本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種基于數(shù)據(jù)采集卡的多振幅交流偏置探針等離子體診斷方法，用于診斷等離子體，特別是絕緣沉積環(huán)境等離子體，獲得電子溫度和離子密度。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的探針技術(shù)用于診斷等離子體參數(shù)，有多種類型。最常用的單探針是把一個(gè)小金屬電極即探針置于等離子體中，在探針與等離子體接地電極之間加上掃描偏置電壓，然后測(cè)量探針電流隨掃描偏置電壓的變化，得到伏安特性曲線，再通過分析伏安特性曲線得到等離子體的參數(shù)。除此之外還有雙探針、三探針等類型，這些探針技術(shù)的一個(gè)共同之處是都需要在探針上加直流偏置電壓，而這所帶來的問題是：當(dāng)所診斷的等離子體環(huán)境中有絕緣沉積發(fā)生時(shí)，探針表面會(huì)被沉積物質(zhì)覆蓋，從而失去導(dǎo)電性而無法工作。

解決上述問題一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)是用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)固定振幅V₀的交流偏置電壓加在探針上，測(cè)量探針電流信號(hào)，然后利用頻譜分析儀對(duì)探針電流信號(hào)進(jìn)行分析，得到的一次諧波振幅i_1ω和二次諧波振幅i_2ω，然后用公式i_1ω/i_2ω＝I₁(eV₀/T*)/I₂(eV₀/T*)計(jì)算出T*作為電子溫度，再用公式計(jì)算出n*作為離子密度，上面兩公式中，e是電子電量，I₀(eV₀/T*)、I₁(eV₀/T*)和I₂(eV₀/T*)分別是eV₀/T*的零階、一階和二階虛宗量貝塞爾函數(shù)，A和M分別是探針表面積和離子質(zhì)量。由于交流電流能夠以位移電流的形式穿過探針表面的絕緣層，這種技術(shù)即使在探針表面被絕緣物質(zhì)覆蓋的情況下也能使用，因而能夠診斷絕緣沉積環(huán)境的等離子體。

但是上述現(xiàn)有技術(shù)得到的T*和n*并不是準(zhǔn)確的電子溫度和離子密度。這是因?yàn)樯鲜霈F(xiàn)有的固定振幅交流偏置探針的診斷技術(shù)其理論依據(jù)是無限大平面電極模型，假定電流信號(hào)幅度與交流偏置電壓的振幅無關(guān)，而實(shí)際使用的探針都是很小的，不能看做是無限大平面電極，電流信號(hào)幅度與交流偏置電壓的振幅是有關(guān)的。這使得利用現(xiàn)有技術(shù)獲得的電子溫度和離子密度數(shù)值隨所選的交流偏置電壓振幅的變化而變化，現(xiàn)有的固定振幅交流偏置探針的診斷技術(shù)不能準(zhǔn)確獲得等離子體的電子溫度值和離子密度值。

另一方面，現(xiàn)有的固定振幅交流偏置探針的診斷技術(shù)利用信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀，不能自動(dòng)完成等離子體診斷過程，輸出結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于數(shù)據(jù)采集卡的多振幅交流偏置探針等離子體診斷方法，以解決現(xiàn)有的固定振幅交流偏置探針的診斷技術(shù)測(cè)量電子溫度和離子密度不準(zhǔn)確的問題，并能夠自動(dòng)完成等離子體診斷過程，輸出準(zhǔn)確的電子溫度值和離子密度值。

本發(fā)明技術(shù)方案是：

(a)計(jì)算機(jī)指令數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端口逐次產(chǎn)生振幅分別為V＝V_j(j＝1,2,...)的交流偏置信號(hào)，經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)，再經(jīng)過取樣電阻加在置于等離子體中的探針上，同時(shí)，計(jì)算機(jī)指令數(shù)據(jù)采集卡的差分模擬輸入端口采集取樣電阻上的電壓信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)換算成電流信號(hào)。

(b)計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)振幅交流偏置電壓V＝V_j(j＝1,2,...)下的探針電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到一次諧波振幅i_1ωj(j＝1,2,...)和二次諧波振幅i_2ωj(j＝1,2,...)并計(jì)算出它們的比值P_j＝i_1ωj/i_2ωj(j＝1,2,...)。

(c)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(P_j,V_j)(j＝1,2,...)用以T為變量的函數(shù)I₁(eV_j/T)/I₂(eV_j/T)進(jìn)行最小二乘法擬合(其中e是電子電量，I₁(eV_j/T)和I₂(eV_j/T)分別是eV_j/T的一階和二階虛宗量貝塞爾函數(shù))，輸出滿足最小二乘法擬合的T值T＝T_e，T_e即是準(zhǔn)確的電子溫度值。

