等离子体参数校准方法与流程

1.本发明涉及一种等离子体参数校准方法。


背景技术：

2.随着真空环境下的等离子体发生器在微纳卫星微机电系统(mems)刻蚀加工、空间等离子体环境模拟试验、等离子体电推进等国防科技工业领域内得到广泛应用，上述型号任务的研制、生产、试验均需要对等离子体参数加以准确测量与控制。并且在航天器研制过程中，随着卫星各仪表分辨率和精密度的不断提高，各个元器件对污染愈加敏感，电推进系统等离子体羽流问题的研究对于飞行器的设计也是不可缺少的。尤其是在航天器电推进系统大量应用的情况下，等离子体羽流的测量将对电推进系统设计以及星载设备羽流污染的防护起指导作用。等离子体密度和温度等特征参数是等离子体应用过程中最终要的考核指标，等离子体特征参数的测量准确性是其广泛应用的前提。为此，不论是校准等离子体源还是等离子体测量系统，均需要对等离子体测量进行校准。
3.现有技术中，最常用的等离子体参数的测量方法是接触式的静电探针法和非接触式的发射光谱法，由于等离子体参数的复杂性，上述两种测量方法均为间接测量手段，测量过程误差大，不确定度高，缺少溯源性。为此，常用的方式是通过单种测量方法重复测量或者不同测量方法互相对比验证的方式。可见，在实际测量过程中，通常通过探针和光谱或者探针和微波等两种或多种不同原理测量方法对比的方式进行验证，但是尚未针对真空环境下的等离子体发生器开展过相关的校准技术研究。并且，尚未有技术提出对等离子体参数的测量过程进行量值溯源以及标准化研究，因此对等离子体特性参数的量值准确性无法保证及科学溯源。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种等离子体参数校准方法。
5.为实现上述发明目的，本发明提供一种等离子体参数校准方法，对象是等离子体发生器产生的等离子体和测量等离子体的测量系统，包括以下步骤：
6.a、构建等离子体参数测量溯源的最高测量标准,将最高测量标准溯源至电学、光学标准装置；
7.b、利用最高测量标准校准等离子体测量装置，实现等离子体测量装置的校准溯源；
8.c、利用最高测量标准校准次高测量标准，利用校准后的次高测量标准对等离子体发生器进行现场校准。
9.根据本发明的一个方面，在所述步骤(a)中，构建最高测量标准所用的测量标准设备包括标准等离子体源、标准langmuir探针系统和标准发射光谱测量系统。
10.根据本发明的一个方面，langmuir探针系统整体经过国际比对，电测部分经过高精度电学标准校准溯源，发射光谱测量系统经过高精度光学标准校准溯源。
11.根据本发明的一个方面，利用langmuir探针系统对等离子体源进行测量，将测量结果与国际实验室间对稳定等离子体源测量结果进行比对分析，利用高精度电学标准以及比对分析结果对langmuir探针系统进行参数校准；
12.利用发射光谱测量系统对等离子体源进行测量，将测量结果与nist标准谱线进行比对分析，利用标准光源和光衰减器标准装置以及比对分析结果对所述发射光谱测量系统进行参数校准。
13.根据本发明的一个方面，利用经过参数校准的langmuir探针系统和发射光谱测量系统对标准的等离子体源进行测量；
14.对langmuir探针系统和发射光谱测量系统的测量结果进行比对分析，得到最高测量标准。
15.根据本发明的一个方面，在利用发射光谱测量系统测量的过程中，
16.设计适用于非平衡态等离子体测量的光谱分析方法，针对不同的等离子体体系选择分析模型，通过阿贝变换实现发射光谱空间分辨率测量，通过光路优化直接建立具有空间分辨率的发射光谱测量算法。
17.根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，对测量设备进行参数校准，利用经过参数校准后的测量设备对等离子体源进行测量，测量结果为次高测量标准；
18.经过参数校准后的测量设备为次高等离子体发生器校准用标准装置。
19.根据本发明的一个方面，利用次高等离子体标准装置对现场测量设备进行参数校准；
20.利用经过参数校准的现场测量设备对等离子体发生器进行现场测量，并根据测量结果，利用次高测量标准对等离子体发生器进行现场校准。
