Name: Bau von Langmuir-Sonden und Emissionssonden für Plasmapotentialmessungen in Niederdruck- und Niedertemperaturplasmen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-25T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 10 s
Description: Lernen Sie den Bau von Langmuir- und Emissionssonden für Plasmapotentialmessungen in Niederdruckplasmen. Dieses Protokoll zeigt kostengünstige Konstruktion mit Standardlabormaterialien für erleichterte Plasmadiagnostik.

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Diese Arbeit wurde teilweise vom US-Energieministerium (DOE) durch Zuschüsse DE-SC00114226 und der National Science Foundation durch Zuschüsse PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 und PHY-1804240 finanziert
Hommage an Noah Hershkowitz: Noah Hershkowitz leistete bahnbrechende Beiträge zur Plasmaphysik und verdiente sich den Respekt und die Bewunderung seiner Kollegen und Studenten, sowohl als Wissenschaftler als auch als Mensch.  "Physik", erklärte er einmal, "ist wie ein Puzzle, das wirklich alt ist. Alle Teile sind abgenutzt. Ihre Kanten sind durcheinander. Einige der Teile wurden falsch zusammengefügt. Sie passen irgendwie, aber sie sind nicht wirklich an den richtigen Stellen. Das Spiel besteht darin, sie richtig zusammenzusetzen, um herauszufinden, wie die Welt funktioniert.  Er starb am 13. November 2020 im Alter von 79 Jahren.

1. Bau von Langmuir-Sonden und Emissionssonden, die in eine Vakuumkammer passen
<ol><li>Planare Langmuir-Sonde (siehe Abbildung 5 für weitere Details)<ol><li>Nehmen Sie ein Edelstahlrohr mit einem Durchmesser von 1/4" als Sondenschaft und biegen Sie ein Ende in den gewünschten 90°-Winkel.</li>
		<li>Schneiden Sie die gebogene Seite auf eine Länge, so dass die Sonde axial mehr als die Hälfte der Kammerlänge abdecken kann.</li>
		<li>Montieren Sie die gebogene Seite der Welle mit einem SS-4-UT-A-8-Adapter in Kombination mit einer B-810-6-Verbindungsrohrverschraubung durch das Messingrohr.</li>
		<li>Verwenden Sie ein 1/2"-Messingrohr, das über eine B-810-1-OR-Swagelok-Schnittstelle aus den kundenspezifischen Flanschen herausragt, um die Sondenwelle axial zu stützen.</li>
		<li>Verbinden Sie das gebogene Ende der Sondenwelle mit dem BNC-Gehäuse über eine B-400-1-OR-Swagelok-Verschraubung, wie in Abbildung 6 gezeigt.</li>
		<li>Stecken Sie den goldbeschichteten Nickeldraht durch zwei Aluminiumoxidrohre mit einer Bohrung (1/8" und 3/16" Durchmesser), wobei das dickere in den Sondenschaft passt, wie in Abbildung 7 gezeigt.</li>
		<li>Schweißen Sie ein Ende des goldbeschichteten Nickeldrahtes auf ein Stück abisolierten Drahtes, der auf den Stift der BNC-Durchführung am Ende der Sondenwelle gelötet wird.</li>
		<li>Schneiden Sie den goldbeschichteten Draht so ab, dass die Verbindung mit dem abisolierten Draht in das Aluminiumoxidrohr passt, um einen Kurzschluss mit der Sondenwelle zu vermeiden.</li>
		<li>Stanzen Sie durch eine Tantalplatte, um eine planare Langmuir-Sondenspitze (1/4" Durchmesser) herzustellen</li>
		<li>Schweißen Sie das andere Ende des goldbeschichteten Nickeldrahtes an die Kante der Sondenspitze und stellen Sie die Sondenspitze senkrecht zur Achse der Begrenzungsplatte ein.</li>
		<li>Positionieren Sie die Sondenspitze etwas nach vorne, damit der Sondenkörper die Begrenzungsplatte nicht berührt, während Messungen im Inneren des Mantels durchgeführt werden.</li>
