專利名稱：一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
在等離子體生成過程中，等離子體中存在著大量的工藝可變量，如等離子體擴散速度、等離子體密度、電子溫度、離子能量和各種離子激發(fā)基團等。它們都影響著等離子體與材料相互作用的物理、化學過程，決定了最終的材料結(jié)構(gòu)與性能，而這些可變量又決定于產(chǎn)生等離子體的宏觀參數(shù)和條件，如氣壓、功率、頻率、流量等。因此對等離子體進行實驗診斷，可以獲得放電參量影響等離子體狀態(tài)的信心與微觀機制，建立材料結(jié)構(gòu)、性能與等離子體特性之間的關(guān)聯(lián)，尋求材料性能改變的可能原因，從而實現(xiàn)對等離子體傳輸過程的控制?，F(xiàn)有的T0F(Time of Flight)法可以對單脈沖真空放電等離子體中的不同價位金屬離子的分布情況進行測量分析。但連續(xù)放電(直流、連續(xù)脈沖等)條件時，放電產(chǎn)生的等離子體持續(xù)不斷的進入圓筒狀物體構(gòu)成的測量系統(tǒng)中，使測量無非進行。此時的TOF法具有局限性，不能有效的測量分析真空放電金屬離子的特性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述缺陷公開了一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置及方法。一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置，它的結(jié)構(gòu)分為以下兩種情況I)圓筒狀物體和管的直徑相同，圓筒狀物體安裝在管的左端，兩者水平對齊，控制柵網(wǎng)布置在圓筒狀物體的前端，加速電極布置在管的前端，收集板安裝在加速電極的右方，第一柵網(wǎng)與第二柵網(wǎng)依次安裝在收集板前面；等離子體源、圓筒狀物體和管均處于真空室中，控制柵網(wǎng)通過屏蔽線接控制信號發(fā)生器，加速電極通過屏蔽線接加速電壓波形發(fā)生器，GND地電位分別連接第一柵網(wǎng)、第二電阻和第一直流電源的正極，GND地電位與第一柵網(wǎng)之間的連線穿過屏蔽線，第三電阻的一端連接第一直流電源的負極，另一端通過屏蔽線連接第二柵網(wǎng)，第一電阻連接第二電阻，收集板通過屏蔽線連接第一電阻，數(shù)據(jù)采集卡分別連接第一電阻、第二電阻和計算機；2)圓筒狀物體和管的直徑相同，圓筒狀物體安裝在管的左端，兩者水平對齊，控制柵網(wǎng)布置在圓筒狀物體的前端，加速電極布置在管的前端，第一探針安裝在第二探針的左方，兩者均位于控制柵網(wǎng)和加速電極之間，收集板安裝在加速電極的右方，第一柵網(wǎng)與第二柵網(wǎng)依次安裝在收集板前面；等離子體源、圓筒狀物體和管均處于真空室中，控制柵網(wǎng)通過屏蔽線接控制信號發(fā)生器，加速電極通過屏蔽線接加速電壓波形發(fā)生器，GND地電位分別連接第一柵網(wǎng)、第二電阻和第一直流電源的正極，GND地電位與第一柵網(wǎng)之間的連線穿過屏蔽線，第三電阻的一端連接第一直流電源的負極，另一端通過屏蔽線連接第二柵網(wǎng)，第一電阻連接第二電阻，收集板通過屏蔽線連接第一電阻，數(shù)據(jù)采集卡連接第一電阻、第二電阻、第二直流電源、第四電阻、第三直流電源、第六電阻和計算機；第一探針通過屏蔽線連接第一電容和第二直流電源的公共節(jié)點，第二探針通過屏蔽線連接第二電容和第三直流電源的公共節(jié)點，GND地電位分別連接第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻和數(shù)據(jù)采集卡，第二直流電源連接第四電阻，第三直流電源連接第六電阻。所述控制柵網(wǎng)為不銹鋼金屬網(wǎng)，其孔徑尺寸的范圍為O. 5mm*0.所述等離子體源與加速電極的距離D為60至140mm可調(diào)，加速電極與收集板的距離 L 為 450mm。所述圓筒狀物體⑷的材料為絕緣材料；所述管⑴呈圓筒狀，管⑴的材料為金屬。
