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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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。
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。
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≤102eV 。同样在20世纪20年代,他发明了以他名字命名的探针以及发射探针12。如今,发射探针主要用于等离子体电势的诊断。尽管其无法测量像朗缪尔探针那样广泛的等离子体参数,但在测量等离子体电势(有时也称作静电空间电势)方面,它同样是一种具有广泛应用价值的诊断工具。例如,即使在真空环境中,发射探针也能准确测量空间电势,而朗缪尔探针在此类条件下则无法获得任何测量结果。
朗缪尔探针的基本装置是将一个电极插入等离子体中,并测量收集到的电流。由此得到的电流-电压(I-V)特性可用于解释等离子体参数,如电子温度 Te、电子密度 ne 和等离子体电势 ϕ13。对于麦克斯韦等离子体,收集到的电子电流 Ie(取为正值)与探针偏压 VB 之间的关系可表示为14:

其中 Ie0 是电子饱和电流,

其中 S 为探针的收集面积,
为体相电子密度,e 为电子电荷,Te 为电子温度,me 为电子质量。电子电流的 I-V 特性理论关系在图 1A和图 1B中以两种方式展示。需要注意的是,公式 (1a,b) 仅适用于体相电子。然而,朗缪尔探针电流能够检测带电粒子流,在存在初级电子、电子束或离子束等情况下,必须进行相应的修正。详见 Hershkowitz14 的相关研究。
本文讨论的是麦克斯韦电子能量分布函数(EEDF)的理想情况。当然,在许多情况下会出现非理想性,但这些并非本研究的主题。例如,在材料加工中的刻蚀和沉积等离子体系统中,通常由射频(RF)产生并维持,采用分子气体作为进料,等离子体中会产生挥发性化学自由基,并形成包括带负电离子在内的多种离子种类。等离子体呈现电负性,即准中性等离子体中的负电荷有相当一部分以负离子形式存在。在含有分子中性粒子和离子的等离子体中,电子与分子物种之间的非弹性碰撞可能在电流-电压特性曲线上产生凹陷15,而相对于电子而言较冷的负离子的存在则可能在等离子体电势附近引起显著畸变16,这些显然都是非麦克斯韦特征。本文所讨论的研究实验是在单一离子种类的惰性气体(氩气)直流放电等离子体中进行的,避免了上述各类非麦克斯韦效应。然而,这类放电中通常会观察到双麦克斯韦型EEDF,其成因是放电室壁面存在次级电子发射17。该热电子组分的温度通常为冷电子温度的数倍,其密度占比一般低于1%,通常可明显区别于主体电子的密度与温度。
当 VB 比 ϕ 更负时,电子会因探针表面的负电势而部分被排斥,此时 ln(Ie) 与 VB 关系曲线的斜率为 e/Te,即 1/TeV,其中 TeV 为以 eV 为单位的电子温度,如图 1B 所示。在确定 TeV 后,等离子体密度可由此推导得出:

离子电流的产生方式与电子电流不同。由于离子质量相对较大(Mi >> me),与电子相比可视为“冷”的,因此在弱电离等离子体中,离子与中性气体原子处于较好的热平衡状态,而中性气体原子的温度等于器壁温度。当探针鞘层电位 VB ≥ ϕ 时,离子被排斥;当 VB < ϕ 时,离子被收集。对于负偏压的探针,所收集的离子电流近似为常数,而当探针偏压低于等离子体电势时,到达探针的电子流则逐渐减小。由于电子饱和电流远大于离子饱和电流,探针收集的总电流随之下降。随着探针偏压变得越来越负,电流的下降幅度取决于电子温度的高低:电子温度越低,电流下降越显著;电子温度越高,电流下降越缓慢,如上文公式(1a)所述。在此近似条件下,离子电流的表达式为:

