本发明公开了一种微型溅射离子泵等离子体诊断装置。本发明通过设置一个密闭空间，引用朗缪尔探针，配合采用固定流导法，实现了对微型溅射离子泵正常工作时的内部空间电子温度和电子数密度进行检测。同时，利用电机、丝杠、滑块、朗缪尔探针之间的配合，实现了朗缪尔探针在容纳泵腔体内上下移动，进而实现了测量泵内部不同位置的电子温度和电子数密度。此外，通过引入气体微流量计，实现对容纳泵腔体及测试罩内部的压力调节，实现获得不同压力下的电子温度和电子数密度。
1.一种微型溅射离子泵等离子体诊断装置，其特征在于，包括：角阀(1)、分子泵(2)、机械泵(3)、等离子体诊断器(4)和容纳泵腔体(5)；
其中，角阀(1)的一端顺次连接分子泵(2)和机械泵(3)，角阀(1)的另一端与容纳泵腔体(5)连接；容纳泵腔体(5)上设有磁悬浮转子计(9)和第一阀门(10)；第一阀门(10)通过供气管路(8)与气体微流量计(7)连接；容纳泵腔体(5)与等离子体诊断器(4)中的法兰盖(22)的底部固定；
等离子体诊断器(4)包括电机(13)、上部支架(15)、滑块(16)、光杆(18)、底部支架(20)、法兰盖(22)和朗缪尔探针(23)；其中，法兰盖(22)通过螺栓与容纳泵腔体(5)固定连接，法兰盖(22)上均匀分布多根接线柱(21)，微型溅射离子泵(24)通过接线柱(21)悬挂在容纳泵腔体(5)中，并得到供电；底部支架(20)为轴心带通孔的圆柱体结构，且部分圆柱体穿过法兰盖(22)上设置的通孔，处于容纳泵腔体(5)内；底部支架(20)未处于容纳泵腔体(5)内圆柱体的端面向外侧延伸形成平台；光杆(18)为两个L型光滑圆柱杆，光杆(18)长边的端部与所述底部支架(20)的平台固定，短边的端部与位于法兰盖(22)上方的电机(13)固定；电机(13)底部接有丝杠(14)，丝杠(14)与上部支架(15)通过螺纹连接；上部支架(15)与滑块(16)固定，滑块(16)卡在光杆(18)上；波纹管(17)的一端与滑块(16)连接，另一端与底部支架(20)密封连接；朗缪尔探针(23)的一端固定在滑块(16)的底部，另一端通过波纹管(17)、底部支架(20)通孔伸入微型溅射离子泵(24)侧边空隙中。
2.如权利要求1所述的微型溅射离子泵等离子体诊断装置，其特征在于，还包括测试罩(6)，测试罩(6)位于角阀(1)和容纳泵腔体(5)之间，且与角阀(1)和容纳泵腔体(5)连通；容纳泵腔体(5)上的磁悬浮转子计(9)、第一阀门(10)和第二阀门(11)均设在测试罩(6)上。
3.如权利要求2所述的微型溅射离子泵等离子体诊断装置，其特征在于，所述测试罩(6)上还设有第二阀门(11)，第二阀门(11)与电离真空计(12)连接，用于测量测试罩(6)内压力。
4.如权利要求1所述的微型溅射离子泵等离子体诊断装置，其特征在于，所述容纳泵腔体(5)上还设有第二阀门(11)，第二阀门(11)与电离真空计(12)连接，用于测量容纳泵腔体(5)内压力。
5.如权利要求1所述的微型溅射离子泵等离子体诊断装置，其特征在于，所述朗缪尔探针为钨丝材质，探针前端直径0.175毫米。
6.如权利要求1所述的微型溅射离子泵等离子体诊断装置，其特征在于，所述底部支架(20)上焊有垫片(19)，垫片(19)的另一端焊接波纹管(17)。
7.一种如权利要求1～5任意一项所述的微型溅射离子泵等离子体诊断装置的诊断方法，其特征在于，步骤一、采用机械泵与分子泵对容纳泵腔体(5)进行抽气，测试前需要先进行烘烤，同时接通微型溅射离子泵电源，对泵进行除气；
