文/侦影探长
编辑/侦影探长
前言射频放电是一种广泛应用于等离子体物理研究和工业应用的技术，在等离子体各种研究中，准确测量射频放电中的电磁场和等离子体特征对于理解等离子体物理过程以及改进等离子体应用具有关键意义。
为了实现对电磁场的高精度测量，磁通计作为一种重要的工具被引入到射频放电领域中，旨在提供一种高精度、高灵敏度的工具，用于测量射频放电中的磁场。
磁通计是一种基于磁感应原理的测量仪器，可以实时监测和记录磁场强度的变化。在射频放电实验中，磁通计的应用可以帮助研究人员准确地测量射频放电装置中的磁场分布。
通过获得磁场的精确数据，可以深入了解射频放电过程中等离子体的空间分布、电磁场的演化以及与等离子体相互作用的物理机制。
磁通计被广泛应用于电感射频放电实验中，通过将磁通计与其他传感器和监测设备结合使用，研究人员可以全面地了解射频放电装置的运行特性和性能。这种综合的研究方法为我们提供了更深入的理解，进一步推动了射频放电技术的发展和应用。
不断推动磁通计技术的创新与发展，能更好地理解和探索射频放电的物理本质，从而为等离子体物理研究和应用领域带来更多的机遇和突破。
用于发展流量计的等离子体反应器（见图1）是一个直径为36cm，高度为25cm的圆柱体。由一台分子泵（AdixenATH400M）和一台主泵（Edwards）组成的抽气系统可以达到约10^-4Pa的最低残余压力。
压力通过冷阴极皮拉尼真空计（AdixenACC2009）进行测量，所有实验都是在氩等离子体（氩流量为5sccm）中进行的。一台RF发生器（AdvancedEnergyCESAR1310）可以提供最大功率为1200W。功率通过匹配网络和RF天线传递到等离子体中。
图1.开发通量计的实验装置：GREMITCP反应堆
发生器具有脉冲模式，因此可以获得脉冲等离子体，重复频率可高达30kHz，占空比在10%至90%之间。在这个反应器中，使用了两种不同的诊断工具：流量计和圆柱形Langmuir探针。
圆柱形Langmuir探针被用于测量等离子体参数，这些参数对于估算由带电粒子引起的能量流密度是必需的。其中使用了商用智能探针进行Langmuir探针测量。
Langmuir探针测量的原理是通过对一个丝状电极施加正负电压，从而优先收集电子或离子。Langmuir探针有三种工作模式：
对于VVp：离子的能量太低，无法通过势垒，并且只有电子被收集，电流由电子的通量给出，即I=Ie；
当VVp：在这种情况下，电子被排斥，而离子被收集，此时探针的测得电流为I=ii（ii为离子电流）。
对于VfVVp，部分电子被推回，电流为I=Ie+Ii，对于V=Vf，收集的离子与收集的电子一样多。
用“智能探针”获得的典型电流-电压特性及其二阶导数如图2所示。等离子体参数由探针附带的软件自动计算。当二阶导数等于0时得到Vp。
图2.使用ScientificSystem的SmartProbeLangmuir传感器获得的典型电流-电压特性
Vf是电流为零的V的值。kTe的计算方法是将I=f(V)（介于Vp和Vf之间）的积分除以在V=Vp时取的电流值(Ip)。根据公式1，ne由Pi，Te和探针面积计算。
公式1
热电偶是流量计中非常敏感的部分，可能会受到过高能量、沉积物或杂质的影响而损坏。为了尽量避免损坏并在不同表面上进行测量，大多数情况下会将一块直径为6.89毫米、厚度约50微米的铜片粘贴在流量计的活动表面上。
在粘贴时，使用一种基于聚二甲基硅氧烷和金属氧化物（JELT硅凝胶复合物）的热导胶或粘合剂，其热导率为0.9^(-1)K^(-1)。
这种类型的热导胶在过去和当前被用作铜片与热流量计之间的热接触材料，并提高两个表面之间的热传导。此外，它还具有电绝缘特性，可以将极化基底固定在热流量计表面上。
当将铜片放置在HFM上并将薄膜沉积在铜片上时，入射流必须穿过这些不同的厚度，然后才能被热电堆收集，得以知道它们对所获得的通量密度值的影响。
HFM表面上这些不同层（沉积物和颗粒）的存在导致附加热阻（Rth，单位为）的出现，必须对其进行评估。在计算Rth时，应考虑沉积物的性质，沉积物的厚度和颗粒的厚度，以及膜与颗粒之间以及颗粒与HFM之间的界面。
膜的沉积被认为是一个原子一个原子地进行的，因此该界面的热阻非常低。在微丸和HFM之间，界面由热膏表示，热膏的耐热性已经给出。图3示出了用于计算Rth的不同层的示意图。
