[发明专利]利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量等离子体空间电位和环境探测技术领域，具体地，涉及利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针及测量方法。

背景技术

等离子体空间电位是研究、创建、诊断和表征等离子体环境的重要参量。采用Langmuir探针，利用其扫描伏安特性曲线的“拐点”（二阶导数为零处）来确定和测量等离子体空间电位是早期的、简单传统的方法，理论和实验研究均表明，该测量方法精度较低，尤其在较高温度和密度的磁流体等离子体环境中应用受限。采用发射探针，利用其扫描伏安特性曲线的“拐点”来确定和测量等离子体空间电位是目前常用的、比较有效的方法，该测量方法对环境扰动较小，精度较高，在存在较强磁场、电子束或离子束的等离子体环境中也可应用，但理论和实验研究表明，其热电子发射鞘层（或空间电荷效应）影响探针对等离子体空间电位精确测量。

基于Langmuir探针和发射探针各自特点和优势，本发明提出了一种利用偏置电流测量等离子体空间电位探针及方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，以实现既可避免发射探针热电子发射及其空间电荷效应，又可提高探针对等离子体空间电位测量精度的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针，主要包括：球形壳体，所述球形壳体由内到外，依次为球形导电内层壳体、球形导电中层壳体和球形导电外层壳体，

包括设置于球形导电内层壳体内部的耦合电势检测电路、偏置电流源电路和低通滤波电路，

还包括信号处理单元电路；

所述耦合电势检测电路检测球形导电外层壳体与周围等离子体的相对耦合电势信号，并将检测信号分别发送至信号处理单元电路和低通滤波电路；在信号控制单元的控制下，偏置电流源电路向球形导电外层壳体施加设定方向和大小的偏置电流，并将施加偏置电流后的电势信号发送至信号处理单元电路；

同时检测信号在经过低通滤波电路后，将滤波后的信号发送至球形导电中层壳体。

进一步地，所述球形壳体具体为对称的球形壳体。

进一步地，所述耦合电势检测电路包括高阻抗跟随放大器，用以检测电势信号。

进一步地，所述偏置电流源电路具体为“悬浮式”恒流源电路。

利用偏置电流测量等离子体空间电位的探针的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将探针置于等离子体环境中，探针与其周围等离子体环境耦合而获得相对耦合电势；

步骤2：通过探针内置电路和信号处理单元检测、采集、处理并得到探针相对耦合电势，该相对耦合电势也即为探针在等离子体环境中浮点电势或电位；

步骤3：依据Langmuir探针诊断等离子体环境参数，并计算分析探针等离子体鞘层等效阻抗；

步骤4：设置初始偏置电流和等离子体鞘层等效阻抗，并检测得到在该偏置电流下探针在等离子体环境中的浮点电位；

步骤5：增加探针偏置电流，但其增加步长逐渐变小，依次检测得到在相应偏置电流下探针的浮点电位；在探针浮点电位不大于其周围等离子体电位条件下，探针浮点电位将逐渐逼近于其周围等离子体空间电位；

步骤6：继续增加偏置电流，当探针浮点电位变化小于微伏量级时，得到的探针浮点电位即为其周围等离子体空间电位。

进一步地，步骤4中，所述等离子体鞘层等效阻抗小于500KΩ。

进一步地，步骤3中，所述等离子体环境参数包括电子密度、温度以及离子密度和温度参数，步骤3具体为包括，利用已知等离子体参数，当不考虑探针光电子发射电流以及电子或离子定向飘移运动等时，由公式（1）计算得到等离子体鞘层阻抗：

（1）

式中，为探针浮点电势，为探针电势测量回路电流， 为鞘层外等离子体密度，为电子电荷量，为波尔兹曼常量，为电子温度，为离子质量（准确讲应该是离子当量质量），为探针半径。

进一步地，步骤4中，设置初始偏置电流，具体为设置探针偏置电流初始值，使得由公式（2）计算得到的等离子体鞘层阻抗不大于500kΩ，以实现偏置电流值快速收敛；

（2）

式中，为向探针所施加的偏置电流，流向探针为正值。

进一步地，步骤5具体包括，增加探针所偏置电流，但增加的步长逐渐减小，由公式（3）可知，探针的浮点电位逐渐向其周围等离子体空间电位逼近；

（3）

式中，为探针周围等离子体空间电位。