步骤二、烘烤结束后，待温度降至室温，关闭角阀(1)，使微型溅射离子泵独自工作，对容纳泵腔体(5)抽气；微型溅射离子泵工作稳定后，采用固定流导法测量微型溅射离子泵抽速S；
步骤三、根据 获得微型溅射离子泵抽速S，式中I是微型溅射离子泵工作时的电流；P是被抽气体压力；
步骤四、调节好压力后，接通朗缪尔探针(23)与电机(13)，电机(13)工作，通过丝杠(14)的旋转调节朗缪尔探针(23)深入到微型溅射离子泵(24)内部空间的一点上；
步骤五、朗缪尔探针(23)收集微型溅射离子泵内部空间的电子电流与离子电流；得到伏安特性曲线；通过薄鞘层理论或者柴尔德鞘层理论，计算得到电子温度和电子数密度；其中，电子温度：式中Vp1、Vp2是在电压为P1和P2时的空间电位；Ip1、Ip2是在电压为P1和P2时的离子电流；
kTe是等离子体的电子温度，e是电子电量，为已知量；
式中ne0为电子数密度；Ie0电子电流；Ap为探针的表面积。
8.如权利要求7所述的诊断方法，其特征在于，通过调节电机(13)，实现朗缪尔探针(23)的上下移动，利用所述诊断方法，获得不同位置的电子温度和电子数密度。
9.如权利要求7所述的诊断方法，其特征在于，通过调节气体微流量计(7)，改变微型溅射离子泵抽速S，获得不同压力下的电子温度和电子数密度。
一种微型溅射离子泵等离子体诊断装置及诊断方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种微型溅射离子泵等离子体诊断装置及诊断方法，属于真空测量前沿技术领域。
背景技术
[0002] 随着科技的发展，溅射离子泵的应用在航天产品、电子器件、科学仪器领域应用越来越广泛，并朝着小型化微型化的方向发展。如质谱计、原子钟及高精度静电悬浮加速度计中均需微型溅射离子泵提供高真空来维持工作。这也对微型建设离子泵的设计和研究提出了更严格的要求。而微型溅射离子泵结构很小也增加了测量的难度。
[0003] 溅射离子泵的优点是结构简单、操作维护容易、无油污染、高真空时耗电量小及便于安装。微型溅射离子泵的结构是单个阳极桶，配合阴极板，两端放置永磁体，工作时阳极筒加高压，正常工作时内部气体电离就形成了等离子体。
[0004] 等离子体诊断方法分为接触法和非接触法两大类。接触法包括郎缪尔探针法、阻抗测量法等，一般用来对大范围、均匀分布等离子体参数进行诊断；非接触法有微波透射法、光谱法、激光诊断法、质谱法、顺磁共振法、电荷收集器法、Thomso散射法等，一般用来对小范围或非均匀等离子体进行精确诊断。
[0005] 目前已经展开了很多对微型溅射离子泵的研究与抽速测量工作，但对其内部等离子体真正的分布与变化尚未有一个准确的测量结果，微型溅射离子泵结构很小也增加了测量的难度，而该测量对微型溅射离子泵结构与性能的改进是有帮助的。因此有必要设计一种可以准确测量微型溅射离子泵内部等离子体的分布与变化的装置。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供了一种微型溅射离子泵等离子体诊断装置及诊断方法。可以通过朗缪尔探针对微型溅射离子泵正常工作时的内部空间电子电流与离子电流进行检测。朗缪尔探针可前后上下移动，测量泵内部不同位置的电子电流与离子电流。通过流量计改变测试罩内压力，测量不同工作状态下微型溅射离子泵的电子电流与离子电流。
[0007] 一种微型溅射离子泵等离子体诊断装置，包括：角阀、分子泵、机械泵、等离子体诊断器和容纳泵腔体；