图3.用于热阻Rth估计的能量流测量系统示意图
热阻取决于材料的热导率和厚度e。它由等公式2给出。即：
公式2
因此，可以确定HFM（热流量计）上不同层的热阻值（参见图3）。这些结果列在表1中。
值得注意的是，所选择的材料与后续研究中将要研究的材料相对应。此外，铜的极低热导率可以通过这样一个事实来解释，即铜片经过了轧制，这显著降低了热导率λ的值。
表1.计算Rth所需的物理性质及其值。Rth的值是在大气压下给出的
与芯块厚度相同的铜样品的粘合导致基材表面和HFM表面之间的温差很小，即10-4K。因此上述假设得到了验证：HFM表面的温度和铜衬底表面的温度是相同的。还比较了用HFM测量的热流和用热阻值模拟获得的热流。
这表明，在10−5至10−1的Rth范围内，测得的热流不受影响。
由于确定的等效热阻仅在10-5的范围内，这表明铜片在HFM上的定位并不影响能流密度的测量。
此外，可以在Cu衬底的背面进行测量，所述Cu衬底上已经沉积了低热传导膜，例如TiO2或Al2O3。请注意，在沉积过程中进行的测量中，10µm的沉积厚度与典型的实际沉积厚度相比是高估的，以便获得最大的热阻值。
Vattel公司在热流量计的表面上涂覆了一层Zynolite薄膜，Zynolite是一种耐高温且吸收红外线的黑色涂层。热流量计的时间分辨率由制造商给出，该涂层时为300微秒，不使用涂层时为17微秒。
为了检验实现时间分辨测量的可能性，将流量计暴露于脉冲能源源。有两种情况，第一种是能源源是脉冲等离子体（描述于图1的反应器），第二种则是使用了一个连续脉冲的激光源。
使用Keithley2182纳伏特表进行采集，采集频率为0.5秒一次。该采集系统只能检测到频率小于2赫兹的现象，对于频率特征较高的现象，通过纳伏特表将得到一个在时间上平均化的值。
为了描述这些更快的现象，使用另一个采集系统。VHFM信号经过“SignalrecoveryModel5113Low-NoiseVoltagePreamplifier”放大器放大，并使用示波器进行测量（放大器-示波器测量系统）。
将流量计放置在所述的反应堆中心，测量是在1Pa的氩等离子体中进行的，功率为100W。等离子体在0-10kHz的频率范围内脉冲。对于每个频率，使用放大器-示波器测量系统测量VHFM信号，突出了以下问题：
对于相同的条件（频率，压力，恒定功率），用放大器或示波器采集系统获得的结果不可重复；对于所有频率，获得的电压信号是具有非常直的电压上升和下降的槽；信号上存在伪影（电压峰值），这肯定是由于电子采集系统造成的。
这些问题恰好能得出结论：用放大器-示波器系统获得的HFM电压信号受到RF源的严重干扰。所提供的解决方案（将采集系统从RF天线上移除，并暂停新的电缆屏蔽）都无法在良好的条件下进行测量。
来自RF源的扰动似乎发生在热电堆处，使得在存在RF源的情况下不可能进行时间分辨的能量传输测量。
图4.使用脉冲激光源的实验装置示意图
在第二步中，通过使用连续氩激光器（omnichrome543-MA-A02）作为能量源来消除RF源（见图4）。该激光器的最大功率为200mW，波长范围为457至517纳米。流量计位于激光器前面约40厘米处。
放置在激光器外壳和磁通计之间的机械斩波器允许周期性地切断光束，从而使源脉冲化。实验在真空（10-4Pa）下进行，流量计冷却。
在图5中，对于斩波器的五个旋转频率（200,400,800,1000和1200Hz），示出了用放大器-示波器测量系统获得的VHFM和斩波器信号在激光脉冲期间的变化。
图5.将通量计放置在连续氩激光器的前面，用斩波器斩波激光束
当激光束接触到热流量计时，我们观察到电压呈指数增加，直到达到一个平衡值Veq，大约是180微伏。当激光束被脉冲器阻挡时，这个电压会下降到初始值，大约是80微伏。
公式3
其中Voffset是起始电压，在本例中约等于80µV。V0是电压幅值，在本例中约为110µV。最后，t是系统的特征时间。
对图5中信号的研究表明，HFM对发送的激光信号有正确的响应。这是因为当激光束以200Hz的频率斩波时，Veq在1ms之后达到，而对于400,800,1000和1200Hz，该值似乎分别在0.75ms，0.6ms，0.4和约0.42s之后达到。
由于这些测量的目的是确定HFM的时间检测限，有必要确定一个选择标准。确定极限频率的标准是是否能够达到平衡电压系统的响应时间（tR）由信号在激光信号的半周期期间达到等于99%Veq的电压所需的时间来限定。
