[发明专利]一种凸凹探针及其等离子体诊断方法

说明书

一种凸凹探针及其等离子体诊断方法，用于诊断等离子体获得准确的等离子体空间电位、电子密度和电子能量分布函数。其特征是：凸探针、绝缘管和金属导线组成凸探针组件；凹探针、绝缘套管和金属导线组成凹探针组件；凸探针组件和凹探针组件构成凸凹探针组合，凸凹探针组合包括分体式和一体伸缩式两种形式；诊断等离子体时，测量凸探针和凹探针各自的电流随扫描偏置电压的变化，得到凸探针和凹探针各自的伏安特性曲线，再利用公式获得电子能量分布函数。本发明能够准确地指示出等离子体空间电位和确定凸探针的电子收集面积，获得的电子密度和电子能量分布函数更准确；凸探针对等离子体扰动最小，电流密度均匀，获得的电子能量分布函数更准确。

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，涉及到一种凸凹探针及其等离子体诊断方法，用于诊断等离子体获得准确的等离子体空间电位、电子密度和电子能量分布函数。

背景技术

现有诊断等离子体最常用的技术是单探针，是把一个小金属电极即探针置于等离子体中，在探针与等离子体接地电极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得到等离子体的参数，包括等离子体空间电位、电子密度和电子能量分布函数等。其中探针的形状为球形、平面或圆柱形，分析伏安特性曲线的方法是：对伏安特性曲线进行微分，用微分最大值对应的电位作为等离子体空间电位，用此电位处的探针电流作为电子饱和电流计算电子密度，以此电位为基准点计算电子能量分布函数。

上述方法对于理论上不存在空间电荷效应的情况是准确的，但实际上当探针偏置在等离子体空间电位附近时，电子向探针汇集一定会产生空间电荷效应，使得伏安特性曲线在等离子体空间电位处的拐点变圆滑，伏安特性曲线在低于实际等离子体空间电位的某处就偏离指数变化，从而在那里而不是实际等离子体空间电位处出现微分最大值，导致以此获得的等离子体空间电位值低于实际的等离子体空间电位值，并由此进一步导致计算出的电子密度值偏低和电子能量分布函数不准确。

另一方面，现有技术使用的各种探针形状也存在问题。其中，圆柱形探针由于其易制作和对等离子体扰动较小而最为广泛使用，但圆柱形探针空间对称性不好，尖端电场较强，探针上的收集电流密度不均匀，从而产生沿面电势差和电流，影响测量的准确性。另外，圆柱形探针靠近其绝缘支架的部分会受到绝缘支架鞘层的遮挡而不能有效收集电子，因此不能准确确定有效的电流收集面积，从而使电子密度计算不准确。与圆柱形探针相比，球形探针对等离子体扰动更小且空间对称性好，但球形探针也不能避免其靠近绝缘支架的部分受绝缘支架鞘层的遮挡而不能有效收集电子的问题，使有效的电流收集面积不能准确确定以及由此导致电子密度计算不准确。平面探针因其对等离子体扰动大和理论不完善而最少使用，且平面探针同样存在电场不均匀和探针受绝缘支架鞘层遮挡的问题。

发明内容

本发明提供一种凸凹探针及其等离子体诊断方法，以解决现有的单探针等离子体诊断技术由于空间电荷效应和探针形状结构原因所造成的诊断结果不准确的问题，获得准确的等离子体空间电位、电子密度和电子能量分布函数。

本发明技术方案是：

一种凸凹探针由凸探针、绝缘管和金属导线组成；凸探针为半球形，直径为0.5-50mm；绝缘管与凸探针直径相同；凸探针半球的平面部分与绝缘管的一端正对接触或留一个缝隙，缝隙的宽度不大于凸探针半球和绝缘管直径的1/10；凸探针半球的平面上连接一根金属导线，金属导线从绝缘管中穿过与外部电路连接。

凹探针组件由凹探针、绝缘套管和金属导线组成；凹探针为圆筒形，内径为0.5-50mm，深径比大于10；凹探针圆筒的一端开放，凹探针圆筒外紧套一个绝缘套管，凹探针圆筒开放的一端边缘与绝缘套管边缘平齐；凹探针圆筒的另一端连接一根金属导线，金属导线从绝缘套管中穿过与外部电路连接。

上述凸探针和凹探针的材料是相同的非磁性金属；上述绝缘管和绝缘套管的材料为陶瓷、玻璃或塑料。