[0008] 其中，角阀的一端顺次连接分子泵和机械泵，角阀的另一端与容纳泵腔体连接；容纳泵腔体上设有磁悬浮转子计和第一阀门；第一阀门通过供气管路与气体微流量计连接；容纳泵腔体与等离子体诊断器中的法兰盖的底部固定；
[0009] 等离子体诊断器包括电机、上部支架、滑块、光杆、底部支架、法兰盖和朗缪尔探针；其中，法兰盖通过螺栓与容纳泵腔体固定连接，法兰盖上均匀分布多根接线柱，微型溅射离子泵通过接线柱悬挂在容纳泵腔体中，并得到供电；底部支架为轴心带通孔的圆柱体结构，且部分圆柱体穿过法兰盖上设置的通孔，处于容纳泵腔体内；底部支架未处于容纳泵腔体内圆柱体的端面向外侧延伸形成平台；光杆为两个L型光滑圆柱杆，光杆长边的端部与所述底部支架的平台固定，短边的端部与位于法兰盖上方的电机固定；电机底部接有丝杠，丝杠与上部支架通过螺纹连接；上部支架与滑块固定，滑块卡在光杆上；波纹管的一端与滑块连接，另一端与底部支架密封连接；朗缪尔探针的一端固定在滑块的底部，另一端通过波纹管、底部支架通孔伸入微型溅射离子泵侧边空隙中。
[0010] 较佳地，还包括测试罩，测试罩位于角阀和容纳泵腔体之间，且与角阀和容纳泵腔体连通；容纳泵腔体上的磁悬浮转子计、第一阀门和第二阀门均设在测试罩上。
[0011] 较佳地，所述测试罩上还设有第二阀门，第二阀门与电离真空计连接，用于测量测试罩内压力。
[0012] 较佳地，所述容纳泵腔体上还设有第二阀门，第二阀门与电离真空计连接，用于测量容纳泵腔体内压力。
[0013] 较佳地，所述朗缪尔探针为钨丝材质，探针前端直径0.175毫米。
[0014] 较佳地，所述底部支架上焊有垫片，垫片的另一端焊接波纹管。
[0015] 本发明还提供一种采用上述诊断装置的诊断方法，
[0016] 步骤一、采用机械泵与分子泵对容纳泵腔体进行抽气，测试前需要先进行烘烤，同时接通微型溅射离子泵电源，对泵进行除气；
[0017] 步骤二、烘烤结束后，待温度降至室温，关闭角阀，使微型溅射离子泵独自工作，对容纳泵腔流导法体抽气；微型溅射离子泵工作稳定后，采用固定流导法测量微型溅射离子泵抽速S；
[0018] 步骤三、根据 获得微型溅射离子泵抽速S，式中I是微型溅射离子泵工作时的电流；P是被抽气体压力；
[0019] 步骤四、调节好压力后，接通朗缪尔探针与电机，电机工作，通过丝杠的旋转调节朗缪尔探针深入到微型溅射离子泵内部空间的一点上；
[0020] 步骤五、朗缪尔探针收集微型溅射离子泵内部空间的电子电流与离子电流；得到伏安特性曲线；通过薄鞘层理论或者柴尔德鞘层理论，计算得到电子温度和电子数密度；其中，电子温度：
[0021]
[0022] 式中Vp1、Vp2是在电压为P1和P2时的空间电位；Ip1、Ip2是在电压为P1和P2时的离子电流；kTe是等离子体的电子温度，e是电子电量，为已知量；
[0023] 电子数密度：
[0024]
[0025] 式中ne0为电子数密度；Ie0电子电流；Ap为探针的表面积。
[0026] 较佳地，通过调节电机，实现朗缪尔探针的上下移动，利用所述诊断方法，获得不同位置的电子温度和电子数密度。
[0027] 较佳地，通过调节气体微流量计，改变微型溅射离子泵抽速S，获得不同压力下的电子温度和电子数密度。
[0028] 有益效果：