其中

和

我们注意到,探针收集的恒定离子流由于在探针预鞘层中被加速,超过了随机热离子流,因此离子以玻姆速度18(uB)到达探针鞘层边缘,而非离子热速度19。由于预鞘层近似电中性,离子密度与电子密度相等。比较公式5和公式2中的离子和电子饱和电流可知,离子对探针电流的贡献比电子小一个因子
。对于氩等离子体,该因子约为108。
存在一个明显的转折点,此时电子电流从指数增长转变为恒定值,该点被称为“膝点”。膝点处的探针偏压可近似为等离子体电势。在实际实验中,由于探针的空间电荷效应(即探针周围鞘层的扩展)、探针污染以及等离子体噪声,这一膝点通常并不明显,而是呈现圆滑过渡13。
朗缪尔探针技术基于对收集电流的测量,而发射探针技术则基于电流的发射。发射探针既不测量温度也不测量密度,而是提供精确的等离子体电势测量,并且由于对等离子体流动不敏感,可在多种条件下工作。发射探针的理论与应用在Sheehan和Hershkowitz20的专题综述及其引用文献中有全面讨论。
对于等离子体密度 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3 的情况,建议采用在零发射极限下的拐点技术,即获取一系列不同灯丝加热电流下的 I-V 特性曲线,确定每条 I-V 曲线的拐点偏置电压,并将这些拐点外推至零发射极限,从而得到等离子体电势,如图 2所示。
通常认为,朗缪尔探针和发射探针技术在准中性等离子体中测量结果一致,但在等离子体边界接触区域(即出现空间电荷的鞘层区域)则存在差异。本研究聚焦于低温、低压等离子体中靠近等离子体边界处的等离子体电势,旨在检验这一普遍假设。为了比较朗缪尔探针和发射探针对电势的测量结果,还通过将拐点法应用于朗缪尔探针的电流-电压(I-V)特性曲线来确定等离子体电势,如图3所示。普遍认为1,等离子体电势可通过寻找探针偏压电压,使得收集电流对偏压电压的二阶导数
为零的点来确定,即 dI/dV 曲线相对于探针偏压电压的峰值点。图3 展示了如何确定该 dI/dV 的最大值,即电流-电压特性曲线的拐点。
朗缪尔探针(收集型)和发射探针(发射型)具有不同的电流-电压(I-V)特性,这些特性还依赖于探针尖端的几何形状,如图4所示。在探针制作之前,必须考虑探针的空间电荷效应。在实验中,对于平面型朗缪尔探针,我们使用了直径1/4英寸的平面钽圆盘。使用更大的圆盘可以收集更多的电流并获得更强的信号。然而,为了使上述分析方法适用,探针的面积Ap必须小于真空腔室的电子损失面积Aw,即需满足21不等式
。对于圆柱形朗缪尔探针,我们采用直径为0.025 mm、长度为1 cm的钨丝;发射探针所用钨丝的直径也相同。需要注意的是,对于圆柱形朗缪尔探针,在本实验的等离子体参数条件下,探针尖端的半径rp远小于其长度Lp,且小于德拜长度λD;即满足
,以及
。在此参数范围内,应用轨道运动受限(Orbital Motion Limited)理论及其由Laframboise针对热电子和离子情况的发展22,我们发现当探针偏压等于或大于等离子体电势时,所收集的电子电流可由如下形式的函数进行参数化:
,其中指数
。此处的关键在于,当该指数的值小于1时,上文所述用于确定等离子体电势的拐点法同样适用于圆柱形朗缪尔探针。
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1. 制作可装入真空室的兰米尔探针和发射探针
2. 生成血浆
3. 进行测量
注意:朗缪尔探针和发射探针的 I-V 特性曲线由 Labview 程序控制的 16 位数据采集板获取。由于不同用户在数据采集方面有不同的偏好,此处未展示具体细节。然而,探针的使用有相应的操作规程。
4. 数据分析
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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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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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作者无任何利益冲突需要披露。
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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| 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" |
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