21.根据本发明的一个方面，等离子体源为icp等离子体源和微波ecr等离子体源结合的等离子体。
22.根据本发明的一个方面，建立等离子体发生器标准装置生成等离子体源。
23.根据本发明的构思，首先构建实验室最高测量标准，然后利用最高测量标准构建次高测量标准。最终，利用次高测量标准在现场对等离子体发生器进行校准。由此，保证了真空下等离子体发生器等离子体参数的量值准确。
24.根据本发明的一个方案，采用经过国际比对的标准探针和经过现场标定的高精度光谱仪作为标准仪器，保证了接触式静电探针测量设备和非接触式发射光谱测量设备的量值准确性。
25.根据本发明的一个方案，采用高稳定icp等离子体源和微波ecr等离子体源作为校准源，保证了等离子体发生器的稳定性、重复性和可调节性。
26.根据本发明的一个方案，在建立最高测量标准时，利用探针系统和光谱系统的测量结果进行比对验证，进而获得最高测量标准。
附图说明
27.图1示意性表示本发明的一种实施方式的等离子体参数校准方法校准量值溯源示意图。
具体实施方式
28.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
31.参见图1示出的真空下等离子体发生器校准量值溯源图，本发明的等离子体参数校准方法，首先构建等离子体参数测量溯源的最高测量标准,将所构建的标准溯源至电学、光学标准装置，然后利用最高测量标准校准等离子体测量装置，实现等离子体测量装置的校准溯源，最后利用最高测量标准校准次高测量标准，再利用校准后的次高测量标准对等离子体发生器进行现场校准。从而保证了真空下等离子体发生器等离子体参数的量值准确，解决了等离子体参数难以复现的问题，以及多种类型等离子体发生器和等离子体测量装置的现场校准难题，保证实验室等离子体参数最高测量标准的量值溯源。
32.本发明中，对等离子体发生器测量的测量设备包括langmuir探针系统和发射光谱测量系统。在构建实验室最高测量标准时，需要用到精度最高的标准设备对等离子体源进行测量，从而获得最优的标准。因此，本发明先对langmuir探针系统整体进行国际比对，电测部分经过高精度电学标准校准溯源；并对发射光谱测量系统进行高精度光学标准校准溯源，形成标准探针和高精度光谱仪，以之作为标准仪器(即标准langmuir探针系统和标准发射光谱测量系统)，保证了接触式静电探针测量设备和非接触式发射光谱测量设备的量值准确性。另外，为了产生高稳定的标准等离子体源作为校准源，可以先建立等离子体发生器标准装置。本发明所用的等离子体源为高稳定icp等离子体源和微波ecr等离子体源结合的标准等离子体源。这样，稳定的icp和微波ecr等离子体源相结合的方法可以产生稳定可调、种类可变的等离子体作为校准源。icp发生器标准源特别适合射频放电等离子体的稳定输出，微波ecr发生器标准源则在直流、微波等离子体输出方面性能较为优异，所以这两种源的应用可最大包络的覆盖等离子体种类。同时，这种等离子体源还具备稳定、特性研究已获得清晰明确结果的特点。
33.langmuir探针系统主要由电源和探针组成，而发射光谱测量系统则主要由光源和光衰减器组成。为了保证这两个测量设备自身的溯源性，本发明还利用标准装置对测量设备的组成仪器进行参数校准。具体的，如图1所示，利用高精度的数字多用表检定装置(即高精度电学标准装置)对langmuir探针系统的电源的仪器进行校准，并利用标准光源和光衰减器标准装置对发射光谱测量系统中的仪器进行参数校准。此外，由上述可知，除了利用溯源标准对测量设备进行校准，本发明相当于对探针和光谱系统还进行了国际比对和现场标定。具体的，为了满足工程化应用，利用langmuir探针系统对等离子体特性参数测量装置在
符合相关假设和边界条件下的稳定等离子体源下进行测量，再将测量结果与国际实验室间对稳定等离子体源测量结果进行比对分析，结合比对分析结果和高精度电学标准对探针进行参数校准，来保证探针系统自身的溯源性，以建立高准确度等级的langmuir探针系统。为了建立高准确度等级的发射光谱测量系统，在保证光谱分析系统自身光学特性的精确校准下，应用合理的发射光谱分析技术、提升发射光谱分辨率实现对等离子体发生器特性参数的测量，并将测量结果与nist标准谱线进行比对分析，验证理论的准确性。可见，本发明完成了对测量设备的参数校准，从而保证最高测量标准的准确性。这样通过高精度电学标准实现对等离子标准探针系统及等离子体发生器电测仪器进行电学参数校准的方式，也保证了电测仪器量值准确可靠。
