[发明专利]一种三电极结构的静电探针系统

说明书

本发明公开一种三电极结构的静电探针系统，三电极探针单元收集电子电流和离子电流，通过耐高压射频降噪单元去除射频噪声；去除射频噪声后的电流经取样电阻后输入到功放单元，经功放单元的接地端构成探针回路；功放单元将信号控制及数据处理单元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的探针极；电流采集单元同时采集探针极和参考极的电流信号，先通过工频干扰抑制器主动消除工频噪声，再经过隔离器输入到信号控制及数据处理单元处理得到电子密度和电子温度数据。实现对射频噪声的补偿和对工频噪声的主动消除，进而得到高信噪比的伏安特性曲线，能够实现对含有强烈射频噪声和工频干扰的等离子体电子温度和电子密度的准确测量。

技术领域

本发明属于等离子体诊断技术领域，具体涉及一种三电极结构的静电探针系统。

背景技术

静电探针诊断因其结构简单，成本低廉以及诊断参数多样而广受关注。静电探针诊断的基本原理是插入到等离子体中的一根金属针在电压的作用下会吸引等离子体中的离子和电子，从而形成电流。通过测量探针电压和电流获得含有等离子体电子密度和电子温度等信息的伏安特性曲线，然后可根据曲线结合探针理论计算得到等离子体的关键参数例如电子温度、电子密度等。

目前的静电探针系统对含有射频噪声和工频干扰的等离子体诊断时存在困难，这类噪声的存在导致伏安特性曲线信噪比差，无法得到电子温度和电子密度数据，这一问题在大功率等离子体设备例如深空探测气动热防护领域中极为重要的MW级高频感应风洞中尤其明显，因此消除上述噪声获得高信噪比伏安特性曲线成为了诊断等离子体参数的关键。针对以上噪声问题的处理，目前主要采用Isaac D Sudit和Francis F Chen 1993的文章里提出的探针结构，即使用扼流圈实现对射频干扰定频限波。但运用此技术的探针只能应用于与限波频率匹配的放电系统，其他放电频率不能直接使用，并且由于噪声一般呈现包络分布特性，并非为无限窄的单一频率，因此该方法并不能完全消除噪声，因大功率设备中噪声的绝对值较大，这一问题导致的伏安特性变形尤其明显。另外工频干扰等低频噪声在实验室等离子体中广泛存在，特别是对于射频、微波等放电而言，电源会耦合工频成分，该噪声会导致伏安特性曲线振动。由于工频频率难以通过滤波方法消除，需要单独处理，造成参数诊断困难。根据现有静电探针诊断公开发表资料显示，目前尚没有针对静电探针诊断中对工频等低频噪声干扰抑制的技术。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种三电极结构的静电探针系统，使用包含探针极、补偿极和参考极的三电极探针，结合噪声抑制电路实现了对探针电流中噪声的抑制，能够获得高信噪比伏安特性曲线，解决了对具有射频噪声和工频干扰的等离子体关键参数能否精确诊断的难题。补偿极通过隔直电容与探针极相连，实现对探针极周围等离子体的空间电势振动的有效补偿；耐高压射频抑制单元实现对射频频段范围内的噪声的有效抑制；参考极结合电流采集单元实现对工频噪声的主动消除，同时将整套探针的电路系统置于金属屏蔽盒内避免空间电磁场的干扰。

本发明采取的技术方案为：

一种三电极结构的静电探针系统，包含：三电极探针单元、耐高压射频降噪单元、功放单元、电流采集单元和信号控制及数据处理单元，三电极探针单元设置为探针极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收集电子电流和离子电流，通过耐高压射频降噪单元去除射频噪声；

去除射频噪声后的电流经取样电阻后输入到功放单元，经功放单元的接地端构成探针回路；同时所述功放单元将信号控制及数据处理单元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的探针极P1；

所述电流采集单元同时采集探针极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处理得到电子密度和电子温度数据。