【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于等离子体特征参数测量领域，具体是一种适用于等离子体振荡特性测量的光学双探针系统装置。
技术介绍
1、近年来，低温等离子体技术快速发展，关于低温等离子体的相关研究愈加广泛。作为一种非热平衡的导电气体，低温等离子体具有较低的电离率,丰富的化学环境以及较高的能流密度，为低温下的化学反应提供了可能性，具有无污染、无废弃物、成本低等优点，被广泛应用于薄膜的沉积、聚合，化工冶金应用，微电子应用以及航天动力等各类涉及重大民生问题的领域中。
2、在低温等离子体放电装置中，等离子体流场参数往往由于内部(物理参数梯度、电荷分布不均等)或外部(电源输入、流量波动等)的原因产生放电振荡。这些振荡在等离子体放电中往往具有重要意义。以霍尔推力器为例，放电通道内等离子体受到磁场约束，电子往往需要依赖等离子体的波动形成跨磁场输运，才能到达阳极形成放电电流。此外，霍尔推力器中的低频呼吸振荡则极大程度的影响了推力器的性能和可靠性。由此可见，等离子体振荡是决定等离子体电离、输运过程的关键因素，获得其特性对于掌握等离子体放电规律、优化放电效率十分必要。
3、然而，当下工程、学术界获取等离子体波动参数的手段十分有限。目前常用的方法是将朗缪尔双探针置于等离子体中，朗缪尔双探针一般由钨丝、陶瓷管组成，通过分析探针上的电压信号反推等离子体密度、温度等参数的波动特性。该方法尽管能在一定程度上获得等离子体波动特性，但是需要探针侵入等离子体流场，由此带来以下两个问题：一方面探针在高温等离子体环境中容易受到侵蚀破坏，另一方面探针也会破坏等离子体本
4、考虑到等离子体具有丰富的光学特性，因此可以针对等离子体开发非接触式光探针诊断技术，以实现对流场的非接触、无扰动、瞬态检测。该方法能够在不干扰流场的前提下实现动态瞬时测量，是实现流场诊断的重要手段，恰好满足对等离子体波动特性测量的需求。综上所述，为获取更高精度的等离子体波动特性，实现不同等离子体环境下对等离子体特征参数的捕捉，开发用于测量等离子体波动特性的光探针系统十分必要。
5、现有诊断等离子体波动的手段为双离子饱和探针系统。该系统由探针、偏置电源、数据采集系统组成。其中探针一般由陶瓷绝缘外套和耐烧蚀金属丝(一般为钨丝)组成，两根探针伸入等离子体中，收集等离子体电流。偏置电源为金属丝提供负偏置电压(大约30v)，使得金属丝可以吸收饱和的离子电流。探针和偏置电源之间通过电阻连接，数据采集装置(一般为示波器)通过测量电阻两侧的电压采集信号。
6、原则上，探针收集的电流和等离子体密度成正比，即isat∝ni，因此可以将离子饱和电流的波动和等离子体波动，即其中，上波浪线代表波动量，上横线代表平均值。由于霍尔推力器放电中等离子体波动具有三维特性，因此为了获取电推力器轴向、径向和周向的等离子体波动时空特性，需要相应的将双探针沿着不同方向放置，依次获得两个位置的电流信号。
7、获取两个探针的电流信号后，我们可以通过检验两个离子饱和探针上电流信号的相关性来获得色散关系。在知晓两根探针的间距为δx时，使用傅里叶变换分析来判断在探针连线方向是否存在与振荡频率ω有联系的波数k，即：
8、
9、上式中，和分别为探针信号的傅里叶变换以及其复共轭。isat1,2分别为探针1和2上的饱和离子电流。通过上述分析，我们就可以获得测量方向上波动能谱图，从而判断波动模式，确定不同模式下的主频、波长以及波速等关键波动参数。
10、对于现有的测量等离子体波动的接触式金属探针，主要存在以下缺陷：
11、1.接触式探针由探针、偏置电源、数据采集系统组成。其中探针一般由陶瓷绝缘外套和耐烧蚀金属丝(一般为钨丝)组成，为了获取等离子体参数，需要两根探针伸入等离子体中，收集等离子体电流。然而金属探针的侵入必然会影响等离子体流场的分布，造成测量得到的结果失真。
12、2.金属探针在使用过程中，会受到等离子体中高能粒子的轰击而被破坏，尤其是当探针深入等离子体密度较高的电离区时，往往会被烧红，甚至结构被破坏。因此接触式双探针难以测量高密度等离子体电离区，测量空间有限。
13、3.金属探针测量得到的电信号需要通过线缆传导，然而双探针中钨丝与等离子体的接触面积小(钨丝半径一般小于0.3mm，长度约为几个厘米)，因此得到的电流信号很小(为10-5a量级)，极易受到电磁环境的干扰。
技术实现思路
1、传统接触式探针结构相对简单，在等离子体物理中有悠久和广泛的应用，同时也能够给出定性的结论。因此对于波动的测量更事实上，非接触诊断方法对于光路的搭建要求较高，需要在真空仓等等离子体发生环境中搭建光路，随着光学元件(如透镜组、光纤支架等)标准化的发展，搭建光路逐渐变得简易可行，同时又提升了精度。
2、对于等离子体波动特性的关注直到近几年才开始，而早些年的非接触诊断更关注等离子体的稳态特性，因此将非接触式光学诊断手段和等离子体波动现象相结合的想法没有及时得到发展。同时近些年来随着谱线绝对辐射强度理论的发展，为将光强与等离子体特征参数联系起来奠定了理论基础。
3、本专利技术的目的是：1、设计等离子体光学探针系统，实现等离子体某一点或某条线上光强的实时测量。提出非接触测量方案，解决接触式双探针容易改变等离子体流场、易被侵蚀以及易受到电磁感染的缺陷；2、开发等离子体光学双探针，通过调节透镜组和光纤准直镜来确定两光学探针测试位置，实现等离子体波动特性的测量。结合碰撞-辐射模型将光强信号与等离子体特征参数联系起来，获取等离子体波动特性。
4、为了实现在不破坏当地等离子体流场状态的情况下得到等离子体波动特性，延长等离子体探针寿命，本专利技术提出一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，该系统主要包括等离子体源(如离子推力器、霍尔推力器)、两个透镜组、光纤系统以及光电转换系统。