[0029] 1、本发明通过设置一个密闭空间，引用朗缪尔探针，配合采用固定流导法，实现了对微型溅射离子泵正常工作时的内部空间电子温度和电子数密度进行检测。同时，利用电机、丝杠、滑块、朗缪尔探针之间的配合，实现了朗缪尔探针在容纳泵腔体内上下移动，进而实现了测量泵内部不同位置的电子温度和电子数密度。此外，通过引入气体微流量计，实现对容纳泵腔体及测试罩内部的压力调节，实现获得不同压力下的电子温度和电子数密度。
[0030] 2、为了能够普适性，本发明还引入了测试罩，避免因为溅射离子泵体积过大而导致空间不够的情况出现。
[0031] 3、由于磁悬浮转子计量程有限，本发明引入了电离真空计，当磁悬浮转子计超量程后，则可使用电离真空计测量测试罩内压力，在不使用时，可以通过第二阀门将电离真空计隔离。
附图说明
[0032] 图1是本发明微型溅射离子泵等离子体诊断装置结构示意图。
[0033] 图2a是本发明中与测试罩连接的等离子诊断器内部示意图。
[0034] 图2b是本发明中与角阀连接的等离子诊断器内部示意图
[0035] 图3是本发明采用普通溅射离子泵等离子体诊断装置结构示意图。
[0036] 其中，1—角阀，2—分子泵，3—机械泵，4—等离子体诊断器，5—容纳泵腔体，6—测试罩，7—气体微流量计，8—供气管路，9—磁悬浮转子计，10—第一阀门，11—第二阀门，12—电离真空计，13—电机，14—丝杠，15—上部支架，16—滑块，17—波纹管，18—光杆，
19—垫片，20—底部支架，21—接线柱，22—法兰盖，23—朗缪尔探针，24—微型溅射离子泵。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。
[0038] 本发明提出了一种微型溅射离子泵等离子体诊断装置，该装置结构如图1所示：角阀1的一端顺次连接分子泵2和机械泵3，分子泵2和机械泵3组成旁抽系统，旁抽系统可将测‑7试罩内抽到10 Pa压力下，通过角阀1可将旁抽系统与测试罩6隔开。角阀1的另一端与测试罩6连通。测试罩6上设有磁悬浮转子计9，用于测量测试罩6内压力，测试罩6上还设有第一阀门10和第二阀门11，第一阀门10通过供气管路8与气体微流量计7连接，构成了供气系统，通过供气系统向测试罩6供气，可控制微型溅射离子泵在不同压力下稳定工作，完成不同压力下的放电测量。第二阀门11与电离真空计12连接，用于测量测试罩内压力。当超出磁悬浮转子计9量程后，则可使用电离真空计12测量测试罩内压力，在不使用时，可以通过第二阀门11将电离真空计12隔离。测试罩6与容纳泵腔体5联通，容纳泵腔体5与等离子体诊断器4固定，其中，等离子体诊断器4的结构如图2所示，为：
[0039] 法兰盖22上均匀分布4根接线柱21，接线柱21起到两个作用，一是将微型溅射离子泵挂靠起来，使得微型溅射离子泵悬挂在容纳泵腔体5内，二是由于接线柱21为可导电金属材质，可以为微型溅射离子泵提供电源，电压在3000‑4000V之间，接线柱21与法兰盖的接处做绝缘处理。法兰盖的底部与容纳泵腔体5密封连接，容纳泵腔体5内悬挂设微型溅射离子泵24。底部支架20为轴心带通孔的圆柱体结构，且部分圆柱体穿过法兰盖22的通孔处于容纳泵腔体5内，同时安装位置应满足探针可伸入微型溅射离子泵侧边空隙中；底部支架20未处于容纳泵腔体5内圆柱体的端面向外侧延伸形成平台，光杆18为两个L型光滑圆柱杆，光杆18长边的端部分别与底部支架20的平台固定，电机13位于法兰盖通孔的正上方且固定在光杆18短边的端部，电机13底部接有丝杠14，丝杠14与上部支架15通过螺纹连接，上部支架15与滑块16固定，滑块16卡在光杆18上，波纹管17通过焊接的方式将滑块16与底部支架20连接起来，波纹管17的连接可实现朗缪尔探针23的上下自由移动，朗缪尔探针23的一端与滑块16的底部固定，朗缪尔探针23的另一端通过波纹管17深入测量室内。底部支架20上设有垫片19起到密封作用，波纹管17下端焊接到垫片上。