34.随后利用参数校准的langmuir探针系统和发射光谱测量系统对标准的等离子体源进行测量，其测量结果即可作为最高测量标准。为了进一步保证最高测量标准的准确，本发明还对langmuir探针系统和发射光谱测量系统的测量结果(即探针测量结果和光谱测量结果)进行比对分析验证，得到最高测量标准。在比对分析的过程中，可以采用去除测量结果异常大异常小的值后求取平均值等方式来获得最高测量标准。由此可见，本发明综合分析接触式静电探针测量设备和非接触式发射光谱测量设备的量值准确性，实现对于等离子体参数的工程化溯源研究。并且，也保证了等离子体测量的量值准确和实验室等离子体参数最高测量标准的量值溯源。
35.本发明中，在利用发射光谱测量系统测量的过程中，需要建立高准确度等级的发生光谱测量系统的算法。该算法通过对原子分子光谱结构以及等离子体基础理论进行深入的研究，对传统光谱分析方法进行适当的修正，扩展分析方法的适用范围。具体的，设计适用于非平衡态等离子体测量的光谱分析方法。针对不同的等离子体体系选择合适的分析模型，以提高分析结果的可靠性和准确性。并通过阿贝变换实现发射光谱空间分辨率测量，以及通过光路优化直接建立具有空间分辨率的发射光谱测量算法。
36.随后即可利用最高测量标准完成次高测量标准的构建。在次高测量标准的构建过程中，利用的测量设备与上述相同，但是精度较低。具体而言，需要先利用最高测量标准和高精度电学标准共同对测量设备的组成仪器进行参数校准。然后利用经过参数校准后的测量设备对等离子体源进行测量，测量结果则为次高测量标准。而上述经过参数校准后的测量设备的各组成仪器的参数即为次高等离子体校准标准。由此可知，实际上次高级别的测量设备即可完成次高测量标准的构建，但是本发明又利用最高测量标准对次高测量标准进行了校准(也包含了总体校准及其电测仪器或系统的校准)，从而保证了次高测量标准的量值准确。而最高测量标准也是由标准电学设备所建立，因此，本发明对次高测量标准的校准也结合到了标准电学设备。经过参数校准后的测量设备为次高等离子体发生器校准用标准装置。
37.按照上述所建立且经过校准的次高测量标准的要求低于最高测量标准，因此可适用于现场校准工作。在现场校准的过程中，所利用的现场测量设备与上述测量设备相同，但是由于是工业级水平，因此精度低于上述实验室级的设备。所以，需要先利用次高等离子体标准装置对现场测量设备的组成仪器进行参数校准。经过参数校准后，即可利用现场测量设备对等离子体发生器进行现场测量。由于未经校准的等离子体发生器的特性参数均为理论计算值，因此需要将测量结果与次高测量标准进行比对，并据此来调整等离子体发生器
相应的理论参数，从而完成了现场校准。在此过程中，可在上述两种测量设备中选择其一进行测量。例如，在本实施方式中，选择langmuir探针组系统作为等离子体发生器的现场测量设备。校准时，在被校准等离子体发生器产生的等离子体环境中，以上述经过次高测量标准校准过的langmuir探针组系统的测量结果作为现场测量标准，从而实现对等离子体发生器的校准。在本方法中，现场测量设备可通过构建最高测量标准时建立的等离子体发生器标准装置实现溯源。实际上，这一过程也是间接地完成了现场测量结果与实验室最高测量标准的比对。
38.综上所述，本发明的校准方法利用实验室最高测量标准和次高测量标准现场校准相结合联动校准的方法对真空下等离子发生器开展校准工作，从而确保真空下等离子体发生器的量值准确。可应用于等离子体发生器研制、测试和应用阶段的等离子体参数的量值保证，可服务于等离子体发生器的量值溯源工作。可为等离子体发生器的校准工作提供理论支持，并为其提供溯源渠道。同时，又有助于完善国防科技工业集成电路产业关键设备的计量保障体系，还可解决电弧、霍尔电推进系统等离子体特性参数的溯源问题，可直接服务于航天、军事、工业等等离子体应用领域中。
39.以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。