[发明专利]关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置及使用方法

权利要求书

1.关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，该装置包括依次连接的等离子体发射器、三探针、三探针电路、示波器和数据处理器；所述的三探针电路包括：两个直流电源、不间断电源UPS、4个电容和2个电阻；UPS直接给直流电源供电以保证直流电源的稳定性；三探针与等离子体接触部分选用了三根钨丝，标记为P1、P2、P3；两个直流电源的电压不同；两个直流电源的正极直接相连，再与三探针的一根钨丝P1连接；两个电源的负极都与4Ω电阻的一端连接，另一端与三探针另外两根钨丝P2、P3连接；在直流电源两端与电阻两端都并联电容，用以减少信号干扰；三探针的电路装置不接地，且为悬浮状态。

2.根据权利要求1所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，所述的2个直流电源分别标记直流电源A和直流电源B，其中，直流电源A调节电压为3V，直流电源B调节电压为9V。

3.根据权利要求1或2所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，所述的两个电源的负极都与4Ω电阻的一端连接。

4.根据权利要求1或2所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，所述的直流源两端与电阻两端都并联的电容为1000pF。

5.根据权利要求3所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置，其特征在于，所述的直流源两端与电阻两端都并联的电容为1000pF。

6.权利要求1-5任一所述的关于强流脉冲高速等离子体的大量程抗干扰便捷式三探针诊断装置的使用方法，其特征在于，具体如下：

S1、开启等离子体发射器，三探针置于在真空腔室中；

S2、在回路电源两端以及电阻两端并联1000pF的电容，设：

1、等离子体的电子能量分布为麦克斯韦分布；

2、电子的平均自由程远大于每个探针周围离子鞘的厚度和探针半径；

3、离子鞘的厚度小于探针间的间隔，探针间的相互作用效应忽略不计；

需要测量电路的四个电位，P2和P3的电位分别标记为ch1和ch2，直流电源A负极和直流电源B两端电位分别标记为ch3和ch4；示波器的地线与P1连接；在实验过程中为了避免干扰，示波器也要处于悬浮状态；三个探针的电压分别为V1、V2、V3，本次实验为了与等离子体进行匹配，电阻选择了4Ω；在回路中可以看出电流间的相互关系为：

I₁＝I₂+I₃ (1)

其中I₁、I₂、I₃分别为P1、P2、P3上的电流；I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A；电压间的关系为：

其中I₂＝(ch1-ch3)/4A，I₃＝(ch2-ch3)/4A；电压间的关系为：

其中，V1表示探针P1的电位，V2表示探针P2的电位，V3表示探针P3的电位；Vd2表示P1和P2之间的电压差，Vd3表示P1和P3之间的电压差；

流入各探针内的电流可以表达为：

-I₁＝-SJ_eexp(-φV₁)+SJ_i(V₁) (3)

I₂＝-SJ_eexp(-φV₂)+SJ_i(V₂) (4)

I₃＝-SJ_eexp(-φV₃)+SJ_i(V₃) (5)

其中：J_e为电子饱和电流密度，J_i为离子饱和电流密度，S为探针的表面积，k为玻尔兹曼常数，e和m_e分别为电子电量和电子质量；与电子饱和电流相比，离子饱和电流的相对变化可忽略不计：

通过公式(3)，(4)，(5)可以得出：

通过公式(8)可以计算出电子温度T_e；将公式(4)和(5)中的SJ_e消去，可以得到：

其中：

ΔV_d≡V_d3-V_d2＝V₃-V₂ (10)

通过公式(9)便可得出饱和离子电流通道J_i；在探针周围的离子鞘层区产生的电场可以部分穿透外部的等离子体区，形成通常称为“准中性等离子体区”的区域；准静态区与鞘层交界处的电位为：

当T_eT_i时，可以计算低压等离子体在离子鞘边界处的速度和离子电流密度：

其中，m_i和n_is分别为鞘层边界的离子质量与离子密度；在准中性区域中，电子密度n_es与粒子密度n_is近似相等，并且电子满足麦克斯韦能量分布，则有：

其中n_e为所要求的电子密度；离子鞘层表面积S’可以认为与探针的实际表面积S近视相等；那么从公式(12)、(13)中可以得出：

通过公式(7)电子饱和密度可以写为：

以上，便可得出电子密度n_e。