[0040] 需要说明的，本发明为了普适性，如图3所示，设置了测试罩6，以保证当溅射离子泵体积过大时，也能够正常使用。但如果使用本发明所采用的微型溅射离子泵，由于该溅射离子泵结构较小，在容纳泵腔体5中变可实现等离子体诊断，即本发明结构除去测试罩6，角阀1直接与容纳泵腔体5连接，且容纳泵腔体5上设有磁悬浮转子计9，用于测量容纳泵腔体5内压力，容纳泵腔体5上还设有第一阀门10和第二阀门11，第一阀门10通过供气管路8与气体微流量计7连接，构成了供气系统，通过供气系统向容纳泵腔体5供气，可控制微型溅射离子泵在不同压力下稳定工作，完成不同压力下的放电测量。第二阀门11与电离真空计12连接，用于测量容纳泵腔体5内压力。
[0041] 其中波纹管的选择，波纹管的大小要尽可能小并能保证很好的气密性，装置的工‑7作压强要维持在10 帕上下。
[0042] 其中朗缪尔探针的选择，探针为钨丝材质，探针前端直径0.175毫米，足够细小方便探针深入到微型溅射离子泵阴极间隙中去。微型溅射离子泵的阳极筒与阴极板之间的间隙为2.3mm，探针的大小完全适合在间隙中移动，方便测量。
[0043] 其中微型溅射离子泵，由单一抽气单元构成，抽气量在0.3升左右。
[0044] 基于上述装置，利用该装置的等离子体诊断方法为：
[0045] 步骤一、因为微型溅射离子泵的正常工作压强要低于10‑3‑10‑5Pa，所以需要利用机械泵与分子泵连接，对测量罩6、容纳泵腔体5进行抽气，测试前需要先进行烘烤，同时接通微型溅射离子泵电源，对泵进行除气。
[0046] 步骤二、烘烤结束后，待温度降至室温，关闭角阀1，使微型溅射离子泵独自工作对测量罩6、容纳泵腔流导法体5抽气。微型溅射离子泵工作稳定后，采用固定流导法测量微型溅射离子泵抽速S。
[0047] 步骤三、根据
[0048]
[0049] 式中S是微型溅射离子泵抽速；I是微型溅射离子泵工作时的电流；P是被抽气体压力，从公式中可看出微型溅射离子泵工作时电流与被抽气体压力直接相关。为此，通过调节气体微流量计7，调节被抽气体压力P，获得微型溅射离子泵抽速S。
[0050] 步骤四、调节好压力后，接通朗缪尔探针与电机，电机工作通过丝杠的旋转可调节朗缪尔探针深入到微型溅射离子泵内部空间的一点上。
[0051] 步骤五、朗缪尔探针测量时探针钨杆针头在微型溅射离子泵内部空间收集电子电流与离子电流；得到伏安特性曲线。通过薄鞘层理论或者柴尔德鞘层理论，可计算得到电子温度和电子数密度。电子温度
[0052]
[0053] 式中Vp是空间电位；Vp1、Vp2是在电压为P1和P2时的空间电位；Ip1、Ip2是在电压为P1和P2时的离子电流，e是电子电量，为已知量。
[0054] 电子数密度
[0055]
[0056] 式中ne0为电子数密度；Ie0电子电流；Ap为探针的表面积。
[0057] 通过调节电机13，实现朗缪尔探针23的上下移动，利用所述诊断方法，获得不同位置的电子温度和电子数密度。
[0058] 通过调节气体微流量计7，改变微型溅射离子泵抽速S，获得不同压力下的电子温度和电子数密度。
[0059] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
