摘 要：ECR等离子源主要由电源系统、抽气系统、供气系统、 真空室等设备组成，对于研究型设备，还包括测控部分。传统的测控系统对系统设备大多采 用单台测控，人工调节，这样系统效率比较低。该文采用模拟开关切换8路静电探针得到不 同位置的等离子体参数，经电荷放大器对弱信号进行放大后显示。该方法在实际使用中取得 了较好的效果。
关键词：电荷放大器；ECR等离子源；静电探针
An automatIC monitoringmeasurement system with a static probe for the ECR plasma source
PENG Huijun,CHENG Jian,LV Xin
(Automation Dept.of USTC,Anhui Hefei 230027,China)
Abstract：ECR plasma source consists of eleCTR ical soure,deflation system,air feed system,electron tube etc.For study purpose, I t also includes a measurement & control system.The conventional measurement & co ntrol system are used to take single control to the system eQUIPment,which is ad justable manually.It makes the system inefficient.This paper proposes a method o f automatic measurement & control for the system,using analog switches to transf er several analog signals with a charge amplifier to magnify weak signals.This m ethod is very effective in practice.
Keywords：charge amplifier;ECR plasma source;langmuir probe
0引言
随着现代社会的发展和科技的进步，低温等离子体的应用研究领域在不断的 拓展，研究开发的层次在不断的提高。而与其紧密相连的测控技术也在不断的提高。静电探 针(又称朗缪尔探针)是最早用来测量等离子体特性参数的一种诊断工具。在简单的条件下， 可以对探针的伏安特性作出简明的解释，而且可以根据其伏安特性算出等离子体电子温度、 密度和空间电位等重要参数。该系统采用双探针法进行测量，由两个表面积相近的探针所组 成。工作电压加在两探针之间，但它们整体地悬浮着，测量两个探针之间的工作电流随电压 的变化，就可以得到双探针的伏安特性曲线［1］。
1监测系统概述
系统采用PLC控制器对现场设备进行控制。系统一共采用了8路静电探 针来测量等离子源参数，但只是在需要的时候测量，因此系统用8路继电器进行切换。工作 时，用户操作上位机软件选择需要测量位置所对应的探针，PLC输出锯齿波，经隔离放大之 后为探针提供±50 V的工作电压，同时电荷放大器对探针测得的微弱模拟信号进行放大，经 隔离后输入PLC进而在上位机上显示。流程如图1所示。
2系统实现
2.1模拟量切换模块
系统采用CD4028译码器，该译码器是BCD－Decimal译码。引脚功能如图2 。A是低位，D是高位，BCD码排序为：DCBA。由于系统只有8路模拟量，只需低3位即可， 所以将D接低电平。工作时，PLC输出3路信号到译码端，译码后相应的输出端为高电平，以 此来驱动相应的继电器接通所需测量位置的探针。
2.2静电探针测量部分
系统采用西门子S7－200系列的PLC控制器，该PLC的输入输出模拟量一般没 有考虑 电气隔离的问题，静电探针的工作电压为±50 V，一般采用悬浮的工作方式；而磁场电源一 般属于强电，因此模拟量的输入输出必须考虑电气隔离的问题。静电探针的工作电压为±50 V锯齿波，PLC的输出模拟量最大只能提供±5 V的输出电压，因此在隔离的基础上还需要放 大。该等离子体源属于低温等离子体，不同测量位置的等离子体密度跨度范围大。静电探针 的输出电流较小，只有nA～μA量级，为达到A／D转换满量程10 mA的要求，亦需要进行 信号放大。
2.2.1输入端的隔离放大模块
输入端的隔离采用ISO124芯片，该芯片具有耐压高、精度高、使用简便的特点，但是只能进 行隔离不能放大。引脚功能如图3所示。该芯片需要输入端和输出端两套电源，均采用±15 V电压。两套电源是相互隔离的。PLC输出±5 V锯齿波经ISO124隔离后还要进行放大，笔者 采用的运放是PA81J，该运放具有耐压高、偏置电流小、输出电压范围大的优点，引脚功能 如图4，工作电压为±60 V，连线示意图如图5，其中R2／R1=10，这样就把PLC输出的±5 V 锯齿波放大为±50 V的锯齿波。
2.2.2弱信号电荷放大模块
为了能够在上位机上观测探针信号，还必须要把探针的模拟信号输入 PLC，经PLC采 样后显示在上位机上。然而，前面已经介绍过，ECR等离子源是低温等离子体，密度跨度非 常大，因而探针上的电流非常小，甚至达到nA级，为了使信号能够达到可以观测的幅度，必 须进行信号放大，在此采用了扬州泰司电子有限公司生产的电荷放大器TS5851，电荷放大器 是一个具有深度容性负反馈的高增益运算放大器，其输出电压与输入的电荷成正比，电路 模型如图6。
这样用电荷放大器把弱信号积分放大，输入PLC采样后在上位机显示出来。
2.2.3输出端的隔离模块
从图1的流程图可以看出，静电探针所测的等离子参数经电荷放大器放大后还需经 隔离放大才能输入PLC，输出端采用的隔离芯片是南京托肯公司生产的隔离放大器3515， 该芯片是利用直流调制技术研制而成的新一代隔离放大器，具有真正三端口隔离的特点，耐 压4 kV以上。
探针探测的模拟信号经输出端隔离后输入PLC中，然后上位机软件对PLC的相关端口采样并 绘制出曲线就可以得到等离子源相关参数的变化曲线，再根据相关公式计算出等离子源的参 数。图7是静电探针扫描得到的曲线之一。
3总结
该测控系统利用静电探针自动测量多路等离子源参数，利用电荷放大器对弱 电信号进行放大。在上位机进行操作，通过PLC实现对整个ECR等离子源系统的监测，使得系 统的自动化程度和稳定性都有了很大的提高，该系统经实验室调试，取得了比较好的使用效 果。
参考文献
［1］项志遴，俞昌旋.高温等离子体诊断技术［M］.上海：上海科 学技术出版社，1982.
［2］戴伏生.基础电子电路设计与实践［M］.北京：国防工业出版社，2002.