图5.将通量计放置在连续氩激光器的前面，用斩波器斩波激光束
对于200,400,800,1000和1200Hz，这些半周期分别等于2.5ms，1.25ms，0.625ms，0.5和0.42ms。至此可以看出，无论频率如何，都达到了99%的Veq电压，tR约等于300µs。
这与制造商Vatell的数据非常吻合，对于低于1.2kHz的频率，可以进行时间分辨的能量流密度测量。
在沉积过程中，将铜片粘在HFM上（以避免损坏它并研究实际表面上的能量转移）。有必要证明在这种类型的衬底的背面上可以进行时间分辨测量。
图5.将通量计放置在连续氩激光器的前面，用斩波器斩波激光束
图6在真空（10−6Pa）下获得的信号，在HFM上粘附铜基板的情况下，可以清楚地看出，在频率高于2赫兹的情况下，铜片会干扰与电压成正比的能流密度的测量。
事实上，一方面，对于5赫兹和10赫兹的频率，Veq约为315µV（参见图6(a)）从未达到，而且在相同的频率下，可以看到电压的幅度低于在2赫兹下获得的幅度，这反映了信号的损失。
为了了解球团和热膏引起的扰动的原因，可以利用Comsolmultiphysics软件对这些层中的传热进行了模拟。
图6.在2，5和10Hz的HFM端子处测量的电压和斩波信号与时间的关系
图6.在2，5和10Hz的HFM端子处测量的电压和斩波信号与时间的关系
模拟的原理是求解铜芯表面和HFM表面之间的热方程，施加与用于测量的氩激光功率相对应的200mW的方波信号作为热源。
因此，获得了HFM表面温度的时间变化，并在图7中示出了三个频率（1，2和10Hz）。这些信号的深度温度分布如图8所示。
图7.模拟Cu球团和HFM之间的温度与时间的关系。1，2和10赫兹的频率对应于热源（激光）信号的频率
对于1赫兹和2赫兹的频率，我们观察到在信号的半周期结束之前已经达到了一个在279.5到281.5摄氏度之间的平衡温度（参见图7（a）和（b））。这表明对于这些频率，铜片不会对测量结果产生影响。
相反，当信号源频率为10赫兹时，注意到频率太高，无法达到平衡温度，这表明铜片在这个频率下会干扰测量。
图7.模拟Cu球团和HFM之间的温度与时间的关系。1，2和10赫兹的频率对应于热源（激光）信号的频率
在2赫兹频率下出现的信号衰减，然后在10赫兹频率下明显可见的衰减，是由于热流在铜片厚度内传播时的延迟所导致的。
在实验信号上不可见这些衰减，是因为示波器的设置使其对多个周期进行平均。温度分布剖面反映了热量在各层（铜片、膏体和热流量计）中的传播，从而解释了测量过程中检测到的信号损失。
图8.所示信号在t=4s时的深度温度曲线
事实上，热量传播的深度在1赫兹频率下非常重要，而当频率增加时会急剧减少。当频率变得过高时，热量传播在各层中所需的时间相对于热源信号的周期来说太长。
当覆盖有铜片的热流量计在脉冲热源的作用下受到高于2赫兹频率的振荡时，它不能正确响应，这也就解释了这一现象。
图8.所示信号在t=4s时的深度温度曲线
在脉冲热源的作用下，可以测量高达1.2千赫兹频率的传输能量。此外，对于粘贴铜基底在HFM上的情况，热源频率必须小于2赫兹。
反面测量的限制因素是材料，铜被选择作为材料，因为它是良好的热导体。然而，用于测量的薄片是层压的，在很大程度上降低了其热导率。此外，薄片非常薄且使用冲压方式切割。因此，它们的平整度可能会影响薄片与HFM之间的热接触，从而影响能量传递。
图8.所示信号在t=4s时的深度温度曲线
结语磁通计的研制在电感射频放电研究中发挥了重要作用，通过应用，取得了一系列显著的成果和发现。磁通计实现了对电磁场变化的高精度测量，为射频放电实验提供了可靠的数据支持。
磁通计的使用，能够在电感射频放电实验中精确地测量了磁场分布，深入了解了等离子体的空间特性和电磁场的演变规律。这为理解射频放电过程中的物理现象、优化等离子体应用以及改进射频放电技术提供重要参考。
随着磁通计技术的不断改进和创新，进一步深入探索射频放电的复杂性和特性，以便为射频放电技术带来更多的进步和突破。通过将磁通计与其他监测设备相结合，可以实现更全面和准确的射频放电数据分析，提供更详细的结果和洞察。
最大程度的地理解和利用磁通计在电感射频放电技术上的应用，可以推动等离子体物理的应用发展，为建设更加可持续、高效和先进的射频放电系统提供支持。
