本研究的主要目标是使不熟悉朗缪尔探针和发射探针的研究团队能够更便捷地将其用于等离子体诊断，特别是在等离子体边界附近。我们通过演示如何利用 readily available 的材料和耗材构建这些探针来实现这一目标。
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方法文章
构建朗缪尔探针和发射探针用于低气压低温等离子体中的等离子体电势测量
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
自20世纪20年代初Langmuir发明以来，朗缪尔探针（Langmuir probes）长期以来一直是实验等离子体物理研究中的主要诊断工具，用于测量粒子流（即电子和离子流）及其局部空间浓度、电子温度以及静电等离子体电势。发射探针（emissive probes）则用于测量等离子体电势。本文展示的实验方案旨在说明如何在真空室中构建此类探针，以用于约束并维持等离子体放电。该过程涉及真空技术，用于制造一种本质上可旋转和可平移的电学引线装置。当然，完整的朗缪尔探针系统可以购买获得，但用户也可自行搭建，从而显著节省成本，并能更直接地根据特定实验需求进行适配。我们描述了朗缪尔探针和发射探针在测绘从等离子体主体到等离子体边界鞘层区域静电电势分布中的应用。在这些实验中 ，该边界由浸没于等离子体中的负偏压电极形成，以便比较这两种诊断技术，并评估其各自的优缺点。尽管朗缪尔探针在精确测量等离子体密度和电子温度方面具有优势，但发射探针在整个等离子体区域（直至并包括鞘层区域）对静电等离子体电势的测量更为准确。
引言
自20世纪20年代朗缪尔发现等离子体这一物质新态具有类似介质的行为以来，在等离子体物理研究的这第一个世纪中，朗缪尔探针已被证明是等离子体参数最重要的单一诊断工具。这在一定程度上归因于其极宽的适用范围1。无论是在卫星探测到的等离子体2,3,4、半导体加工实验5,6,7,8、托卡马克装置中受限等离子体的边缘区域9,10,11，还是在广泛的等离子体基础物理实验中，朗缪尔探针均已被用于测量等离子体密度和温度，其测量范围分别为108≤ne≤1019m-3和10-3≤Te≤....
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方案
1. 制作可装入真空室的兰米尔探针和发射探针
- 平面兰米尔探针（更多细节见图5）
- 取一根直径为¼”的不锈钢管作为探针杆，并将一端弯折成所需的90°角。
- 将未弯曲的一端切割至适当长度，使探针 能够沿轴向覆盖超过腔体长度的一半。
- 通过SS-4-UT-A-8接头与B-810-6直通管接头组合，将探针杆的未弯曲端穿过黄铜管。
- 使用一段½”黄铜管，通过定制法兰上的B-810-1-OR斯威尔洛克（Swagelok）接口向外延伸，为探针杆提供轴向支撑。
- 如图6所示，通过B-400-1-OR斯威尔洛克接头将探针杆的未弯曲端连接至BNC外壳。
- 将镀金镍丝穿过两段单孔氧化铝管（直径分别为1/8”和3/16”），其中较粗的一段插入探针杆内，如图7所示。
- 将镀金镍丝的一端点焊到一段剥去绝缘层的导线上，该导线焊接在探针杆末端的BNC馈通针脚上。
- 将镀金镍丝裁剪至适当长度，使与剥皮导线的连接处位于氧化铝管内部，以防止与探针杆发生短路。
- 冲压钽片制成平面兰米尔探针头（直径¼”）。
- 将镀金镍丝的另一端点焊至探针头边缘，并使探针头表面垂直....
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结果
朗缪尔探针已知对流场以及其所收集粒子的动能敏感，迄今为止，除鞘层区域外，一直被认为能够提供有效的等离子体电势测量结果。但通过与发射探针所测等离子体电势的直接对比表明，在紧邻鞘层的等离子体侧拟中性预鞘区域中，朗缪尔探针并不能准确测量等离子体电势23。在四种不同的中性气体压力下，将四种不同类型朗缪尔探针测量的从等离子体主体到鞘层区域的电势，与发射探针的测量结果进行了比较。四种朗缪尔探针采用不同的结构设计（见图14），标记为LPj，其中j为1至4的整数。圆柱形朗缪尔探针为LP1，LP2为双面朗缪尔探针，LP3为面向边界极板的一侧用陶瓷胶密封的平面朗缪尔探针，LP4则代表背向边界极板的一侧被陶瓷板覆盖的平面朗缪尔探针。朗缪尔探针与发射探针电势测量结果的对比示于图15中。
众所周知，在预鞘层中，离子会流向边界以形成鞘层.......