所述加速電壓波形發(fā)生器的連接關(guān)系如下變壓器的原邊的兩端均連接交流電源，副邊的一端連接第十四電阻，另一端連接電流計、第十六電阻、第五電容、第十一電阻、GND地電位和第二 IGBT器件的公共節(jié)點，第十四電阻連接第二二極管的正極，第二二極管的負極連接第十五電阻、第十二電阻和第五電容的公共節(jié)點，第十五電阻連接電流計和第十六電阻的公共節(jié)點，50Ω同軸電纜左端的中心導線連接第十二電阻，50Ω同軸電纜右端連接加速電極，50 Ω同軸電纜右端的中心導線連接第一 IGBT器件，50 Ω同軸電纜右端的屏蔽層連接第十三電阻，第十三電阻連接第十一電阻和示波器的公共節(jié)點，第一 IGBT器件串聯(lián)第二 IGBT器件，上述兩者的柵極連接脈沖電壓信號。當一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置中沒有采用第一探針和第二探針時，工作流程如下等離子體源生成等離子體，等離子體在空間向四周擴散，在控制柵網(wǎng)施加負電壓Ve，利用負電壓Ve的阻擋作用，實現(xiàn)對等離子體的阻擋控制，這時控制截取一部分等離子體進入加速管，加速電極施加加速電壓；等離子體中不同價位的離子所受到的電場力不同,產(chǎn)生的加速度也不一樣；相對于價位低的離子,價位高的離子將率先到達收集板上,通過對比收集板上的離子電流波形及其出現(xiàn)時間，可以分析離子的價位構(gòu)成以及不同價位的離子比；當一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置中采用第一探針和第二探針時，除了完成上述工作流程以外，還要進行如下的工作流程第一探針和第二探針將電子電流引入至測量電路中，調(diào)節(jié)第二直流電源的電壓，從而改變第一探針上電壓Vl ;調(diào)節(jié)第三直流電源的電壓，從而改變第二探針上的電壓V2，記錄該電壓下的電子電流，利用數(shù)據(jù)采集卡采集上述數(shù)據(jù)，然后將其輸入至計算機中，得到V-I曲線；通過計算得到等離子體的電子密度Ne、電子溫度Te和空間電位Vp;當電子電流流過第四電阻和第六電阻時，會引起第一探針上電壓Vl和第二探針上的電壓V2的變化，這時，第五電阻和第一電容構(gòu)成的RC電路以及第七電阻和第二電容構(gòu)成的RC電路將起到穩(wěn)壓作用。所述負電壓Ve的大小為O至-100V可調(diào)，脈沖寬度為O至100 μ s可調(diào)。所述加速電極上施加方波脈沖加速電壓信號，其幅值為-1000V至-5000V，脈寬為IOns 至 500nsο第二柵網(wǎng)和第一柵網(wǎng)之間形成阻止電場，當?shù)入x子體到達第一柵網(wǎng)時，離子大部分能通過第一柵網(wǎng)，電子由于受到排斥力而不能通過第一柵網(wǎng)，第二柵網(wǎng)與收集板之間的電場可使離子打到收集板產(chǎn)生的二次電子返回到收集板上，以免影響測量結(jié)果。所述加速空間為控制柵網(wǎng)與加速電極之間的區(qū)域；所述離子自由運動空間為加速電極和第一柵網(wǎng)之間的區(qū)域。
本發(fā)明的有益效果為I)可以測量不同空間、不同時刻等離子體的價位分布，便于分析放電等離子體在空間傳輸?shù)奶匦浴?)通過在加速電極前布置阻擋柵網(wǎng)，可以對任意一段等離子體進行測量，防止后續(xù)等離子體對測量結(jié)果的影響。3)本發(fā)明不需要機械裝置阻礙等離子體的運動，通過施加適當?shù)淖钃蹼娢痪湍軐崿F(xiàn)等離子體的開斷控制。開斷迅速、方法簡單、易實現(xiàn)。
4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，抗干擾能力強，受到的外部干擾較小，可以有效的檢測到離子電流大小。
圖Ia為真空放電等離子體的離子流檢測裝置第一結(jié)構(gòu)圖；圖Ib為真空放電等離子體的離子流檢測裝置第二結(jié)構(gòu)圖；圖2為控制信號發(fā)生器電路示意圖；圖3為加速電壓波形發(fā)生器電路示意圖；圖4為控制柵網(wǎng)阻擋效果實驗結(jié)構(gòu)圖；圖5為探針測得的柵網(wǎng)前后電子電流波形圖；圖6為正負電壓幅值對柵網(wǎng)阻擋影響圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