		<li>Versiegeln Sie alle Fugen mit Keramikpaste (z. B. Sauereisen Zement Nr. 31), um die Komponenten des Sondenkreises vom Plasma zu isolieren. Verwenden Sie eine Heißluftpistole, um die Keramikverbindungen 5-10 Minuten lang zu backen.</li>
		<li>Verwenden Sie ein Multimeter, um den Widerstand zwischen der Tastspitze und dem BNC-Anschluss zu messen. Wenn die Kontinuität nachgewiesen ist, kann die Sonde in die Vakuumkammer eingesetzt werden.</li>
	</ol></li>
	<li>Aufbau einer zylindrischen Emissionssonde (siehe Abbildung 8 für weitere Details)<ol><li>Befolgen Sie die Schritte 1.1.1-1.1.4 und wiederholen Sie die Schritte 1.1.5-1.1.7 zweimal auf derselben Sondenwelle, mit Ausnahme der Verwendung eines 1/8-Zoll-Aluminiumoxidrohrs mit zwei Bohrungen anstelle eines Aluminiumoxidrohrs mit einer Bohrung.</li>
		<li>Schneiden Sie den Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,025 mm auf ca. 1 cm ab.</li>
		<li>Schweißen Sie das Wolframfilament auf goldbeschichtete Drähte.</li>
		<li>Versiegeln Sie alle Fugen mit Keramikpaste und stellen Sie sicher, dass die Keramikpaste nicht auf das Wolframfilament gelangt.</li>
		<li>Überprüfen Sie den Durchgang zwischen zwei BNC-Enden.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Plasma erzeugen
<ol><li>Schalten Sie das Ionenmessgerät ein, um den Basisdruck zu überprüfen, bevor Sie Gas in die Kammer einfüllen. Fahren Sie mit dem Nullstellen des Baratron-Manometers fort, wenn der Druck im niedrigen Bereich von 10-6 Torr liegt. Andernfalls überprüfen Sie das Leck im System. Die Positionen des Nadelventils und des Absperrwerts sind offen bzw. geschlossen.</li>
	<li>Verwenden Sie einen Kunststoffschraubendreher, um das Baratron-Display zu kalibrieren, bis die Zahl zwischen ±0,01 mTorr schwebt.</li>
	<li>Schließen Sie das Nadelventil so, dass es sanft in geschlossener Position sitzt.</li>
	<li>Öffnen Sie das Absperrventil. Prüfen Sie, ob sich der Baratron-Messwert nicht ändert.</li>
	<li>Drehen Sie langsam den Knopf des Nadelventils, um das Gas in die Kammer abzulassen, bis der Druck die Anforderungen für das Experiment erreicht. Der typische Arbeitsdruck liegt bei 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr. Zu den Arbeitsgasen gehörten Argon, Xenon, Krypton, Sauerstoff usw.</li>
	<li>Schalten Sie das KEPCO-Spannungsnetzteil ein und stellen Sie die Spannung auf -60 Volt ein, um genügend Elektronenenergie für den maximalen Ionisationsquerschnitt von Argon bereitzustellen. Schalten Sie die Heizstromversorgung für die Filamente ein und stellen Sie den Pegel langsam ein, bis der Entladestrom den erforderlichen Wert anzeigt. Der Entladestrom neigt dazu, in den ersten Minuten schnell abzufallen. Stellen Sie den Strompegel etwa 30 Minuten lang ein, bis sich die Entladung stabilisiert hat</li>
	<li>Schließen Sie die Spannungsversorgung an die Grenzplatte an und stellen Sie die Vorspannung auf den gewünschten Pegel ein.</li>
</ol>3. Nehmen Sie Maß
HINWEIS: I-V-Leiterbahnen für Langmuir-Tastköpfe und Emissionstastköpfe werden von einer 16-Bit-Datenerfassungskarte erfasst, die von einem Labview-Programm gesteuert wird. Die Details werden hier nicht dargestellt, da verschiedene Benutzer unterschiedliche Präferenzen für die Datenerfassung haben. Es gibt jedoch ein Protokoll für die Verwendung der Sonden.
