接口取电。放大驱动电路所需的正负高电压由笔记本电脑的USB接口输出的5V电压经直流-直流(DC-DC)变换模块升压后提供。

本发明的有益效果是：

(a)本发明的装置不受射频信号干扰，不仅能够对单一射频放电等离子体进行诊断，而且能够对双频放电等离子体进行诊断。

(b)本发明的装置不需要射频扼流圈和辅助电极，探针尺寸小，能够诊断短间隙和小空间放电的等离子体，具有较高的空间分辨能力。

(c)本发明的装置使用模数/数模转换卡的模拟输出代替振荡电路或积分电路生成扫描偏置信号，便于根据需要灵活控制扫描偏置信号的波形、幅度和频率。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

图2是利用本发明对单一射频放电等离子体进行诊断的实测特性曲线图。

图3是利用本发明对双频放电等离子体进行诊断的实测特性曲线图。

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。

在图1中，双探针由两根互相平行相距1mm的钨丝组成，每根钨丝的直径为0.2mm、长4mm。笔记本电脑的USB接口输出的5V电压经直流-直流(DC-DC)模块变换为正负100V提供给放大驱动电路作为电源。放大驱动电路为使用PA08高压运放的反向输入放大器。模数/数模转换卡使用NationalInstruments公司的具有模拟输出功能的USB-6211数据采集卡。笔记本电脑控制模数/数模转换卡输出0～±10V范围内的扫描偏置信号，经放大驱动电路放大10倍后，提供给双探针作为偏置；探针的电压、电流数据由模数/数模转换卡采集，输入笔记本电脑。

在图2的实施例中，利用本发明对射频60MHz电容耦合放电等离子体进行诊断得到伏安特性曲线。放电气体为氩气，气压为2.4Pa，电极间距20mm。对伏安特性曲线分析计算得出等离子体密度为1.89×10¹⁰cm^-3，电子温度为4eV。

在图3的实施例中，利用本发明对双频(60MHz+2MHz)电容耦合放电等离子体进行诊断得到伏安特性曲线。放电气体为氩气，气压为2.4Pa，电极间距20mm。对伏安特性曲线分析计算得出等离子体密度为2.88×10¹⁰cm^-3，电子温度为3.55eV。