Name: 构建朗缪尔探头和发射探头，用于低压、低温等离子体中的等离子体电位测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-25T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 10 s
Description: 学习使用实验室常见材料逐步构建朗缪尔探头和发射探头，用于低压低温等离子体中的等离子体电位测量。该方案降低了成本并提高了静电探针在不同实验环境中的适应性。

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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。&#160; 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。&#160; 他于2020年11月13日去世，享年79岁。

1. 制作可装入真空室的兰米尔探针和发射探针
<ol>
	<li>平面兰米尔探针（更多细节见图5）
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>将未弯曲的一端切割至适当长度，使探针&#160;能够沿轴向覆盖超过腔体长度的一半。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>冲压钽片制成平面兰米尔探针头（直径¼”）。</li>
		<li>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于边界板的轴线。</li>
		<li>将探针头略微向前放置，确保在鞘层内部测量时探针本体不会接触边界板。</li>
		<li>使用陶瓷胶泥（例如Sauereisen Cement No. 31）密封所有接头，以使探针电路元件与等离子体隔离。使用热风枪&#160;烘烤陶瓷接头5–10分钟。</li>
		<li>使用万用表测量探针头与BNC连接器之间的电阻。若显示通路，则探针可准备装入真空腔室。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>构建圆柱形发射探针（更多细节见图8）
	<ol>
		<li>执行步骤1.1.1–1.1.4，并在同一个探针杆上重复步骤1.1.5–1.1.7两次，但使用直径为1/8”的双孔氧化铝管代替单孔管。</li>
		<li>将直径为0.025 mm的钨丝裁剪至约1 cm长。</li>
		<li>将钨灯丝点焊至镀金导线上。</li>
		<li>用陶瓷胶泥密封所有接头，并确保陶瓷胶泥未沾染到钨灯丝上。</li>
		<li>检查两个BNC端口之间的通路情况。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 生成血浆
<ol>
	<li>打开电离规以检查向腔室充气前的本底压力。若压力处于10-6 Torr的低量级范围，则对巴罗规进行调零操作；否则应检查系统是否存在漏气。&#160;针阀和截止阀的位置分别为开启和关闭。&#160;</li>
	<li>使用塑料螺丝刀&#160;校准巴罗规显示屏，使读数在±0.01 mTorr范围内波动。</li>
	<li>关闭针阀，使其轻轻旋紧至关闭位置。</li>
	<li>打开截止阀，检查巴罗规读数是否无压力变化。</li>
	<li>缓慢旋转针阀旋钮，将气体缓慢释放入腔室，直至压力达到实验所需值。典型工作压力范围为10-5 ~ 2 × 10-3 Torr。常用工作气体包括氩气、氙气、氪气、氧气等。</li>
	<li>开启KEPCO电压电源，将电压设为-60伏特，以提供足够的电子能量，使氩气的电离截面达到最大值。开启灯丝加热电源，并缓慢调节加热功率，直至放电电流达到所需数值。放电电流在最初几分钟内通常会迅速下降，需持续调节电流约30分钟，直至放电稳定。</li>
	<li>将电压电源连接至边界板，并将偏压调节至所需水平。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>获取负载线：在腔室内无等离子体放电的情况下，连接好探针与其测量电路之间的所有线路，获得一条I-V曲线（参见 图9, 图10 &amp;#38; 图11 用于威斯康星大学麦迪逊分校和美国农业部的装置设置。</li>
	<li>朗缪尔探针
	<ol>
		<li>通过将探针偏置为正电压以收集较大的电子流，从而清洁探针尖端（此步骤至关重要，因为清洁的探针比污染的探针表现出更明显的“膝点”）。
		<ol>
			<li>通过可调电源和50欧姆电阻将电流引入探针，连接至设备接地，以加热探针尖端，蒸发等离子体中迅速附着于探针表面的杂质层，从而提高探针表面的电阻率。</li>
			<li>缓慢增加正向偏压，使其超过等离子体电势，从而使探针开始收集电子饱和电流。</li>
			<li>继续升高电位；当观察到探针尖端呈现樱桃红色发光时，表明探针已清洁。必须通过真空观察窗观察等离子体中探针尖端的状态。</li>
			<li>调节探针偏压时需小心谨慎。若探针温度过高，探针尖端可能发生变形，甚至出现更严重的问题，例如尖端产生孔洞、发生蒸发或脱落；导线可能熔化并失去绝缘层等。</li>
			<li>将探针连接至数据采集与控制电路（此部分在不同实验室之间可能有所差异），然后在对探针施加的电压进行扫描的同时，同步测量探针所消耗的电流。保存电流-电压（I-V）曲线。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将探针连接至数据采集与控制电路（此部分因实验室而异），随后在对探针施加电压进行扫描的同时，同步测量探针所消耗的电流，保存电流-电压（I-V）曲线。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>发光探针
	<ol>
		<li>用发射探针的数据采集与控制电路重复步骤 3.2.2。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 数据分析
<ol>
	<li>朗缪尔探针（详见图12、图13）。
	<ol>
		<li>从总电流-电压特性中减去负载线。</li>
		<li>拟合离子饱和电流，并从剩余的电流-电压特性中减去该部分。</li>
		<li>对电流取自然对数，并将其相对于探针电压作图。</li>
		<li>分别对过渡区和饱和电流区域进行线性拟合。</li>
		<li>取过渡区拟合直线斜率的倒数，得到电子温度值。</li>
		<li>将两条拟合直线交点处的电流值代入公式3，计算等离子体密度。</li>
		<li>对朗缪尔探针信号应用拐点法，确定等离子体电势。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>发射探针（参见图2）。
	<ol>
		<li>对各个电流-电压特性重复步骤4.1.1–4.1.2，然后对每条曲线进行平滑处理。</li>
		<li>对每条电流-电压曲线求导，并进行适当的平滑处理。</li>
		<li>确定每条平滑后 dI/dV 曲线的峰值（即拐点）。</li>
		<li>对各拐点进行线性拟合。</li>
