用于大气环境下电子束等离子体的诊断探针及诊断方法

摘要

本发明涉及用于大气环境下电子束等离子体的诊断探针及诊断方法，其中诊断探针，包括朗缪尔探针，其特征在于：还包括设置在朗缪尔探针表面的氮化钛薄膜。本发明克服现有等离子体诊断技术在大气环境下难以准确、可靠获得电子束等离子体特性的难题，提供一种用于大气环境下电子束等离子体的诊断探针及诊断方法，可以在大气环境下对任意区间的高能电子束流进行测量，并获得电子能谱，从而实现等离子体的特性诊断。

权利要求

1.用于大气环境下电子束等离子体的诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】取多个表面设置有不同厚度的氮化钛薄膜的朗缪尔探针；

2】使每个朗缪尔探针垂直于电子束传输方向以同一速度分别平移通过同一束流横截面，实时记录朗缪尔探针收集的高能电子流，得到高能电子流的能谱。

2.用于大气环境下电子束等离子体的诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】取多个表面设置有不同厚度的氮化钛薄膜的朗缪尔探针；

2】使每个朗缪尔探针垂直于电子束传输方向以同一速度分别平移通过同一束流横截面，实时记录朗缪尔探针收集的高能电子流，得到一个高能电子流与该束流横截面半径的关系曲线；

3】取另一个束流横截面，重复步骤2】，得到高能电子流与不同束流横截面半径的多个关系曲线；

4】由高能电子流与不同束流横截面半径的多个关系曲线得到高能电子的三维密度分布；

5】理论计算大气环境电子束等离子体的三维电子密度分布；

6】由高能电子的三维密度分布和大气环境电子束等离子体三维电子密度分布推导出二次电子的三维密度及分布。

说明书

用于大气环境下电子束等离子体的诊断探针及诊断方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种大气环境下等离子体的诊断设备及诊断方法，尤其适用于大气环境电子束等离子体的特性诊断。

背景技术

[0002] 大气环境电子束等离子体是由高能电子束与大气环境空气碰撞产生，高能电子的特性和参数将直接决定等离子体的性质。因此，必须采用准确可靠的电子束等离子体诊断方法获得其各项参数。

[0003] 在大气环境下，高能电子束经由输运引出装置入射到稠密空气中后，发生电离、激发、复合、附着等复杂的物理过程，产生电子束等离子体。由于大气环境空气密度很高，因此高能束电子(一次电子)电离产生的二次电子是束电子密度的4～5倍，给束电子特性诊断带来了困难。

[0004] 由于二次电子的影响，法拉第筒方法将不能用于束电子的束流诊断。另外，由于束电子的高能特性，普通朗缪尔(Langmuir)探针也将难以用于高能束流诊断。由于电子束能量很高，一般诊断方法很难胜任。

[0005] 采用薄膜包覆探针对不同位置的高能电子能量进行扫描，可以实现任意能量区间高能电子束流的诊断，从而可以描绘出大气环境高能电子束传输路径上不同截面处的电子能谱。该方法解决了高能电子束能量及束流诊断的难题。

发明内容

[0006] 本发明克服现有等离子体诊断技术在大气环境下难以准确、可靠获得电子束等离子体特性的难题，提供一种用于大气环境下电子束等离子体的诊断探针及诊断方法，可以在大气环境下对任意区间的高能电子束流进行测量，并获得电子能谱，从而实现等离子体的特性诊断。

[0007] 本发明的技术解决方案：

[0008] 用于大气环境下电子束等离子体的诊断探针，包括朗缪尔探针，其特征在于：还包括设置在朗缪尔探针表面的氮化钛薄膜。

[0009] 上述氮化钛薄膜的厚度不大于800微米。

[0010] 上述氮化钛薄膜是在铜探针的表面真空溅射金属镍，再溅射钛，然后在氮气环境下形成的。

[0011] 上述氮化钛薄膜是通过气相沉积法采用微纳米技术在铜探针的表面沉积氮化钛形成的。

[0012] 用于大气环境下电子束等离子体的诊断方法，包括以下步骤：

[0013] 1】取多个表面设置有不同厚度的氮化钛薄膜的朗缪尔探针；

[0014] 2】使每个朗缪尔探针垂直于电子束传输方向以同一速度分别平移通过同一束流横截面，实时记录朗缪尔探针收集的高能电子流，得到高能电子流的能谱。

[0015] 用于大气环境下电子束等离子体的诊断方法，包括以下步骤：

[0016] 1】取多个表面设置有不同厚度的氮化钛薄膜的朗缪尔探针；

[0017] 2】使每个朗缪尔探针垂直于电子束传输方向以同一速度分别平移通过同一束流横截面，实时记录朗缪尔探针收集的高能电子流，得到一个高能电子流与该束流横截面半径的关系曲线；