<ol><li>Nehmen Sie die Lastlinie: Erhalten Sie eine I-V-Spur ohne Plasmaentladung in der Kammer mit allen Verbindungen zwischen der Sonde und ihrem Messkreis (siehe Abbildung 9, Abbildung 10 und Abbildung 11 für den UW-Madison- und den USD-Aufbau).</li>
	<li>Langmuir-Sonden<ol><li>Reinigen Sie die Sondenspitze (dieser Schritt ist entscheidend, da eine saubere Sonde ein schärferes "Knie" aufweist als eine schmutzige Sonde), indem Sie die Sonde positiv vorspannen, um einen großen Elektronenstrom zu sammeln.<ol><li>Ziehen Sie einen Strom durch die Sonde mit variabler Stromversorgung und 50 Ohm zur Maschinenmasse, um die Spitze zu erhitzen, um die Verunreinigungsschicht zu verdampfen, die sich sofort an der Sondenoberfläche im Plasma anhaftet, und den Oberflächenwiderstand der Sonde zu erhöhen.</li>
			<li>Erhöhen Sie die Vorspannung langsam positiv, um das Plasmapotential zu überschreiten, damit die Sonde beginnen kann, den Elektronensättigungsstrom zu ziehen.</li>
			<li>Heben Sie das Potenzial weiter an; Sobald man sieht, dass die Sondenspitze kirschrot leuchtet, ist die Sonde sauber. Es ist notwendig, die Sondenspitze im Plasma durch ein Vakuum-Sichtfenster zu sehen.</li>
			<li>Seien Sie vorsichtig und wachsam, während Sie die Voreingenommenheit der Sonde variieren. Wenn die Sonde zu heiß wird, kann sich die Sondenspitze selbst verziehen, und es können schlimmere Dinge passieren, z. B. könnte die Spitze Löcher haben, sie könnte verdampfen, sie könnte abfallen; Drähte könnten schmelzen und ihre Isolierung verlieren und so weiter.</li>
			<li>Schließen Sie die Sonde an den Datenerfassungs- und Steuerkreis an (dies ist der Teil, der von Labor zu Labor variiert) und fahren Sie fort, die an die Sonde angelegte Spannung zu sweepen, während Sie gleichzeitig den von der Sonde aufgenommenen Strom messen. Speichern Sie die I-V-Ablaufverfolgung.</li>
		</ol></li>
		<li>Schließen Sie die Sonde an den Datenerfassungs- und Steuerkreis an (dies ist der Teil, der von Labor zu Labor variiert) und fahren Sie fort, die an die Sonde angelegte Spannung zu sweepen, während Sie gleichzeitig den von der Sonde aufgenommenen Strom messen. Speichern Sie die I-V-Ablaufverfolgung.</li>
	</ol></li>
	<li>Emittierende Sonden<ol><li>Wiederholen Sie Schritt 3.2.2 mit der Datenerfassung und dem Steuerkreis der Emissionssonde.</li>
	</ol></li>
</ol>4. Datenanalyse
<ol><li>Langmuir-Sonden (siehe Abbildung 12, Abbildung 13 für weitere Details).<ol><li>Subtrahieren Sie die Lastlinie von der gesamten I-U-Kennlinie.</li>
		<li>Passen Sie den Ionensättigungsstrom an und subtrahieren Sie von den verbleibenden I-U-Kennlinien.</li>
		<li>Nehmen Sie das natürliche Protokoll des Stroms und zeichnen Sie es gegen die Sondenspannung auf.</li>
		<li>Nehmen Sie lineare Anpassungen des Übergangsbereichs und des Sättigungsstroms getrennt.</li>
		<li>Nehmen Sie den Kehrwert der Steigung des Übergangsbereichs und erhalten Sie den Elektronentemperaturwert.</li>
		<li>Die Plasmadichte wird ermittelt, indem der Strom an der Kreuzung, an der sich die beiden Anpassungslinien kreuzen, in Gl. 3 gesteckt wird.</li>
		<li>Wenden Sie die Wendepunkttechnik auf die Langmuir-Sondenspur an und bestimmen Sie das Plasmapotential.</li>
	</ol></li>
	<li>Emissionsprüfkopf (siehe Abbildung 2).<ol><li>Wiederholen Sie die Schritte 4.1.1 bis 4.1.2 für einzelne I-V-Merkmale, und glätten Sie dann jede Leiterbahn.</li>
		<li>Differenzieren Sie jede I-V-Kurve und wenden Sie eine entsprechende Glättung an.</li>
		<li>Lokalisieren Sie die Spitze jedes geglätteten dI/dV (Wendepunkt).</li>
		<li>Wenden Sie eine lineare Anpassung auf die Wendepunkte an.</li>