		<li>通过确定拟合直线的零点交叉位置，获得等离子体电势。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Godyak, V. A., Alexandrovich, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analyses+of+plasma+probe+diagnostics+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Comparative analyses of plasma probe diagnostics techniques.</a> Journal of Applied Physics. 118, 233302(2015).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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：
<img alt="静态平衡公式 \(I_e(V_B)\)，方程分析，电流-电压关系，物理示意图。" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ1v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 1">
其中 Ie0 是电子饱和电流，
<img alt="静态平衡；方程；I_e0=Sn_e^∞ e√(T_e/2πm_e)；数学分析。" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ2v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 2">
其中 S 为探针的收集面积，<img alt="静态平衡；受力分析示意图，ΣFx=0，MA=0；物理学教学概念；受力分析" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ09.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 9"> 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：
<img alt="科学分析中的静电平衡方程，n_e 公式，m^{-3} 测量，用于研究。" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ3v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 3">
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 &gt;&gt; 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 &lt; 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：
<img alt="静力平衡公式，\(I_i(V_B)\) 方程，条件：\(V_B &lt; \phi\)，\(V_B &gt; \phi\)，示意图。" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ4v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 4">
其中
<img alt="描述磁场对电流影响的方程；与物理学方程研究相关。" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ5v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 5">
和
<img alt="等离子体物理中使用的离子漂移速度公式，u&lt;sub&gt;B&lt;/sub&gt;=√(T&lt;sub&gt;ev&lt;/sub&gt;/M&lt;sub&gt;i&lt;/sub&gt;)。" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ6v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 6">
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<img alt="Mi 除以 2πme 的平方根公式；与质谱计算相关。" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ10.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 10">。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 <img alt="静电平衡方程 \(d^2I/dV^2=0\)；用于电路分析图示。" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ11.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程11"> 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<img alt="静电平衡公式，Ap ≤ Aw，方程，物理教学内容" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ12.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 12">。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<img alt="静电平衡概念；不等式方程 \(r_p \ll L_p\)；物理图示；教学用途" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ13.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 13">，以及<img alt="静电平衡方程，0 &lt; rₚ/λᴅ &lt; 1，公式图示；教学关键词描述" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ14.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 14">。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：<img alt="静电平衡公式，Ie=Ieo(1+VB/TeV)^ce，分析用方程，物理研究" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ15.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 15">，其中指数<img alt="静电平衡方程 \( C_e \sim 0.4 \) 在科学研究图示中" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ16.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 16">。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。