詳細說明本發(fā)明內(nèi)容。一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置，它的結(jié)構(gòu)分為以下兩種情況I)如圖Ia所示，圓筒狀物體4和管I的直徑相同，圓筒狀物體4安裝在管I的左端，兩者水平對齊，控制柵網(wǎng)Gl布置在圓筒狀物體4的前端，加速電極G2布置在管I的前端，收集板2安裝在加速電極G2的右方，第一柵網(wǎng)Ga與第二柵網(wǎng)Gb依次安裝在收集板2前面；等離子體源、圓筒狀物體4和管I均處于真空室中，控制柵網(wǎng)Gl通過屏蔽線3接控制信號發(fā)生器中第四電容C4、第九電阻R9和L電感的公共節(jié)點，加速電極G2通過屏蔽線3接加速電壓波形發(fā)生器，GND地電位分別連接第一柵網(wǎng)Ga、第二電阻R2和第一直流電源DCl的正極，GND地電位與第一柵網(wǎng)Ga之間的連線穿過屏蔽線3，第三電阻R3的一端連接第一直流電源DCl的負極，另一端通過屏蔽線3連接第二柵網(wǎng)Gb，第一電阻Rl連接第二電阻R2，收集板2通過屏蔽線3連接第一電阻Rl，數(shù)據(jù)采集卡分別連接第一電阻R1、第二電阻R2和計算機；屏蔽線3起到隔離真空室和外部空間的作用。2)如圖Ib所示，圓筒狀物體4和管I的直徑相同，圓筒狀物體4安裝在管I的左端，兩者水平對齊，控制柵網(wǎng)Gl布置在圓筒狀物體4的前端，加速電極G2布置在管I的前端，第一探針Pl安裝在第二探針P2的左方，兩者均位于控制柵網(wǎng)Gl和加速電極G2之間，收集板2安裝在加速電極G2的右方，第一柵網(wǎng)Ga與第二柵網(wǎng)Gb依次安裝在收集板2前面；等離子體源、圓筒狀物體4和管I均處于真空室中，控制柵網(wǎng)Gl通過屏蔽線3接控制信號發(fā)生器中第四電容C4、第九電阻R9和L電感的公共節(jié)點，加速電極G2通過屏蔽線3接加速電壓波形發(fā)生器，GND地電位分別連接第一柵網(wǎng)Ga、第二電阻R2和第一直流電源DCl的正極，GND地電位與第一柵網(wǎng)Ga之間的連線穿過屏蔽線3，第三電阻R3的一端連接第一直流電源DCl的負極，另一端通過屏蔽線3連接第二柵網(wǎng)Gb，第一電阻Rl連接第二電阻R2，收集板2通過屏蔽線3連接第一電阻R1，數(shù)據(jù)采集卡連接第一電阻R1、第二電阻R2、第二直流電源DC2、第四電阻R4、第三直流電源DC3、第六電阻R6和計算機；第一探針Pl通過屏蔽線3連接第一電容Cl和第二直流電源DC2的公共節(jié)點，第二探針P2通過屏蔽線3連接第二電容C2和第三直流電源DC3的公共節(jié)點，GND地電位分別連接第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7和數(shù)據(jù)采集卡，第二直流電源DC2連接第四電阻R4，第三直流電源DC3連接第六電阻R6。屏蔽線3起到隔離真空室和外部空間的作用。控制柵網(wǎng)Gl為不銹 鋼金屬網(wǎng)，其孔徑尺寸的范圍為O. 5mm*0.等離子體源與加速電極G2的距離D為60至140mm可調(diào)，加速電極G2與收集板2的距離L為450mm。圓筒狀物體4的材料為聚四氟材料；所述管I呈圓筒狀，管I的材料為金屬?？刂茤啪W(wǎng)Gl的控制原理為在真空環(huán)境內(nèi)生成等離子體，等離子體向四周擴散運動。當在控制柵網(wǎng)Gl上施加電壓(正或負)時，柵網(wǎng)網(wǎng)孔的四周會因為電壓的存在而產(chǎn)生鞘層，鞘層的厚度與柵網(wǎng)上施加的電壓的幅值大小相關(guān)。施加幅值越大，產(chǎn)生鞘層的厚度越大。柵網(wǎng)網(wǎng)孔處的空間電位越高。由于真空放電產(chǎn)生的離子能量(大約為IOOeV左右)比電子能量大的多(5eV左右)，當柵網(wǎng)上施加正電壓的時候，柵網(wǎng)上形成的是正向阻止電位，實驗證明至少需要施加100V以上的電壓才能夠有效的阻擋離子的通過；然而當柵網(wǎng)上施加負壓的時候，柵網(wǎng)上形成的是負向阻止電位，等離子體中的電子能量很小(約為5eV左右)，在柵網(wǎng)上施加較小的負電壓就能夠完全阻擋電子的通過。