[发明专利]一种气体放电型等离子体密度自动调控系统及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种等离子体密度自动调控系统及装置。

背景技术

等离子体不仅是空间物理和聚变核物理的主要研究对象，还在人们的生产生活中发挥着极其重要的作用。在工业方面，等离子体应用技术日益广泛，包括在材料合成、涂层技术、材料表面改性、等离子体刻蚀、纳米技术、冶金技术等众多领域发挥着重要作用。例如，在诸多消费电子产品中广泛使用的大规模、超大规模集成电路，就是使用等离子体刻蚀技术生产的。类似的等离子体表面处理工艺在其他关系到国计民生的重要工业门类中也起着重要的作用，如航空航天、汽车制造、钢铁冶炼等。由于气体放电可以产生具有化学活性的物质，因而利用气体放电等离子体可以制造出许多具有特殊结构和表面特性的材料，这种效果是其他商业技术手段无法实现的。在环保方面，等离子体技术在废水废气处理、放射性废物处理和生态环境监测等的研究已经取得了一定进展，在可以预期的未来将逐渐走入人们的生活。另外，等离子体技术在新能源和医学等方面也逐渐崭露头角，开辟了许多新的途径和方向，如基于等离子体技术的医学仪器清洗，伤口消毒，使用等离子体替代抗生素进行杀菌。这些新的技术手段对未来人们的生活具有及其深远的意义。在军事方面，利用高密度等离子体能够对电磁波进行吸收和耗散的特点，等离子体技术在武器系统隐身等方面发挥着重要的作用。此外，以等离子体技术为基础的等离子体天线技术和等离子体推进技术分别在军事通讯和探测、航天器推进等领域扮演着重要的角色。所以，对等离子体技术的研究一直是等离子体领域研究的热点之一。

上述诸多等离子体应用技术都离不开等离子体的产生装置，即等离子体源。在实验室中，目前最受关注的等离子体产生方式有气体放电、射线辐照、热致电离、光电离和激光辐射电离等，但至今最成熟和最主要的还是气体放电法。早在距今几百年前，就已经出现了在实验室中以气体放电的方式人工产生等离子体的文献记载。随着近二、三十年来等离子体研究与应用技术的不断发展与突破，无论是在传统的工业应用领域中(如材料的表面改性、加工与制造业等)，还是在新兴的许多新技术领域中(如生物与环境工程、等离子体化工、航天科学技术等)，都可以看到气体放电等离子体技术大放异彩。

为了进一步研究等离子体在实验中效果，必须明确等离子体物理过程、特性和参数的准确测量，如等离子体密度、等离子体温度等。等离子体诊断技术一直是国内外学者研究的重点，经过长时间的研究和总结，人们发展出一系列对等离子体参数进行诊断的方法，主要分两大类——介入式诊断和非介入式诊断。

其中介入式(或称接触式)诊断方法中主要包括各种类型的探针，比如静电探针、电导率探针、磁探针、阻抗探针等。其中最常用的，也是发展最久的方法是朗缪尔探针，也叫静电探针。它利用一根伸入等离子体内的导体探针测量流入探针的电流与加在探针上的偏压之间的关系曲线，对曲线处理得到等离子体的各种参数。这一方法虽然原理简单，但还存在部分研究人员只能使用手动采集，人工处理数据的问题，这对于测量准确性和速度都有影响。目前人们已经在测量控制以及数据处理方面做出一些改进。

国内申请号201310038992.2中公开的“用于等离子体诊断的Langmuir多探针控制电路”中，搭建了等离子体装置之外的一套电路控制系统，内有三个朗缪尔单探针、交流锯齿波供电电压发生装置、直流供电电压发生装置、以及各种开关和转换电阻，可通过控制开关实现郎缪尔单探针，双探针和三探针之间的切换，并且可以实现对探针的清洗工作，使测量更加方便快捷，结果准确性提高。但是并未对探针的测量方式做出改进。

国内申请号201610980115.0中公开的“一种高集成度朗缪尔探针诊断系统及方法”中，将探针，触发器，扫描电源，数据采集单元和数据处理单元集成为一个系统。触发器扫描电源产生特定锯齿波电压，加载至探针，数据采集单元同时将电流电压数据进行多次采集和存储，采集结束后将结果发送至数据处理单元，通过程序自动处理分析，并显示特性曲线和其他参数。这一方法自动化程度和自动处理分析能力都有很大提升。

非介入式诊断包括光谱法，比如发射光谱、吸收光谱、光腔衰荡激、光诱导荧光光谱等，通过检测等离子体辐射产生的多种电磁波谱并进行分析，可得到粒子密度，成分分布，温度等参量。如文献“朱永红,吴卫东,陆晓曼,唐永建,孙卫国.采用发射光谱和朗缪尔探针诊断低温低压氢等离子体[J].强激光与粒子束,2008,(04):601-606.”中应用激发态氢原子密度直接关系谱线强度，而激发态氢原子密度与电子数密度的特点，应用氢谱线相对强度来反应等离子体状态。光谱法作为非介入方法，对于均匀或非均匀等离子体都可精确测量，而且可以测量瞬态等离子体参量。