<table><tbody><tr><td>直径 0.001&quot; 的钨丝</td><td>Midwest Tungsten Service</td><td>0.001&quot;</td><td>发射探针灯丝</td></tr><tr><td>厚度 0.005&quot; 的钽片</td><td>Midwest Tungsten Service</td><td>0.005&quot;</td><td>加热灯丝，用于产生等离子体</td></tr><tr><td>1/2&quot; 黄铜支撑管</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1/4&quot; 黄铜卡套组</td><td>Swagelok</td><td>B-400-SET</td><td>用于连接不锈钢探针杆与 Swagelok 管接头</td></tr><tr><td>外径 1/4&quot; 的 304 或 315 不锈钢管</td><td>Swagelok</td><td>SS-T4-S-035-20</td><td>用于制作探针杆，订购时选择无缝管，以 20 英尺长度出售</td></tr><tr><td>氧化铝管</td><td>COORSTEK</td><td>65655，单孔，外径 0.156&quot;，内径 0.094</td><td>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</td></tr><tr><td>电容式压力计（Baratron 规）</td><td>MKS</td><td>型号 127</td><td>显示腔体内有气体流动时的压力</td></tr><tr><td>黄铜 Swagelok 管接头</td><td>Swagelok</td><td>B-400-1-OR</td><td>探针上使用的管接头</td></tr><tr><td>黄铜 Swagelok 管接头</td><td>Swagelok</td><td>B-810-6</td><td>探针上使用的管接头</td></tr><tr><td>黄铜 Swagelok 管接头</td><td>Swagelok</td><td>B-810-1-OR</td><td>探针上使用的管接头</td></tr><tr><td>陶瓷液体</td><td>Sauereisen</td><td>No. 31 陶瓷封装液</td><td>与 No.31 水泥粉末混合制成陶瓷浆料</td></tr><tr><td>陶瓷粉末</td><td>Sauereisen</td><td>水泥粉末 No. 31 浅白色</td><td>存在可用水固化的 Sauereisen 水泥，例如 No.10 粉末</td></tr><tr><td>镀金镍丝</td><td>SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT</td><td></td><td>点焊至探针尖端，提供支撑</td></tr><tr><td>电离规控制器</td><td>Granville-Phillips</td><td>270 型电离规控制器</td><td>加热电离规并显示腔体内部压力</td></tr><tr><td>机械泵</td><td>Leybold D60 D60AC</td><td>D60 D60AC</td><td>将压力降至约 10 mTorr，随后作为涡轮分子泵的前级泵</td></tr><tr><td>针阀</td><td>Whitey</td><td>SS-22RS4</td><td>微调计量针状千分阀，配备 1/4&quot; 管 Swagelok 接头</td></tr><tr><td>电源</td><td>Kepco</td><td>ATE 100-10M</td><td>加热灯丝的电压偏置电源</td></tr><tr><td>电源</td><td>Sorensen</td><td>DCR 20-115B</td><td>加热灯丝的加热电源</td></tr><tr><td>截止阀</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>Nupro SS-4BK</td><td>旋钮式手柄，适用于 1/4&quot; 管，Swagelok 接头</td></tr><tr><td>不锈钢 Ultra-Torr 真空接头</td><td>Swagelok</td><td>SS-4-UT-A-8</td><td>探针上使用的管接头</td></tr><tr><td>特氟龙涂层导线</td><td>Geyer Systems</td><td>P31546</td><td>连接镀金导线至 BNC 插针</td></tr><tr><td>涡轮分子泵</td><td>PFEIFFER</td><td>TPH 240 C</td><td>将压力降至 1E-6 Torr</td></tr><tr><td>真空润滑脂</td><td>APIEZON</td><td>L 超高真空级润滑脂</td><td>用于润滑 O 形圈的真空润滑脂</td></tr><tr><td>Viton O 形圈</td><td>Grainger</td><td>#031</td><td>圆形 #031 中等硬度 Viton O 形圈，内径 1.739&quot;，外径 1.879&quot;</td></tr><tr><td>Viton O 形圈</td><td>Grainger</td><td>#010</td><td>圆形 #010 中等硬度 Viton O 形圈，内径 0.239&quot;，外径 0.379&quot;</td></tr></tbody></table>