由于等離子體中離子和電子間庫侖力的存在，柵網(wǎng)完全將電子阻擋住的同時，離子被電子庫侖力的束縛也不能通過柵網(wǎng)，最終實現(xiàn)了柵網(wǎng)對等離子體的阻擋效果。如圖2所示，控制信號發(fā)生器實例的連接關(guān)系如下220V交流電源U是接整流橋的交流端，整流橋直流端正端口接地，負端口接IGBT集電極。IGBT的基極輸入控制信號(通過觸發(fā)控制器產(chǎn)生控制信號)，IGBT的發(fā)射極連接第八電阻R8、第一二極管Dl的陽極和L電感的公共節(jié)點。第九電阻R9、第十電阻RlO和第四電容C4接地，第十電阻RlO的一端接第三電容C3和第一二極管Dl陰極的公共節(jié)點，第四電容C4和第九電阻R9的上端均連接L電感，第八電阻R8連接第三電容C3。如圖3所示，加速電壓波形發(fā)生器的連接關(guān)系如下變壓器T的原邊的兩端均連接交流電源AC，副邊的一端連接第十四電阻R16，另一端連接電流計A、第十六電阻R18、第五電容C5、第i^一電阻R13、GND地電位和第二 IGBT器件12的公共節(jié)點，第十四電阻R16連接第二二極管D2的正極，第二二極管D2的負極連接第十五電阻R17、第十二電阻R14和第五電容C5的公共節(jié)點，第十五電阻R17連接電流計A和第十六電阻R18的公共節(jié)點，50Ω同軸電纜Z左端的中心導線連接第十二電阻R14，50Q同軸電纜Z右端連接加速電極G2，50 Ω同軸電纜Z右端的中心導線連接第一 IGBT器件II，50 Ω同軸電纜Z右端的屏蔽層連接第十三電阻Rl5，第十三電阻Rl5連接第i^一電阻Rl3和示波器的公共節(jié)點，第一 IGBT器件Il串聯(lián)第二 IGBT器件12，上述兩者的柵極連接脈沖電壓信號。優(yōu)選地，加速電壓波形發(fā)生器的參數(shù)如下交流電源AC的電壓為220V，第i^一電阻R13、第十二電阻R14、第十三電阻R15、第十四電阻R16、第十五電阻R17和第十六電阻R18的電阻分別為1Ω、20ΚΩ、47Ω、100ΚΩ、100ΜΩ和200ΚΩ，第五電容C5的電容為O. I μ F一種真空放電等離子體的離子流檢測方法分為如下兩種情況，當一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置中沒有采用第一探針Pl和第二探針Ρ2時，工作流程如下等離子體源生成等離子體，等離子體在空間向四周擴散，在控制柵網(wǎng)Gl施加負電壓Ve，利用負電壓Ve的阻擋作用，實現(xiàn)對等離子體的阻擋控制，這時控制截取一部分等離子體進入加速管，力口速電極G2施加加速電壓；等離子體中不同價位的離子所受到的電場力不同，產(chǎn)生的加速度也不一樣；相對于價位低的離子，價位高的離子將率先到達收集板2上，通過對比收集板2上的離子電流波形及其出現(xiàn)時間，可以分析離子的價位構(gòu)成以及不同價位的離子比；當一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置中采用第一探針Pl和第二探針P2時，除了完成上述工作流程以外，還要進行如下的工作流程第一探針Pl和第二探針P2將電子電流引入至測量電路中，調(diào)節(jié)第二直流電源DC2的電壓，從而改變第一探針Pl上電壓Vl ;調(diào)節(jié)第三直流電源DC3的電壓，從而改變第二探針P2上的電壓V2，記錄該電壓下的電子電流，利用數(shù)據(jù)采集卡采集上述數(shù)據(jù)，然后將其輸入至計算機中，得到V-I曲線；通過計算得到等離子體的電子密度Ne、電子溫度Te和空間電位Vp ;當電子電流流過第四電阻R4和第六電阻R6時，會引起第一探針Pl上電壓Vl和第二探針P2上的電壓V2的變化，這時，第五電阻R5和第一電容Cl構(gòu)成的RC電路以及第七電阻R7和第二電容C2構(gòu)成的RC電路將起到穩(wěn)壓作用。