		<li>Ermitteln Sie das Plasmapotential, indem Sie den Nulldurchgang der Anpassungslinie lokalisieren.</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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<li>Godyak, V. A., Piejak, R. B., Alexandrovich, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+energy+distribution+function+measurements+and+plasma+parameters+in+inductively+coupled+argon+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Sources+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Electron energy distribution function measurements and plasma parameters in inductively coupled argon plasma.</a> Plasma Sources Science and Technology. 11, 525-543 (2002).</li>
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</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Langmuir-Sonden werden für Teilchenflussmessungen in einem außergewöhnlich breiten Bereich von Plasmadichten und -temperaturen verwendet, von Weltraumplasmen, in denen die Elektronendichte nur wenige Teilchen 106 m-3 beträgt, bis hin zum Randbereich von Fusionsplasmen, in denen die Elektronendichte eher einige Male 1020 m-3 beträgt. Darüber hinaus wurden Elektronentemperaturen zwischen 0,1 und einigen hundert eV mit Langmuir-Sonden diagnostiziert. Langmuir-Sonden werden häufig ...

Während dieses ersten Jahrhunderts der plasmaphysikalischen Forschung, das auf Langmuirs Entdeckungen des mediumartigen Verhaltens eines neuen Materiezustands, des Plasmas, in den 1920er Jahren zurückgeht, hat sich die Langmuir-Sonde als die wichtigste Diagnostik von Plasmaparametern erwiesen. Dies ist zum Teil auf den außergewöhnlichen Anwendungsbereich zurückzuführen1. In Plasma, das von Satelliten 2,3,4 angetroffen wurde, in Halbleiterverarbeitungsexperimenten,5,6,7,8 an den Rändern des Plasmas, das in Tokamaks eingeschlossen ist,9,10,11 und in einer Vielzahl von grundlegenden plasmaphysikalischen Experimenten wurden Langmuir-Sonden verwendet, um Plasmadichten und -temperaturen in den Bereichen 10 8≤ne zu messen.≤1019 m-3 bzw. 10-3≤Te≤102eV . Gleichzeitig erfand er in den 1920er Jahren die heute nach ihm benannte Sonde und die Emissionssonde12. Die Emissionssonde wird heute vor allem zur Diagnostik des Plasmapotentials eingesetzt. Obwohl sie nicht die Breite der Plasmaparameter messen kann, die die Langmuir-Sonde kann, ist sie auch eine Diagnostik von großem Nutzen, wenn es um die Messung des Plasmapotentials oder, wie es manchmal genannt wird, des elektrostatischen Raumpotentials geht. Zum Beispiel kann die Emissionssonde Raumpotentiale auch im Vakuum genau messen, wo Langmuir-Sonden nichts messen können.
Der Grundaufbau der Langmuir-Sonde besteht darin, eine Elektrode in das Plasma zu stecken und den gesammelten Strom zu messen. Die resultierenden Strom-Spannungs-Eigenschaften (I-V) können verwendet werden, um Plasmaparameter wie Elektronentemperatur Te, Elektronendichte ne und Plasmapotential φ13 zu interpretieren. Für ein Maxwell'sches Plasma kann die Beziehung zwischen gesammeltem Elektronenstrom Ie (als positiv angenommen) und Sondenvorspannung VB als14 ausgedrückt werden:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ1v2.jpg">
wobei Ie0 der Elektronensättigungsstrom ist,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ2v2.jpg">
und wobei S die Sammelfläche der Sonde ist, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ09.jpg"> die Elektronendichte ist, e die Elektronenladung ist, Te die Elektronentemperatur ist, me die Elektronenmasse ist. Die theoretische Beziehung der I-V-Eigenschaften für den Elektronenstrom wird in Abbildung 1A und Abbildung 1B auf zwei Arten dargestellt. Beachten Sie, dass Gl. (1a,b) nur für Bulk-Elektronen gilt. Langmuir-Sondenströme können jedoch Flüsse geladener Teilchen erkennen, und Anpassungen müssen in Gegenwart von Primärelektronen, Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen usw. vorgenommen werden. Siehe Hershkowitz14 für weitere Details.