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

Building Langmuir Probes and Emissive Probes for Plasma Potential Measurements in Low Pressure, Low Temperature Plasmas

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&#160;，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。

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...

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。

朗缪尔探针长期以来一直被用于实验等离子体物理研究中，作为测量粒子流（即电子流和离子流）的主要诊断工具……

我们提供了一套逐步操作的实验方案，介绍如何使用实验室中 readily available 的材料自制朗缪尔探针和发射探针，适用于希望自行搭建的科研人员。利用实验室中 readily available 的材料，可降低静电探针在等离子体诊断中的搭建与维护成本，提高系统的可操作性，并使其更易于适应不同的实验室环境。本方案中所采用的真空接口设计，亦可作为其他低压装置的馈通方法使用。在执行本方案时，真空技术、电连续性检查、陶瓷浆料的固化以及探针脆弱性的管理在初期可能会显得具有挑战性。首先开始构建朗缪尔探针。采用直径为四分之一英寸的不锈钢管作为探针杆。切割试管，使探头能够沿轴向覆盖超过腔室长度的一半。将探头杆的未弯曲端通过SS-4-UT-A-8接头和B-810-6直通管接头穿入黄铜管中。使用一段半英寸黄铜管，通过B-810-1 OR Swagelok接口从定制法兰伸出，为探头杆提供轴向支撑。通过 B-400-1 或 Swagelok 接头，将探针杆未弯曲的一端连接到 BNC 外壳。将镀金镍丝穿过两根单孔氧化铝管，并将较粗的管子装入探针杆内部。在探针杆末端，将镀金镍丝的一端点焊到一段剥皮导线上，该剥皮导线已焊接到 BNC 穿墙接头的笔状引线上。然后，剪断镀金导线，使与裸露导线的连接处能够置于氧化铝管内部，以防止与探针杆发生短路。用钽片冲压出四分之一英寸的平面朗缪尔探针尖端，并将镀金镍丝的另一端点焊到探针尖端边缘，使探针尖端垂直于边界板的轴线。将探针尖端略微向前放置，以便在鞘层内部进行测量时，探针本体不会触碰到边界板。使用陶瓷膏密封所有接头，以使探头电路元件与等离子体隔离，并使用加热装置烘烤陶瓷接头5至10分钟。使用万用表测量探头尖端与BNC连接器之间的电阻。如果显示通路，则探头已准备好放入真空腔室中。构建圆柱形接纳探针时，除使用1/8英寸双孔铝管代替单孔铝管外，其余步骤均按照先前所述方法进行。将直径为0.025毫米的钨丝截取约1厘米长，并将钨灯丝点焊至镀金导线上。使用陶瓷胶密封所有接头，注意确保陶瓷胶不会沾到钨灯丝上。检查两个BNC端口之间的连通性。在向腔室注入气体之前，打开电离规以检查本底压力。否则，需检查系统是否存在泄漏。使用笔调节巴拉丁显示器，直至读数在正负 0.01 毫托范围内浮动。确保针阀处于关闭位置。然后打开截止阀，检查巴拉丁读数是否无压力变化。缓慢旋转针阀的旋钮，将气体释放到腔室内，直至达到所需压力。打开电压电源，并将电压设置为负60伏，以为氩气提供足够电子能量，以实现最大电离截面。然后，打开灯丝的加热电源，并缓慢调节加热功率，直至放电电流达到所需数值。将电压源连接至边界板，并将偏压调节至所需水平，然后开始测量。将探针连接至数据采集与控制电路，随后在施加于探针的电压进行扫描的同时，同步测量探针所消耗的电流。保存当前的电压轨迹。使用允许性探针、数据采集与控制电路重复数据采集。朗缪尔探针构建了四种不同的构型，并标记为LPJ，其中J为从1到4的整数。探针设计包括圆柱形单面朗缪尔探针LP一、双面朗缪尔探针LP二、平面朗缪尔探针LP三（其面向边界板的一侧用陶瓷胶密封），以及平面朗缪尔探针LP四（其背向边界板的一侧用陶瓷胶覆盖）。此处展示了朗缪尔探针与missive探针电势测量结果的比较。四种朗缪尔探针均与missive探针的测量结果进行了对比，以确定它们在等离子体边界附近（特别是在预鞘层区域）测量等离子体电势的准确性。测试了不同的探针设计，以确定使用朗缪尔探针测量等离子体电势的方法是否能给出准确的结果。将所有朗缪尔探针的测量结果与发射性探针测得的等离子体电势进行了比较。在鞘层前区，所有由朗缪尔探针测得的等离子体电势均不同于发射性探针测得的结果。随着靠近鞘层边缘，这种差异逐渐增大，达到多个电子温度的量级。此处展示了通过等离子体主体区域内LP二号探针测量得到的等离子体参数，如温度、密度、德拜长度以及Child-Langmuir鞘层长度。这些参数有助于准确估算平面Langmuir探针的名义鞘层厚度。为成功执行本方案，在干燥陶瓷浆料时需将所有气泡烘烤排出。在将探针放入真空腔室之前，务必检查探针带与BNC接头之间的导通性，同时检查探针带与探针杆之间的安装是否到位。静电探针用于探测并激发等离子体波，以检测等离子体不稳定性，并绘制出等离子体中发现的相干结构，例如双层结构和孤子。

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构建朗缪尔探头和发射探头，用于低压、低温等离子体中的等离子体电位测量

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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

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