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讨论
朗缪尔探针被用于测量电子密度仅为每立方厘米几个粒子的太空等离子体，到密度和温度极高的等离子体，其应用覆盖了极为广泛的等离子体密度和温度范围6 m-3 到聚变等离子体的边缘区域，该区域的电子密度约为10的几次方数量级20 m-3此外，已使用朗缪尔探针诊断出0.1至数百电子伏特范围内的电子温度。朗缪尔探针常用于测量等离子体密度和温度。确定静电等离子体电势与获得上述两项测量密切相关。另一方面，发射探针通常仅用于测量等离子体电势，并可用于更广泛的等离子体参数测量。本文详细描述了在实验室环境中构建和使用朗缪尔探针与发射探针的方法，其中采用真空室来产生和约束目标等离子体，并讨论了朗缪尔探针在等离子体边界附近准确测量等离子体电势时的关键局限性，特别是在鞘层和预鞘层形成区域的应用限制。
Smith 等人讨论了在零发射极限下使用拐点法分析发射探针 I-V 曲线以获得等离子体电势的更严格步骤27。用户通过数字方式控制加热电流的数量，其中必须包含一个零电流，并针对每个加.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作部分由美国能源部（DOE）通过资助号 DE-SC00114226 以及美国国家科学基金会通过资助号 PHY-1464741、PHY-1464838、PHY-1804654 和 PHY-1804240 提供资金支持。
纪念诺亚·赫什科维茨：
诺亚·赫什科维茨在等离子体物理学领域做出了开创性贡献，同时作为科学家和普通人，赢得了同事与学生的尊敬和钦佩。 他曾经解释道：“物理学就像一个非常古老的拼图游戏，所有的拼图块都已磨损，边缘残缺不全，有些拼图块被错误地拼接在一起，看似吻合，但实际上并不在正确的位置上。我们的任务就是以正确的方式将它们重新拼合，从而揭示世界运行的规律。 他于2020年11月13日去世，享年79岁。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 直径 0.001" 的钨丝 | Midwest Tungsten Service | 0.001" | 发射探针灯丝 |
| 厚度 0.005" 的钽片 | Midwest Tungsten Service | 0.005" | 加热灯丝，用于产生等离子体 |
| 1/2" 黄铜支撑管 | |||
| 1/4" 黄铜卡套组 | Swagelok | B-400-SET | 用于连接不锈钢探针杆与 Swagelok 管接头 |
| 外径 1/4" 的 304 或 315 不锈钢管 | Swagelok | SS-T4-S-035-20 | 用于制作探针杆，订购时选择无缝管，以 20 英尺长度出售 |
| 氧化铝管 | COORSTEK | 65655，单孔，外径 0.156"，内径 0.094 | 单孔、双孔、四孔结构，用于在探针尖端与探针杆之间为发射探针和朗缪尔探针提供支撑结构 |
| 电容式压力计（Baratron 规） | MKS | 型号 127 | 显示腔体内有气体流动时的压力 |
| 黄铜 Swagelok 管接头 | Swagelok | B-400-1-OR | 探针上使用的管接头 |
| 黄铜 Swagelok 管接头 | Swagelok | B-810-6 | 探针上使用的管接头 |
| 黄铜 Swagelok 管接头 | Swagelok | B-810-1-OR | 探针上使用的管接头 |
| 陶瓷液体 | Sauereisen | No. 31 陶瓷封装液 | 与 No.31 水泥粉末混合制成陶瓷浆料 |
| 陶瓷粉末 | Sauereisen | 水泥粉末 No. 31 浅白色 | 存在可用水固化的 Sauereisen 水泥，例如 No.10 粉末 |
| 镀金镍丝 | SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT | 点焊至探针尖端，提供支撑 | |
| 电离规控制器 | Granville-Phillips | 270 型电离规控制器 | 加热电离规并显示腔体内部压力 |
| 机械泵 | Leybold D60 D60AC | D60 D60AC | 将压力降至约 10 mTorr，随后作为涡轮分子泵的前级泵 |
| 针阀 | Whitey | SS-22RS4 | 微调计量针状千分阀，配备 1/4" 管 Swagelok 接头 |
| 电源 | Kepco | ATE 100-10M | 加热灯丝的电压偏置电源 |
| 电源 | Sorensen | DCR 20-115B | 加热灯丝的加热电源 |
| 截止阀 | Kurt J. Lesker | Nupro SS-4BK | 旋钮式手柄，适用于 1/4" 管，Swagelok 接头 |
| 不锈钢 Ultra-Torr 真空接头 | Swagelok | SS-4-UT-A-8 | 探针上使用的管接头 |
| 特氟龙涂层导线 | Geyer Systems | P31546 | 连接镀金导线至 BNC 插针 |
| 涡轮分子泵 | PFEIFFER | TPH 240 C | 将压力降至 1E-6 Torr |
| 真空润滑脂 | APIEZON | L 超高真空级润滑脂 | 用于润滑 O 形圈的真空润滑脂 |
| Viton O 形圈 | Grainger | #031 | 圆形 #031 中等硬度 Viton O 形圈，内径 1.739"，外径 1.879" |
| Viton O 形圈 | Grainger | #010 | 圆形 #010 中等硬度 Viton O 形圈，内径 0.239"，外径 0.379" |
参考文献
- Godyak, V. A., Alexandrovich, B. M. Comparative analyses of plasma probe diagnostics techniques. Journal of Applied Physics. 118, 233302(2015).
- Gurnett, D. A., et al. The Cassini Radio and Plasma wave investigation. Space Science Reviews. 114, 395-4....
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重印与许可