[0018] 3】取另一个束流横截面，重复步骤2】，得到高能电子流与不同束流横截面半径的多个关系曲线；

[0019] 4】由高能电子流与不同束流横截面半径的多个关系曲线得到高能电子的三维密度分布；

[0020] 5】理论计算大气环境电子束等离子体的三维电子密度分布；

[0021] 6】由高能电子的三维密度分布和大气环境电子束等离子体三维电子密度分布推导出二次电子的三维密度及分布。

[0022] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0023] 1、本发明薄膜包覆探针易于加工。

[0024] 2、本发明方法通过一次测量可同时得到高能电子的能谱和束流分布，数据处理方便、快捷。

[0025] 3、本发明大大提高了探针诊断的准确程度。

附图说明

[0026] 图1是本发明诊断探针的结构示意图；

[0027] 图2a至图2d是本发明探针平移横扫过束流截面的过程示意图；

[0028] 图3本发明探针和多个束流截面的关系示意图；

[0029] 图4是本发明高能电子流与某一个束流横截面半径的关系曲线。

[0030] 其中附图标记为：1-探针基体，2-薄膜。

具体实施方式

[0031] 图1为薄膜包覆扫描探针示意图。该朗缪尔探针以金属铜(Cu)为材料；涂层为氮化钛(TiN)；薄膜厚度根据实际电子束流的参数确定，一般不大于800微米。在铜探针的表面真空溅射金属镍(Ni)，之后再溅射钛(Ti)，然后在氮气环境下形成介电材料氮化钛(TiN)涂层，也可以通过气相沉积等方法在金属表面沉积氮化钛(TiN)。由于实验的特殊性，必须对薄膜的制备提出较高的要求，除了均匀致密、耐高温，无缺陷，与金属结合力好，还要能精确得到所需的膜层厚度，而采用微纳米沉积技术可以获得所需厚度的薄膜。

[0032] 用本发明探针能获得高能电子能谱，具体步骤如下：

[0033] 1】取多个表面设置有不同厚度的氮化钛薄膜的朗缪尔探针；

[0034] 2】使每个朗缪尔探针垂直于电子束传输方向以同一速度分别平移通过同一束流横截面，实时记录朗缪尔探针收集的高能电子流，得到高能电子流的能谱。

[0035] 用本发明探针还可得出二次电子(即低能电子)的密度及其分布，具体如下：

[0036] 1】取多个表面设置有不同厚度的氮化钛薄膜的朗缪尔探针；

[0037] 2】使每个朗缪尔探针垂直于电子束传输方向以同一速度分别平移通过同一束流横截面，实时记录朗缪尔探针收集的高能电子流，得到一个高能电子流与该束流横截面半径的关系曲线；

[0038] 3】取另一个束流横截面，重复步骤2】，得到高能电子流与不同束流横截面半径的多个关系曲线；

[0039] 4】由高能电子流与不同束流横截面半径的多个关系曲线得到高能电子的三维密度分布；

[0040] 5】理论计算大气环境电子束等离子体的三维电子密度分布；

[0041] 6】由高能电子的三维密度分布和大气环境电子束等离子体三维电子密度分布推导出二次电子的三维密度及分布。

[0042] 本发明原理：

[0043] 使探针垂直于电子束传输方向，以平移的方式快速扫过电子束横截面，通过探针收集高能电子也就是束电子，从而获得高能电子的能谱，同时得到高能电子电流与束流横截面直径的关系曲线，从而获得束电子在径向上的密度分布。再根据理论计算得到大气环境电子束等离子体电子密度分布，结合试验测得的束电子密度，并推导得出二次电子(即低能电子)的密度及其分布。

[0044] 通过调整的氮化钛涂层的厚度来控制不同能量的电子到达金属探针表面，能量高于涂层能量阈值的束电子能够穿越涂层到达探针表面被收集，获得高能电子束流；低于能量阈值的电子则被涂层阻挡，无法到达探针表面。

[0045] 本发明的原理：粒子在物质中输运时都有一定的自由程，该自由程正比于粒子的能量。在电子束等离子体中，高能束电子的自由程在微米量级，而二次电子的自由程处于纳米量级。因此，探针基体表面微米量级的薄膜对于束电子是透明的，束电子完全可以通过薄膜到达探针表面，而二次电子却被完全阻止。通过改变薄膜厚度，就可以诊断不同能量区间的高能电子能谱。