[发明专利]伸缩式冷热探针组件、等离子体诊断系统及诊断方法

说明书

本发明公开了一种伸缩式冷热探针组件、等离子体诊断系统及诊断方法，包括：共轴安装的冷探针组件和热探针组件；所述冷探针组件包括绝缘套管和设置在绝缘套管末端的球形探针；所述球形探针上设有设定大小的狭缝；热探针组件设置于所述绝缘套管内部，所述热探针组件包括热探针灯丝，所述热探针灯丝通过绝缘支架与伸缩件连接，所述伸缩件能够使得热探针灯丝自所述狭缝伸出绝缘套管或收回绝缘套管内部。本发明等离子体空间电位由发射探针的零发射极限拐点电势法获得，在等离子体空间电位测量方面，发射探针技术比单探针技术更可靠。

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，尤其涉及一种伸缩式冷热探针组件、等离子体诊断系统及诊断方法。

背景技术

朗缪尔单探针技术和发射探针技术都是常用的等离子体诊断手段。在等离子体的单探针诊断中，首先将一个金属电极作为探针插入等离子体中，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，得到单探针的I-V特性曲线，最后通过分析伏安特性曲线得到等离子体的空间电位、电子密度、电子温度以及电子能量分布函数等参数。根据经典的朗缪尔探针理论，单探针I-V特性曲线的一阶导峰值电势(即伏安特性曲线的拐点电势)即为等离子体空间电位，该电位所对应的探针收集电流即为电子饱和收集电流，因此以拐点电势作为基准点就能够得到等离子体的电子密度、电子温度以及电子能量分布函数等其他参数。

然而，实际上，单探针伏安特性曲线的拐点极易受到探针表面污染物沉积、探针表面气体分子吸附以及等离子体空间电荷效应等因素的影响，从而导致其拐点电势偏离实际的等离子体空间电位，最终导致以拐点电势作为基准点计算得到等离子体电子密度、电子温度以及电子能量分布函数等参数均具有较大的不确定性。此外，与金属探针连接处的绝缘支架上存在的悬浮鞘层能够对金属探针产生一定的遮挡，即形成所谓的“终端效应”，从而影响探针的电子收集电流，并且也无法准确确定有效的电流收集面积，最终导致计算得到的等离子体电子密度不准确。

另一方面，在等离子体的发射探针诊断中，将一小段金属作为发射探针插入等离子体中，通过外部电源对其进行加热至有热电子发射产生，同时对发射探针施加扫描偏置电压，获得发射探针的I-V特性曲线。通过改变发射探针的加热电流，获得不同热电子发射状态时的I-V特性曲线以及I-V特性曲线的拐点电势。将这些发射探针的拐点电势与探针加热电流进行作图，对其进行线性拟合并外推至热电子发射起始处，所获得的零发射极限拐点电势能够有效避免等离子体的空间电荷效应对等离子体空间电位测量结果的影响，这种方法也被称为发射探针零发射极限拐点电势法。此外，在等离子体的发射探针诊断中，由于探针需要被加热保持较高的温度，因此发射探针在探针表面去吸附、保持探针表面清洁方面同样要优于其他静电探针诊断技术。尽管发射探针在准确测量等离子体空间电位方面具有独特的优势，然而利用发射探针只能准确获得等离子体空间电位这一个参数。在发射探针的I-V特性曲线中，电子发射电流的存在能够显著改变I-V特性曲线的形状，从而导致由经典朗缪尔探针理论计算得到的等离子体电子密度、电子温度以及电子能量分布函数等参数均偏离实际结果。

发明内容

本发明提供一种伸缩式冷热探针组件、等离子体诊断系统及诊断方法，以解决目前的朗缪尔单探针在测量等离子体过程中所面临的探针表面污染、等离子体空间电荷效应以及探针支架终端效应等问题，最终获得准确的等离子体空间电位、电子温度、电子密度和电子能量分布函数等参数。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种伸缩式冷热探针组件，包括：共轴安装的冷探针组件和热探针组件；所述冷探针组件包括绝缘套管和设置在绝缘套管末端的球形探针；所述球形探针上设有设定大小的狭缝；

所述热探针组件设置于所述绝缘套管内部，所述热探针组件包括热探针灯丝，所述热探针灯丝通过绝缘支架与伸缩件连接，所述伸缩件能够使得热探针灯丝自所述狭缝伸出绝缘套管或收回绝缘套管内部。

进一步地，所述球形探针的球壳内侧设有金属挡板，所述金属挡板能够在控制器的控制下沿着球壳内侧移动，以遮挡或打开所述狭缝。