静电探针测量射频耦合等离子体的抗干扰方法

　　0　引言

　　静电探针又称Langmuir探针,因其测量方法简单、实用而广泛应用于等离子体诊断领域。等离子体中的电子温度、电子密度、离子密度等参数,在等离子体技术研究和应用中起着至关重要的作用,而静电探针是对等离子体进行诊断,进而获取这些参数的重要工具。随着新型等离子体源的不断出现,在探针的工作环境中,经常存在电场、磁场、射频、群脉冲等多种干扰因素,为了准确获取等离子体参数,解决探针在各种工况下的干扰问题已成了首要的前提。本文根据静电探针测量仪用于射频耦合等离子体参数测量的环境,详细分析了干扰产生的原因、耦合的途径,针对性地进行了抗干扰措施的设计与实现。

　　1　实验系统介绍

　　射频耦合等离子体的发生装置由电感线圈、真空反应室、机械泵、流量计、射频电源、匹配器组成,由本实验室自主研发的静电探针测量仪(下文简称测量仪)就接在双探针处,如图1所示。

　　测量仪设计采用整体对地悬浮的双探针法进行测量,通过在双探针间加锯齿波扫描电压并采集相应扫描电压下流过探针的电流,然后将采集的数据通过RS-232接口发送到PC机软件进行处理,最后描绘出双探针的I-V特性曲线。双探针法可以有效避免等离子体空间电位的变化对等离子体电子温度测量的影响,提高等离子体电子温度测量的准确度。

　　2　干扰源及其耦合路径分析

　　用双探针进行等离子体诊断时,在实际的测量环境中往往存在着大量干扰源,而流过探针的电流极其微弱,其饱和电流仅为μA量级。如图1所示的实验设备系统中,射频电源、电感线圈、机械泵、交流电源等都是干扰源,通过信号传输线、电磁感应和辐射、电源线等耦合通道对测量仪进行干扰,这些干扰产生的噪声很容易将微弱的探针电流信号淹没。

　　2.1　射频干扰

　　在射频感应耦合等离子体中,等离子体由于射频电源的作用处于一个剧烈变化的电磁环境中,使得采用探针进行等离子体诊断变得非常困难。图2为双探针测量射频等离子体的等效电路,由于双探针的对称性,只画出一路探针的等效电路图。P代表等离子体,Csh为鞘层电容,Rsh为与探针伏安特性有关的非线性电阻,RF表示13. 56MHz的射频信号,A表示探针, Cc为探针信号线对地的分布电容,Rf为测量探针电流的取样电阻。

　　测量仪由于其比较大的对地分布电容而很难实现真正的悬浮,若不采取措施,射频干扰信号将通过测量仪对地的分布电容耦合进来。

　　13.56MHz基频射频信号及其高次谐波产生的电磁场还将通过空间辐射的形式向外传播。通常射频功率较大,产生的电磁能量会导致现场的测量仪和PC机都不能正常工作,故必须采用相应的抗干扰措施。