[发明专利]一种朗缪尔探针多麦斯威尔电子分布自动化分析方法

说明书

本发明公开了一种朗缪尔探针多麦斯威尔电子分布自动化分析方法，是自动根据多麦斯威尔电子能量分布拟合探针伏安曲线的数据，并自动判定单、双、三麦斯威尔哪一种分布更能符合所分析的伏安曲线所代表的等离子体电子分布的分析方法，以及根据这种方法所搭建的软件系统。通过实现朗缪尔探针伏安曲线多个麦斯威尔分布分析的自动化，能在相关实验中大幅减少实现相关实验方法所需的人力时间，令一些每次实验涉及百条甚至千条曲线的研究工作在实现上变得可能。

技术领域

本发明涉及使用朗缪尔探针进行等离子体中的局部电势、电子温度及电子密度诊断的技术领域，尤其涉及适用于朗缪尔探针数据自动化处理方法，用于朗缪尔探针多麦斯威尔电子分布自动化分析。

背景技术

朗缪尔探针是最早的等离子体参数诊断系统，它具有构造简单、低成本、可测量物理量多等等优点。而且，朗缪尔探针，尤其单探针扫描测量，属于等离子体电子及离子分布的直接测量，对于电子具体分布方式不明的等离子体而言，更加是一种难以取代的电子分布测量方法。朗缪尔探针分为单探针、双探针以及三探针，其中单探针通过探针对地(装置壁)的电势扫描获得伏安曲线，并从中分析出等离子体参数；双探针通过两个探针面之间的电势扫描获得伏安曲线，从中分析出等离子体参数；然后三探针通过一个浮动探针和两个加电压的探针之间的电流获得实时的等离子体参数。

双探针以及三探针虽然在使用上相对简便，而且一般由于总吸收电流的限制，对于等离子体的干扰比较少。但是两种探针都存在探针之间可能出现鞘层重叠、影响准确性的问题，而且在非单麦斯威尔电子分布的等离子体中，两种探针诊断的精确度会大幅下降，影响所得参数的可信度。因此利用单探针取得伏安特征线再进行详细的电子能量分布分析，在被诊断等离子体的参数区间及具体电子能量分布不明确的环境中具有独特的优势。

市场上多数在售的商用单探针都具备自动分析系统软件，但是相关软件都是按电子呈单麦斯威尔分布的假设进行分析，对画在半对数图上的伏安特征线进行拟合获得等离子体参数。麦斯威尔分布是电子在充分热化之后能量分布的经典方式，在等离子体装置中，单或多个麦斯威尔电子分布是比较普遍的。在一些表面处理等离子体中电子分布通常会出现高能电子衰竭的现象，所以假设单麦斯威尔分布可能会获得比较好的等离子体参数，但是多数有电子约束、但是约束时间并不长的等离子体源中，电子分布通常呈双麦斯威尔分布，这是因为等离子体源本身的输入功率制造了一批高能电子，这些高能电子又通过碰撞发生电离作用产生了一批冷电子，而等离子体装置的约束性虽然足以让高能电子不大量逃逸导致衰竭，但是却不足以让电子达到单麦斯威尔的热平衡。在一些依赖注入电子束产生等离子体的等离子体源，如钨丝或是六硼化镧的热阴极放电中，一般容易出现四种能量分布的电子：源自热阴极的电子束、通过碰撞电离损耗能量后减速的热电子、从装置壁上二次发射所得的热电子、以及从电离所得的冷电子。即使热电子束在伏安曲线中的表现对离子电流不一定有明显差异，因此在处理离子饱和流的时候容易将其除去，这些等离子体源也容易产生一种三麦斯威尔电子能量分布。因此，通过分析这些多麦斯威尔分布中每一个分布的电子温度和密度，并根据物理研究的需要计算相关的有效温度，对于涉及上述装置及其他生产多麦斯威尔分布的等离子体源的物理研究尤其重要。

在过去，多麦斯威尔分布多利用人手从热到冷选择伏安特征线的拟合区间拟合温度以获得每个电子分布的温度及密度，这是因为随着探针电压降低，冷电子分布会因为波尔斯曼关系比起热电子更彻底的被探针的鞘层所反射，导致在较低电压中，只有热电子能进入探针形成电流。通过人手判定半对数线图中一个相对平坦而远离等离子体电势的拟合区间，就可以得出相对可靠的热电子的温度。然而，人手拟合始终是一个慢速的手动过程，如果实验本身需要拟合大量的伏安特征曲线，则依赖人手拟合对于实验所需的人力时间需求就会大幅增加，不利于较小团队的研究。例如一些涉及等离子体总体不稳定的时间分析诊断，就往往在每一次实验中需要分析不稳定周期中取得的上百甚至上千条伏安曲线。因此，一套相对可靠的自动拟合双麦斯威尔及三麦斯威尔电子能量分布的探针伏安曲线分析方法及相应的软件，还是可以大大提高相关实验的人力效率。在过去，这个自动分析技术并不存在，这是由于以前缺乏一种自动分辨分析某个温度的电子的伏安曲线区间的方法和数字化判断方式。本发明提出这个判断方式就是本发明的重要创造点之一。