一种射频放电等离子体诊断装置

摘要

本发明涉及到一种射频放电等离子体诊断装置，属于等离子体科学与技术领域，用于诊断射频放电等离子体，能够克服射频放电，特别是两个以上射频同时放电时存在的射频扰动，获得电子密度和电子温度等参数。其特征是由探测器和伺服系统构成，其中，探测器由金属制成的探针、基电极和参考电极组成，基电极为环形，与所在位置放电电场的等势面平行放置，探针位于环形基电极的中心，参考电极可位于等离子体中的任何位置，基电极表面积大于探针表面积的300倍；伺服系统由计算机、数据采集卡、锯齿波发生器和接口电路构成，伺服系统不与放电设备共用电源，不与放电回路共地。锯齿波发生器产生的锯齿波扫描电压加在探针和基电极之间，探针的电位以参考电极的电位为参考计算。

权利要求

1.一种射频放电等离子体诊断装置，包括探测器和伺服系统，其特征在于：

探测器由金属制成的探针(1)、基电极(2)和参考电极(3)组成，基电极(2)为环形，与所在位置放电电场的等势面平行放置，探针(1)位于环形基电极(2)的中心，参考电极(3)位于等离子体(14)中的任何位置，基电极(2)表面积大于探针(1)表面积的300倍；

伺服系统由计算机(12)、数据采集卡(9)、锯齿波发生器(8)和接口电路(6)构成，伺服系统不与放电设备共用电源，不与放电回路共地；

探针(1)、基电极(2)和参考电极(3)通过接口电路(6)与伺服系统连接；基电极通过接口电路中的隔离电感与伺服系统的地线连接；探针通过接口电路中的LC滤波器与锯齿波发生器的输出端以及数据采集卡连接；参考电极通过接口电路中的RC滤波器与数据采集卡连接；接口电路(6)中，LC滤波器调谐在放电频率及其二次谐波上，RC滤波器中的电阻大于1兆欧姆；

计算机(12)的5V输出电压为数据采集卡(9)和锯齿波发生器(8)供电，锯齿波发生器(8)所需的正负高电压由来自计算机(12)的5V输出电压经直流-直流变换模块升压提供；

锯齿波发生器(8)产生的锯齿波扫描电压加在探针(1)和基电极(2)之间，探针(1)的电位以参考电极(3)的电位为参考计算。

说明书

一种射频放电等离子体诊断装置

技术领域

[0001] 本发明属于等离子体科学与技术领域，涉及到一种射频放电等离子体诊断装置，能够克服射频放电，特别是两个以上射频同时放电时存在的射频扰动，获得电子密度和电子温度等参数。

背景技术

[0002] 探针是诊断等离子体参数常用的装置。利用普通的探针诊断射频放电等离子体时，探针的伏安特性曲线由于射频扰动会发生扭曲，给出错误的诊断结果。对于单一频率的射频扰动，通常的解决办法是在探针电路中安装射频扼流圈和辅助电极对射频扰动进行衰减，或利用外电路对射频信号进行采样，再经过相移和放大后反馈回探针来抵消扰动。但是，上述两种措施都只能克服单一频率射频放电对探针的扰动，而对于两个以上射频同时放电所产生的扰动无能为力。因为这种情况下，由于等离子体的非线性特点，不同频率的射频扰动相互耦合，使得合成的扰动具有频带范围宽、频谱成分复杂的特点，而无论射频扼流圈加辅助电极还是相移和放大反馈电路只能调谐在个别频率上，不能对一个频带起作用。

[0003] 实际上，目前所普遍使用的探针装置之所以受到射频放电的强烈扰动，是因为探针的扫描偏置电压加在探针和接地的放电电极之间，因此探针电路必须连接接地的放电电极，与放电回路共地，探针电位以放电回路的地电位作为参考。这就使射频电压能够经探针及探针电路耦合至放电回路地，从而在探针电路中形成很强的射频扰动电流。如果探针电路能够独立于放电回路，不与放电回路共地，并采取措施消除探针电路和放电回路之间的分布电容耦合，就能够切断射频电流经探针电路至放电回路地的耦合通道，从而消除射频扰动。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种射频放电等离子体诊断装置，以解决诊断射频放电等离子体，特别是两个以上射频同时放电的等离子体时存在的射频扰动问题。

[0005] 本发明技术方案是：

[0006] 一种射频放电等离子体诊断装置包括探测器和伺服系统。探测器由金属制成的探针、基电极和参考电极组成，处于等离子体中。基电极为环形，与所在位置放电电场的等势面平行放置，探针位于环形基电极的中心，参考电极可位于等离子体中的任何位置；基电极表面积大于探针表面积的300倍；探针、基电极和参考电极分别通过各自连接的导线与伺服系统连接。