第二柵網(wǎng)Gb和第一柵網(wǎng)Ga之間形成阻止電場，當?shù)入x子體到達第一柵網(wǎng)Ga時，離子大部分能通過第一柵網(wǎng)Ga，電子由于受到排斥力而不能通過第一柵網(wǎng)Ga，第二柵網(wǎng)Gb與收集板2之間的電場可使離子打到收集板2產(chǎn)生的二次電子返回到收集板2上，以免影響測量結(jié)果。負電壓Ve的大小為O至-100V可調(diào)，脈沖寬度為O至100 μ s可調(diào)。加速電極G2上施加方波脈沖加速電壓信號，其幅值為-1000V至-5000V，脈寬為IOns至500ns。加速空間為控制柵網(wǎng)Gl與加速電極G2之間的區(qū)域；離子自由運動空間為加速電極G2和第一柵網(wǎng)Ga之間的區(qū)域。如圖4所示，當一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置中采用第一探針Pl和第二探針P2時，為了檢測控制柵網(wǎng)Gl對等離子體的阻擋效果，在控制柵網(wǎng)Gl的前后兩側(cè)放置第一探針Pl和第二探針P2。通過第一探針Pl和第二探針P2測量柵網(wǎng)前后兩側(cè)的等離子體電子電流的大小，來檢測柵網(wǎng)的阻擋控制效果。如圖5所示，在當放電生成等離子體的飽和電子電流為12mA時，在柵網(wǎng)上施加_5V的電壓，檢測阻擋柵網(wǎng)的阻擋效果。分別測得柵網(wǎng)前后兩處的等離子體電子電流波形，可以看出柵網(wǎng)后側(cè)測得的電子電流幅值很小，說明柵網(wǎng)對等離子體有明顯的阻擋效果。如圖6所示為正負電壓幅值對柵網(wǎng)阻擋影響圖。實驗中，設(shè)置第一探針Pl和第二探針P2距離為14mm，不斷改變施加到控制柵網(wǎng)G上的電壓信號幅值，討論G上施加電壓幅值的變化對柵網(wǎng)阻擋控制的影響(在圖6中的曲線是通過第二探針P2測得的)。最終得到(圖4)飽和電子電流隨幅值變化的關(guān)系曲線。根據(jù)分析圖中峰值點所對應的電壓值(約10左右)為放電等離子體的空間電位?？梢钥闯?，當柵網(wǎng)G上施加的正電壓大于等離子體空間電位時，控制柵網(wǎng)G的阻擋效果不明顯，且在施加很高的電壓時不能完全阻擋等離子體。然而當柵網(wǎng)G上施加的電壓小于等離子體空間電位時，柵網(wǎng)的阻止效果非常明顯。當在柵網(wǎng)上施加大約-20V的電壓時，等離子體完全被阻止住。實驗證明，在柵網(wǎng)上施加負壓能夠更加有效的阻擋等離子體的通過。本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以本發(fā)明權(quán)利 要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置，其特征在于，它的結(jié)構(gòu)分為以下兩種情況1)圓筒狀物體⑷和管⑴的直徑相同，圓筒狀物體⑷安裝在管⑴的左端，兩者水平對齊，控制柵網(wǎng)(Gl)布置在圓筒狀物體(4)的前端，加速電極(G2)布置在管(I)的前端，收集板(2)安裝在加速電極(G2)的右方，第一柵網(wǎng)(Ga)與第二柵網(wǎng)(Gb)依次安裝在收集板(2)前面；等離子體源、圓筒狀物體(4)和管(I)均處于真空室中，控制柵網(wǎng)(Gl)通過屏蔽線(3)接控制信號發(fā)生器，加速電極(G2)通過屏蔽線(3)接加速電壓波形發(fā)生器，GND地電位分別連接第一柵網(wǎng)(Ga)、第二電阻(R2)和第一直流電源(DCl)的正極，GND地電位與第一柵網(wǎng)(Ga)之間的連線穿過屏蔽線(3)，第三電阻(R3)的一端連接第一直流電源(DCl)的負極，另一端通過屏蔽線(3)連接第二柵網(wǎng)(Gb)，第一電阻(Rl)連接第二電阻(R2)，收集板(2)通過屏蔽線(3)連接第一電阻(Rl)，數(shù)據(jù)采集卡分別連接第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)和計算機； 