Die Diskussion hier greift den Idealfall der Maxwellschen Elektronenenergieverteilungsfunktionen (EEDF) auf. Natürlich gibt es viele Umstände, unter denen Nicht-Idealitäten entstehen, aber diese sind nicht Gegenstand dieser Arbeit. Beispielsweise gibt es in materialverarbeitenden Ätz- und Abscheidungsplasmasystemen, die typischerweise HF-erzeugt und aufrechterhalten werden, molekulare Gasausgangsstoffe, die flüchtige chemische Radikale im Plasma erzeugen, und mehrere Ionenspezies, einschließlich negativ geladener Ionen. Das Plasma wird elektronegativ, dh es hat einen signifikanten Anteil der negativen Ladung im quasineutralen Plasma in Form von negativen Ionen. In Plasma mit molekularen Neutralen und Ionen können inelastische Kollisionen zwischen Elektronen und den molekularen Spezies Einbrüche15 in den Strom-Spannungs-Eigenschaften erzeugen, und das Vorhandensein von kalten negativen Ionen, die im Verhältnis zu den Elektronen kalt sind, kann signifikante Verzerrungen16 in der Nähe des Plasmapotentials erzeugen, die natürlich alle nicht-Maxwellsche Merkmale sind. Wir haben die Experimente in der in diesem Artikel diskutierten Arbeit in einem einzelnen Ionenspezies-Edelgas (Argon) DC-Entladungsplasma fortgesetzt, das frei von dieser Art von nicht-Maxwellschen Effekten ist. In diesen Entladungen findet sich jedoch typischerweise ein bi-Maxwellscher EEDF, der durch das Vorhandensein von Sekundärelektronenemission17 aus den Kammerwänden verursacht wird. Diese Komponente heißerer Elektronen ist typischerweise ein Vielfaches der kalten Elektronentemperatur und weniger als 1% der Dichte, die typischerweise leicht von der Dichte und Temperatur der Massenelektronen zu unterscheiden ist.
Wenn VB negativer wird als φ, werden Elektronen teilweise durch das negative Potential der Sondenoberfläche abgestoßen, und die Steigung von ln(Ie) vs. VB ist e/Te, dh. 1/TeV , wobei TeV die Elektronentemperatur in eV ist, wie in Abbildung 1B gezeigt. Nach der Bestimmung von TeV kann die Plasmadichte wie folgt abgeleitet werden:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ3v2.jpg">
Der Ionenstrom wird anders abgeleitet als der Elektronenstrom. Es wird angenommen, dass Ionen aufgrund ihrer relativ großen Masse Mi &gt;&gt; me im Vergleich zu der des Elektrons "kalt" sind, so dass sich die Ionen in einem schwach ionisierten Plasma in einem ziemlich guten thermischen Gleichgewicht mit den neutralen Gasatomen befinden, die sich bei der Wandtemperatur befinden. Ionen werden von der Sondenhülle abgestoßen, wenn VB φ ≥ , und gesammelt, wenn VB &lt; φ. Der gesammelte Ionenstrom ist bei negativ vorgespannten Sonden annähernd konstant, während der Elektronenfluss zur Sonde bei Sondenvorspannungen, die negativer sind als das Plasmapotential, abnimmt. Da der Elektronensättigungsstrom viel größer ist als der Ionensättigungsstrom, nimmt der von der Sonde gesammelte Gesamtstrom ab. Wenn die Sondenvorspannung zunehmend negativ wird, ist der Abfall des gesammelten Stroms groß oder klein, da die Elektronentemperatur kalt oder heiß ist, wie oben in Gl. (1a) beschrieben. Die Gleichung für den Ionenstrom in dieser Näherung lautet:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ4v2.jpg">
wo
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ5v2.jpg">
und
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ6v2.jpg">
Wir stellen fest, dass der konstante Ionenfluss, der von der Sonde gesammelt wird, den zufälligen thermischen Ionenfluss aufgrund der Beschleunigung entlang der Vorhülle der Sonde übersteigt und somit Ionen den Mantelrand der Sonde mit der Bohm-Geschwindigkeit18, uB, und nicht mit der thermischen Ionengeschwindigkeit19 erreichen. Und die Ionen haben eine Dichte, die den Elektronen entspricht, da die Vorhülle quasi neutral ist. Beim Vergleich des Ionen- und Elektronensättigungsstroms in Gl. 5 und 2 stellen wir fest, dass der Ionenbeitrag zum Sondenstrom um den Faktor kleiner <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ10.jpg">ist als der der Elektronen. Dieser Faktor liegt bei Argonplasma bei etwa 108.