(d)計(jì)算機(jī)利用V_j(j＝1,2,...)、i_1ωj(j＝1,2,...)和T_e數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得到n_j(j＝1,2,...)，式中A和M分別是探針表面積和離子質(zhì)量，I₀(eV_j/T_e)是eV_j/T_e的零階虛宗量貝塞爾函數(shù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(n_j,V_j)(j＝1,2,...)進(jìn)行線性擬合并延拓至V＝0，輸出擬合直線在V＝0的值n₀，n₀即是準(zhǔn)確的離子密度值。

本發(fā)明的有益效果是：

能夠診斷等離子體特別是絕緣沉積環(huán)境等離子體，自動(dòng)完成等離子體診斷過程，輸出準(zhǔn)確的電子溫度值和離子密度值。

附圖說明

圖1是利用本發(fā)明方法診斷等離子體的示意圖。

圖2是利用本發(fā)明方法得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)(P_j,V_j)(j＝1,2,...)并用函數(shù)I₁(eV_j/T)/I₂(eV_j/T)對(duì)其進(jìn)行最小二乘法擬合的結(jié)果，以及利用本發(fā)明方法得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)(n_j,V_j)(j＝1,2,...)并對(duì)其進(jìn)行線性擬合并延拓至V＝0的結(jié)果。

圖中：1探針；2氬等離子體；3計(jì)算機(jī)；4指令數(shù)據(jù)采集卡；5模擬輸出端口；6功率放大器；7取樣電阻；8差分模擬輸入端口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。

在圖1中，探針1是一個(gè)面積為0.15cm²的金屬絲，置于氬等離子體2中。計(jì)算機(jī)3指令數(shù)據(jù)采集卡4的模擬輸出端口5逐次產(chǎn)生振幅分別為V＝V_j(j＝1,2,...)的交流偏置信號(hào)，經(jīng)功率放大器6驅(qū)動(dòng)，再經(jīng)過取樣電阻7加在置于等離子體2中的探針1上，同時(shí)，計(jì)算機(jī)3指令數(shù)據(jù)采集卡4的差分模擬輸入端口8采集取樣電阻7上的電壓信號(hào)送入計(jì)算機(jī)3，由計(jì)算機(jī)3換算成電流信號(hào)。

圖2中，P_j＝i_1ωj/i_2ωj(j＝1,2,...)是計(jì)算機(jī)3對(duì)各個(gè)振幅交流偏置電壓V＝V_j(j＝1,2,...)下的探針電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析得到的一次諧波振幅i_1ωj(j＝1,2,...)和二次諧波振幅i_2ωj(j＝1,2,...)的比值。各P_j和對(duì)應(yīng)的V_j構(gòu)成數(shù)據(jù)點(diǎn)(P_j,V_j)(j＝1,2,...)用標(biāo)記“○”表示在圖中。

計(jì)算機(jī)3對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(P_j,V_j)(j＝1,2,...)用以T為變量的函數(shù)I₁(eV_j/T)/I₂(eV_j/T)進(jìn)行最小二乘法擬合(其中e是電子電量，I₁(eV_j/T)和I₂(eV_j/T)分別是eV_j/T的一階和二階虛宗量貝塞爾函數(shù))。當(dāng)T＝2.35eV時(shí)的函數(shù)I₁(eV_j/T)/I₂(eV_j/T)(圖2中的實(shí)曲線)滿足對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(P_j,V_j)(j＝1,2,...)的最小二乘法擬合，輸出T_e＝2.35eV為準(zhǔn)確的電子溫度值。

在圖2中，n_j(j＝1,2,...)是計(jì)算機(jī)利用V_j(j＝1,2,...)、i_1ωj(j＝1,2,...)數(shù)據(jù)和T_e＝2.35eV代入公式計(jì)算的結(jié)果(式中A＝0.15cm²是探針表面積和M＝6.68×10^-26kg是氬離子質(zhì)量)。各n_j和對(duì)應(yīng)的V_j構(gòu)成數(shù)據(jù)點(diǎn)(n_j,V_j)(j＝1,2,...)用標(biāo)記“Δ”表示在圖中。

計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)(n_j,V_j)(j＝1,2,...)進(jìn)行線性擬合并延拓至V＝0(圖2中虛直線)，擬合直線在V＝0的值n₀＝9.1×10⁹cm^-3，輸出n₀＝9.1×10⁹cm^-3為準(zhǔn)確的離子密度值。