5、其中，等离子体源一般在放电腔体或放电通道形成等离子体，等离子体在电磁场作用下加速喷出，是被诊断的对象。等离子体源一般通过角铁固定在真空仓内；透镜组由滤波片和选定焦距的两组凸透镜组成。其中被测量的两点分别位于两个透镜组焦点处，其所对应点处等离子体发出的光被透镜组采集并转化为线光，光通过滤波片后，特定波长的光进入光纤系统。滤波片的作用是过滤杂散光。透镜组装置通过采取光强信号代替了传统探针采取电信号的方式，由于通过选取不同透镜组焦距可以实现透镜组远离等离子体环境，从而克服了传统朗缪尔双探针破坏当地等离子体流场、已被侵蚀的缺陷。
6、透镜组采集的光强信号通过光纤传导至光电转换系统。
7、光纤系统由光纤支架、光纤组成，如果等离子体在真空仓等密闭空间内发生，则还需要穿仓法兰进行仓内外的连接。光纤系统传导光信号不易受到空间电磁波的干扰，从而克服了传统朗缪尔双探针已被外界电磁信号干扰的缺陷。
【技术保护点】
1.一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：该系统包括等离子体源、两个透镜组、光纤系统以及光电转换系统；其中，等离子体源在放电腔体或放电通道形成等离子体，等离子体在电磁场作用下加速喷出，是被诊断的对象；等离子体源通过角铁固定在真空仓内；透镜组由滤波片和选定焦距的两组凸透镜组成；其中被测量的两点分别位于两个透镜组焦点处，所对应点处等离子体发出的光被透镜组采集并转化为线光，光通过滤波片后，特定波长的光进入光纤系统；滤波片的作用是过滤杂散光；透镜组装置通过采取光强信号代替了传统探针采取电信号的方式。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：等离子体源包括离子推力器和霍尔推力器。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：透镜组采集的光强信号通过光纤传导至光电转换系统。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：光纤系统由光纤支架、光纤组成，如果等离子体在真空仓密闭空间内发生，还需要穿仓法兰进行仓内外的连接。
6.一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统的实现方法，其特征在于，包括步骤如下：
7.根据权利要求6所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统的实现方法，其特征在于：在步骤1中，移动平台实现透镜组在三个方向上的移动，通过对透镜位置进行粗调，使得被测量的两个空间点分别位于两个透镜组3焦点处，后续或者通过三维平台的移动来更改测点位置。
8.根据权利要求6所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统的实现方法，其特征在于：在步骤2中，将仓外光纤从光电倍增管解下，并接在用于校准的激光器上；仓内在测点处放置菲林标定板用于标定焦点位置，移开滤波片；打开激光器后，激光经过光纤、透镜组后，打在菲林标定板上，调节放置透镜组的移动平台，使得两个测点的光斑最小，由此确定透镜组的焦点位于初始测点处。
9.根据权利要求6所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统的实现方法，其特征在于：在步骤3中，霍尔推力器运行后，测点处等离子体发出的光被透镜组集并转化为线光，经由滤波片，波长为832.1nm的光进入光纤系统；透镜组采集的光强信号通过光纤传导至光电倍增管和示波器；光电倍增管将光纤传播的光信号转化为电信号，电信号通过示波器进行记录和显示。
10.根据权利要求6所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统的实现方法，其特征在于：在步骤4中，选取832.1nm的情况下，近似将等离子体光强的波动等效为电子密度的波动；对于获取的信号，采用对波动信号的处理方法获取波动信息，对光强信号采用快速傅里叶变换处理。
...【技术特征摘要】
1.一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：该系统包括等离子体源、两个透镜组、光纤系统以及光电转换系统；其中，等离子体源在放电腔体或放电通道形成等离子体，等离子体在电磁场作用下加速喷出，是被诊断的对象；等离子体源通过角铁固定在真空仓内；透镜组由滤波片和选定焦距的两组凸透镜组成；其中被测量的两点分别位于两个透镜组焦点处，所对应点处等离子体发出的光被透镜组采集并转化为线光，光通过滤波片后，特定波长的光进入光纤系统；滤波片的作用是过滤杂散光；透镜组装置通过采取光强信号代替了传统探针采取电信号的方式。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：等离子体源包括离子推力器和霍尔推力器。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：透镜组采集的光强信号通过光纤传导至光电转换系统。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：光纤系统由光纤支架、光纤组成，如果等离子体在真空仓密闭空间内发生，还需要穿仓法兰进行仓内外的连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统，其特征在于：光电转换系统由光电倍增管pmt和示波器组成；光电倍增管将光纤传播的光信号转化为电信号，电信号通过示波器进行记录和显示；光电转换系统的存在实现了光强信号的动态采集。
6.一种用于测量等离子体振荡特性的光学探针系统的实现方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：王伟宗，刘伟，李沛然，王骥勤，李亦非，柳然，孔维一，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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