[发明专利]一种高集成度朗缪尔探针诊断系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术领域，更具体地，涉及一种高集成度朗缪尔探针诊断系统及方法。

背景技术

常用的等离子体诊断手段包括发射光谱、朗缪尔探针、激光诱导、微波干涉等。朗缪尔探针是一种重要的等离子体参数诊断工具，相对于其他方法，它具有结构原理简单，可测量多种等离子体参数等优点。它的基本原理是将一根细小的金属探针伸入等离子体中，给探针加上由负到正的扫描电压，吸引等离子体中的离子和电子，从而在探针上形成电流。通过测量探针电压和电流，得到探针的I-V曲线并进行分析计算，即可得到相关等离子体参数。

目前的朗缪尔探针诊断系统存在着体积较大、价格昂贵等缺点，一些实验研究所用的探针系统往往使用商用的信号发生器、数据采集卡、示波器搭建，并采用手动调节参数，手动测量和分析数据，导致系统的自动化程度低、集成度不高，测量的实时性和精度较差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高集成度朗缪尔探针诊断系统及方法，旨在解决现有技术中集成度不高，测量的实时性和精度较差的问题。

本发明提供了一种高集成度朗缪尔探针诊断系统，包括朗缪尔探针、触发器、扫描电源、数据采集单元和数据处理单元；所述朗缪尔探针的输入端连接等离子体发生器，所述朗缪尔探针的输出端连接至所述数据采集单元的第一输入端，所述触发器的输入端连接离子体发生器，所述扫描电源的输入端连接至所述触发器的输出端，所述扫描电源的第一输出端与所述数据采集单元的第二输入端连接，所述扫描电源的第二输出端与所述数据采集单元的第三输入端连接，所述数据采集单元的输出端连接所述数据处理单元。

更进一步地，触发器由等离子体发生器的控制系统远程控制以保证诊断严格服从所述控制系统的时序；所述触发器输出脉冲触发信号通过电-光-电转换，由光纤传输至所述扫描电源，提高电磁兼容性。

更进一步地，所述扫描电源包括：依次连接的单片机控制器，D/A转换器，前置放大器和功率放大器；所述单片机控制器的输入端作为所述扫描电源的输入端，所述单片机控制器的第二输出端作为所述扫描电源的第二输出端，所述单片机控制器的第一输出端连接所述D/A转换器，所述功率放大器的输出端作为所述扫描电源的第一输出端。单片机控制器通过并行数据线控制所述D/A转换器，D/A转换结果经过所述前置放大器放大后输出小信号锯齿波，再经过所述功率放大器放大为高达百伏左右的大信号锯齿波；所述扫描电源输出锯齿波电压的幅值，周期和重复次数等参数由所述单片机控制器程序控制输出至D/A转换器的并行数字信号调节；所述扫描电压的幅值不能超过所述功率放大器的输出电压范围，为了获取完整的从离子饱和区到电子饱和区的I-V曲线，所述扫描电压的幅值应大于等于等离子体电势；所述扫描电压的周期不可低于扫描电压范围与所述功率放大器圧摆率的比值；为了避免探针过热，所述扫描电压的重复次数和周期的乘积应不超过1秒。

更进一步地，所述数据采集单元包括：依次连接的信号取样电路，信号调理电路，A/D转换器和FPGA控制器；所述信号取样电路的第一输入端作为所述数据采集单元的第一输入端，所述信号取样电路的第二输入端作为所述数据采集单元的第二输入端，所述FPGA控制器的输入端作为所述数据采集单元的第三输入端，所述FPGA控制器的输出端作为所述数据采集单元的输出端。信号取样电路对探针电流和电压取样，得到两路小信号电压，连接至所述信号调理电路；所述信号调理电路将输入电压滤波并调整为适合所述A/D转换器的输入范围；所述A/D转换器经过并行数据线连接至所述FPGA控制器；所述FPGA控制器对A/D转换进行控制，并将采集数据进行存储，通过串口线将转换结果一次性发送至所述数据处理单元。

更进一步地，所述信号取样电路包括：电流取样电阻Rs，电压取样电阻Rb，电位器Ra，隔离差分放大器U1和普通仪表放大器U2；所述电流取样电阻Rs一端作为所述信号取样电路的第一输入端，所述电流取样电阻Rs另一端作为所述信号取样电路的第二输入端；所述电位器Ra和所述电压取样电阻Rb依次串联在所述电流取样电阻Rs一端与地之间；所述隔离差分放大器U1的两个输入端分别连接在所述电流取样电阻Rs的两端，所述隔离差分放大器U1的输出端连接至所述信号调理电路的第一输入端；所述普通仪表放大器U2的两个输入端分别连接在所述电压取样电阻Rb的两端，所述普通仪表放大器U2的输出端连接至所述信号调理电路的第二输入端。