[0007] 伺服系统由计算机、数据采集卡、锯齿波发生器和接口电路构成；伺服系统不与放电设备共用电源，不与放电回路共地。

[0008] 探针、基电极和参考电极通过接口电路与伺服系统连接。其中，基电极通过接口电路中的隔离电感与伺服系统的地线连接；探针通过接口电路中的LC滤波器与锯齿波发生器的输出端以及数据采集卡连接；参考电极通过接口电路中的RC滤波器与数据采集卡连接。接口电路中，LC滤波器调谐在放电频率及其二次谐波上，RC滤波器中电阻大于1兆欧姆。

[0009] 锯齿波发生器产生的锯齿波扫描电压加在探针和基电极之间，探针的电位以参考电极的电位为参考计算；数据采集卡采集探针的电压、参考电极的电压和探针的电流，将数据传输至计算机。计算机利用探针与参考电极之间的电压差和探针电流所构成的特性曲线分析计算等离子体的各项参数。

[0010] 本发明的有益效果是：

[0011] (a)本发明的装置能够克服射频放电，特别是两个以上射频同时放电时存在的射频扰动，对等离子体进行诊断，获得等离子体的密度和电子温度等参数。

[0012] (b)本发明的装置不与放电设备共用电源，不与放电回路共地，避免了放电电流通过诊断装置分流，对等离子体放电扰动小。

[0013] (c)本发明的装置中探针与环形基电极组件为扁平结构，参考电极可位于等离子体中的任何位置，能够诊断短间隙放电的等离子体。

附图说明

[0014] 图1是本发明的装置中探测器的结构图。

[0015] 图2是本发明的结构和使用示意图。

[0016] 图3是利用本发明对60MHz单一射频放电等离子体进行诊断的实测特性曲线图。

[0017] 图4是利用本发明对60MHz/2MHz双频同时放电等离子体进行诊断的实测特性曲线图。

[0018] 图中：1探针，2基电极，3参考电极，4引线，5绝缘套管，6接口电路，7电流传感器，8锯齿波发生器，9数据采集卡，10伺服系统地，11数据线，12计算机，13放电电极，14等离子体，15放电回路地。

具体实施方式

[0019] 下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

[0020] 在图1中，探测器由探针1、基电极2和参考电极3组成；探针1是直径0.5mm、长1mm的铜丝，基电极2是2mm粗的铜丝制成的直径30mm的圆环，基电极2面积约是探针1面积的335倍，参考电极3是直径0.5mm的铜丝；探针1位于环形基电极2的中心，参考电极
3位于基电极2环外；探针1、基电极2和参考电极3通过引线4经绝缘套管5引出。

[0021] 在图2中，放电电极13之间发生射频放电，产生等离子体14。探测器位于等离子体14中，其中，环形基电极2与放电电极13平行，即与放电电场的等势面平行、与放电电场垂直；探针1位于环形基电极2的中心；参考电极3位于等离子体14的边缘附近。伺服系统由计算机12、数据采集卡9、锯齿波发生器8和接口电路6构成；伺服系统以伺服系统地10为参考点，放电回路以放电回路地15为参考点，伺服系统不与放电回路共地。基电极2通过接口电路6中的隔离电感与伺服系统的地线连接；探针1通过接口电路6中的LC滤波器与锯齿波发生器8的输出端以及数据采集卡9连接；参考电极3通过接口电路6中的RC滤波器与数据采集卡9连接。接口电路6中，LC滤波器调谐在放电频率及其二次谐波上，RC滤波器中电阻为2.2兆欧姆。计算机12是电池供电的笔记本电脑，其USB接口的5V输出电压为数据采集卡9和锯齿波发生器8供电，即整个伺服系统用电都来自于计算机12的电池，锯齿波发生器8所需的正负高电压由来自计算机12的USB接口的5V电压经直流-直流(DC-DC)变换模块升压提供。锯齿波发生器8产生的锯齿波扫描电压加在探针1和基电极2之间，探针1、参考电极3的电压和电流传感器7的信号由数据采集卡9采集，经数据线
11输入计算机12。

[0022] 在图3的实施例中，利用本发明对射频60MHz电容耦合放电等离子体进行诊断得到伏安特性曲线。放电气体为氩气，气压为5Pa，电极间距3cm，放电功率为100W。对伏安特9 -3
性曲线分析计算得出电子密度为8.29×10cm ，电子温度为6.31eV。

[0023] 在图4的实施例中，利用本发明对双频(60MHz+2MHz)电容耦合放电等离子体进行诊断得到伏安特性曲线。放电气体为氩气，气压为5Pa，电极间距3cm，高低频放电功率均为9 -3
100W。对伏安特性曲线分析计算得出等离子体密度为8.62×10cm ，电子温度为6.47eV。