[发明专利]一种三电极结构的静电探针系统

权利要求书

1.一种三电极结构的静电探针系统，其特征在于，包含：三电极探针单元(1)、耐高压射频降噪单元(2)、功放单元(3)、电流采集单元(4)和信号控制及数据处理单元(5)，三电极探针单元(1)设置为探针极P1、参考极P2和补偿极P3组成的三电极探头；

所述三电极探针单元(1)收集电子电流和离子电流，通过耐高压射频降噪单元(2)去除射频噪声；

去除射频噪声后的电流经取样电阻后输入到功放单元(3)，经功放单元(3)的接地端构成探针回路；同时所述功放单元(3)将信号控制及数据处理单元(5)产生的周期性扫描电压信号放大并加载到三电极探针单元(1)的探针极P1；

所述电流采集单元(4)同时采集探针极P1和参考极P2的电流信号，先通过工频干扰抑制器主动消除工频噪声，该信号再经过隔离器输入到所述信号控制及数据处理单元(5)处理得到电子密度和电子温度数据；

所述三电极探针单元(1)包括三电极探头和隔直电容C，三电极探头的输入端设置有探针极P1、参考极P2和补偿极P3，补偿极P3通过隔直电容C连接到探针极P1，所述耐高压射频降噪单元(2)的输入端与三电极探针单元(1)的探针极P1和参考极P2的输出端相连；

所述三电极探针单元(1)的探针极P1在扫描电压的作用下收集电子电流和离子电流，参考极P2为工频干扰消除的信号源，在等离子体对地电势的作用下收集等离子体噪声的电子电流和离子电流，补偿极P3为探针极P1补偿等离子体空间电势振动；

所述三电极探针单元(1)的探针极P1和参考极P2结构相同且均采用金属制成，通过探针极P1收集等离子体中的带电粒子；参考极P2信号作为工频干扰消除的信号源，为电流采集单元(4)的工频干扰抑制器提供消除工频干扰的输入信号；补偿极P3采用面积大于探针极P1面积5倍以上的金属制成，补偿等离子体空间电势振动。

2.根据权利要求1所述一种三电极结构的静电探针系统，其特征在于，所述耐高压射频降噪单元(2)设置为两套完全相同的耐高压无源滤波器及前处理电路，滤波器阻带衰减系数大于60dB，最高承受振幅100V电压作用；通过前处理电路实现阻抗匹配和保护滤波器，通过滤波器去除射频噪声。

3.根据权利要求1所述一种三电极结构的静电探针系统，其特征在于，所述功放单元(3)设置为完全相同的运算放大器U、U’和隔离变压器T、T’，功放单元(3)的运算放大器U先对扫描电压信号进行初步放大，经过初步放大的信号再经过隔离变压器T进行二次放大，两级放大后扫描电压振幅最大达100V，以获得完整的伏安特性曲线；同时通过隔离变压器实现探针扫描电压与功放单元(3)输入电压的隔离；参考极电路不加载扫描电压信号，通过运算放大器U’和隔离变压器T’保持参考极与探针极电路负载相同。

4.根据权利要求1所述一种三电极结构的静电探针系统，其特征在于，所述电流采集单元(4)包括高性能取样电阻Rs和Rs’、运算放大器U1和U1’、工频干扰抑制器和隔离电路，

运算放大器U1采集探针极P1取样电阻两端的共模电压信号S1，S1信号包含有效电流信号和工频噪声干扰信号；通过运算放大器U1’获得参考极取样电阻两端电压信号S2，S2只包含工频噪声信号，作为消除S1中工频噪声干扰信号的信号源；电压信号S1和电压信号S2同时输入到工频干扰抑制器。

5.根据权利要求4所述一种三电极结构的静电探针系统，其特征在于，所述工频干扰抑制器包括运算放大器U2和反馈电路，

运算放大器U2与外部电阻电子器件组成减法器，通过减法器减去电压信号S1中的电压信号S2成分，通过反馈电路主动调整电压信号S2的信号大小，实现对电压信号S1中电压信号S2成分的最佳消除。

6.根据权利要求4所述一种三电极结构的静电探针系统，其特征在于，所述隔离电路包括电压电流转换电路、隔离器H1和电流电压转换电路，

工频干扰抑制器输出的信号首先经过电压电流转换电路变换为电流信号并经过一定偏置后输入到隔离器H1，通过隔离器H1对电流采集单元(4)和信号控制及数据处理单元(5)的隔离，通过隔离器H1的电流经过电流电压转换电路变换为电压信号并被信号控制及数据处理单元(5)记录和处理。

7.根据权利要求1所述一种三电极结构的静电探针系统，其特征在于，所述信号控制及数据处理单元(5)负责控制扫描信号和处理伏安特性曲线获得电子密度和电子温度数据，包括以工控机、板卡、D/A转换器、A/D转换器和电脑，

软件控制工控机产生扫描电压信号，经板卡和D/A转换器转换后输入给功放单元(3)中与探针极相连的功放电路中放大，A/D转换器将电流采集单元的模拟电流信号转变为数字电流信号后被工控机记录，之后经过电脑处理获得电子密度和电子温度数据。