2)圓筒狀物體⑷和管⑴的直徑相同，圓筒狀物體⑷安裝在管⑴的左端，兩者水平對齊，控制柵網(wǎng)(Gl)布置在圓筒狀物體(4)的前端，加速電極(G2)布置在管(I)的前端，第一探針(Pl)安裝在第二探針(P2)的左方，兩者均位于控制柵網(wǎng)(Gl)和加速電極(G2)之間，收集板(2)安裝在加速電極(G2)的右方，第一柵網(wǎng)(Ga)與第二柵網(wǎng)(Gb)依次安裝在收集板(2)前面；等離子體源、圓筒狀物體(4)和管(I)均處于真空室中，控制柵網(wǎng)(Gl)通過屏蔽線(3)接控制信號發(fā)生器，加速電極(G2)通過屏蔽線(3)接加速電壓波形發(fā)生器，GND地電位分別連接第一柵網(wǎng)(Ga)、第二電阻(R2)和第一直流電源(DCl)的正極，GND地電位與第一柵網(wǎng)(Ga)之間的連線穿過屏蔽線(3)，第三電阻(R3)的一端連接第一直流電源(DCl)的負極，另一端通過屏蔽線(3)連接第二柵網(wǎng)(Gb)，第一電阻(Rl)連接第二電阻(R2)，收集板(2)通過屏蔽線(3)連接第一電阻(Rl)，數(shù)據(jù)采集卡連接第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第二直流電源(DC2)、第四電阻(R4)、第三直流電源(DC3)、第六電阻(R6)和計算機；第一探針(PD通過屏蔽線(3)連接第一電容(Cl)和第二直流電源(DC2)的公共節(jié)點，第二探針(P2)通過屏蔽線(3)連接第二電容(C2)和第三直流電源(DC3)的公共節(jié)點，GND地電位分別連接第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第六電阻(R6)、第七電阻(R7)和數(shù)據(jù)采集卡，第二直流電源(DC2)連接第四電阻(R4)，第三直流電源(DC3)連接第六電阻(R6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置，其特征在于，所述控制柵網(wǎng)(Gl)為不銹鋼金屬網(wǎng)，其孔徑尺寸的范圍為O. 5mm*0.
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置，其特征在于，所述等離子體源與加速電極(G2)的距離D為60至140_可調(diào)，加速電極(G2)與收集板(2)的距離L為450mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置，其特征在于，所述圓筒狀物體(4)的材料為絕緣材料；所述管(I)呈圓筒狀，管(I)的材料為金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置，其特征在于，所述加速電壓波形發(fā)生器的連接關(guān)系如下變壓器(T)的原邊的兩端均連接交流電源(AC)，副邊的一端連接第十四電阻(R16)，另一端連接電流計(A)、第十六電阻(R18)、第五電容(C5)、第i^一電阻(R13)、GND地電位和第二 IGBT器件(12)的公共節(jié)點，第十四電阻(R16)連接第二二極管Φ2)的正極，第二二極管(D2)的負極連接第十五電阻(R17)、第十二電阻(R14)和第五電容(C5)的公共節(jié)點，第十五電阻(R17)連接電流計(A)和第十六電阻(R18)的公共節(jié)點，50 Ω同軸電纜(Z)左端的中心導線連接第十二電阻Φ14)，50Ω同軸電纜(Z)右端連接加速電極(62)，50Ω同軸電纜(Z)右端的中心導線連接第一 IGBT器件(Ι1)，50Ω同軸電纜(Z)右端的屏蔽層連接第十三電阻(R15)，第十三電阻(R15)連接第i^一電阻(R13)和示波器的公共節(jié)點，第一 IGBT器件(Il)串聯(lián)第二 IGBT器件(12)，上述兩者的柵極連接脈沖電壓信號。
6.一種真空放電等離子體的離子流檢測方法，其特征在于，當一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置中沒有采用第一探針(PD和第二探針(P2)時，工作流程如下等離子體源生成等離子體，等離子體在空間向四周擴散，在控制柵網(wǎng)(Gl)施加負電壓Ve，利用負電壓Ve的阻擋作用，實現(xiàn)對等離子體的阻擋控制，這時控制截取一部分等離子體進入加速管，加速電極(G2)施加加速電壓；等離子體中不同價位的離子所受到的電場力不同，產(chǎn)生的加速度也不一樣；相對于價位低的離子，價位高的離子將率先到達收集板(2)上，通過對比收集板(2)上的離子電流波形及其出現(xiàn)時間，可以分析離子的價位構(gòu)成以及不同價位的離子比；當一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置中采用第一探針(PD和第二探針(P2)時，除了完成上述工作流程以外，還要進行如下的工作流程第一探針(Pl)和第二探針(P2)將電子電流引入至測量電路中，調(diào)節(jié)第二直流電源(DC2)的電壓，從而改變第一探針(PD上電壓Vl ;調(diào)節(jié)第三直流電源(DC3)的電壓，從而改變第二探針(P2)上的電壓V2，記錄該電壓下的電子電流，利用數(shù)據(jù)采集卡采集上述數(shù)據(jù)，然后將其輸入至計算機中，得到V-I曲線；通過計算得到等離子體的電子密度Ne、電子溫度Te和空間電位Vp ;當電子電流流過第四電阻(R4)和第六電阻(R6)時，會引起第一探針(Pl)上電壓Vl和第二探針(P2)上的電壓V2的變化，這時，第五電阻(R5)和第一電容(Cl)構(gòu)成的RC電路以及第七電阻(R7)和第二電容(C2)構(gòu)成的RC電路將起到穩(wěn)壓作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種真空放電等離子體的離子流檢測方法，其特征在于，所述負電壓Ve的大小為O至-100V可調(diào)，脈沖寬度為O至100 μ S可調(diào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種真空放電等離子體的離子流檢測方法，其特征在于，所述加速電極(G2)上施加方波脈沖加速電壓信號，其幅值為-1000V至-5000V，脈寬為IOns至 500ns。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種真空放電等離子體的離子流檢測方法，其特征在于，第二柵網(wǎng)(Gb)和第一柵網(wǎng)(Ga)之間形成阻止電場，當?shù)入x子體到達第一柵網(wǎng)(Ga)時，離子大部分能通過第一柵網(wǎng)(Ga)，電子由于受到排斥力而不能通過第一柵網(wǎng)(Ga)，第二柵網(wǎng)(Gb)與收集板(2)之間的電場可使離子打到收集板(2)產(chǎn)生的二次電子返回到收集板(2)上，以免影響測量結(jié)果。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種真空放電等離子體的離子流檢測方法，其特征在于，所述加速空間為控制柵網(wǎng)(Gl)與加速電極(G2)之間的區(qū)域；所述離子自由運動空間為加速電極(G2)和第一柵網(wǎng)(Ga)之間的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于等離子體診斷技術(shù)領(lǐng)域的一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置及方法。此發(fā)明主要特征是采用施加負電位的柵網(wǎng)對等離子體進行控制。一種真空放電等離子體的離子流檢測裝置結(jié)構(gòu)如下控制柵網(wǎng)布置在圓筒狀物體的前端，加速電極和收集板布置在管兩端，第一、第二柵網(wǎng)依次安裝在收集板前面；等離子體源、管處于真空室中，控制柵網(wǎng)連接控制信號發(fā)生器，加速電極連接加速電壓波形發(fā)生器。本發(fā)明的有益效果為1)便于分析放電等離子體在空間傳輸?shù)奶匦浴?)可以對任意一段等離子體進行測量。3)通過施加適當?shù)淖钃蹼娢痪湍軐崿F(xiàn)等離子體的開斷控制。4)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，抗干擾能力強，可以有效的檢測到離子電流大小。
文檔編號H01J37/02GK102623287SQ20121004215
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月22日
發(fā)明者劉文正, 孔飛, 張德金 申請人:北京交通大學