Es gibt einen scharfen Übergangspunkt, an dem der Elektronenstrom von exponentiell zu konstant wird, der als "Knie" bezeichnet wird. Die Sondenvorspannung am Knie kann als Plasmapotential angenähert werden. Im realen Experiment ist dieses Knie nie scharf, sondern abgerundet, was auf den Raumladungseffekt der Sonde zurückzuführen ist, d. h. auf die Ausdehnung der Hülle, die die Sonde umgibt, und auch auf die Kontamination der Sonde und das Plasmarauschen13.
Die Langmuir-Sondentechnik basiert auf dem Sammelstrom, während die Emissionssondentechnik auf der Stromemission basiert. Emissionssonden messen weder Temperatur noch Dichte. Stattdessen liefern sie präzise Plasmapotentialmessungen und können in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden, da sie unempfindlich gegenüber Plasmaströmungen sind. Die Theorien und die Verwendung von Emissionssonden werden in der thematischen Übersicht von Sheehan und Hershkowitz20 und den darin enthaltenen Referenzen ausführlich diskutiert.
Für die Plasmadichte 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3 wird die Wendepunkttechnik an der Grenze der Nullemission empfohlen, was bedeutet, eine Reihe von I-V-Kurven mit jeweils unterschiedlichen Filamentheizströmen zu nehmen, die Wendepunkt-Vorspannung für jede I-V-Kurve zu ermitteln und die Wendepunkte bis zur Grenze der Nullemission zu extrapolieren, um das Plasmapotential zu erhalten. wie in Abbildung 2 dargestellt.
Es ist eine gängige Annahme, dass Langmuir- und Emissionssondentechniken im quasineutralen Plasma übereinstimmen, aber in der Hülle, dem Bereich des Plasmas, der mit der Grenze in Kontakt steht, in der die Raumladung auftritt, nicht übereinstimmen. Die Studie konzentriert sich auf das Plasmapotenzial in der Nähe von Plasmagrenzen in Niedertemperatur- und Niederdruckplasma, um diese gängige Annahme zu testen. Um Potentialmessungen sowohl mit der Langmuir-Sonde als auch mit der Emissionssonde zu vergleichen, wird das Plasmapotential auch durch Anwendung der Wendepunkttechnik auf die Langmuir-Sonde I-V bestimmt, wie in Abbildung 3 gezeigt. Es ist allgemein anerkannt1 , dass das Plasmapotential durch Ermitteln der Sondenvorspannung gefunden wird, bei der sich die zweite Ableitung des gesammelten Stroms in Bezug auf die Vorspannung, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ11.jpg">d. h. die Spitze der dI/dV-Kurve , in Bezug auf die Sondenvorspannung differenziert. Abbildung 3 zeigt, wie dieses Maximum in dI/dV, dem Wendepunkt der Strom-Spannungs-Kennlinie, ermittelt wird.
Langmuir-Sonden (sammelnd) und emittierende Sonden (emittierend) haben unterschiedliche I-V-Eigenschaften, die auch von der Geometrie der Sondenspitze abhängen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Der Raumladungseffekt der Sonde muss vor der Sondenherstellung berücksichtigt werden. In den Experimenten verwendeten wir für die planaren Langmuir-Sonden eine planare 1/4"-Tantalscheibe. Wir könnten mehr Strom sammeln und größere Signale mit einer größeren Scheibe erhalten. Damit die obigen Analysen angewendet werden können, muss jedoch die Fläche der Sonde Ap kleiner gehalten werden als die Elektronenverlustfläche der Kammer Aw, was der Ungleichung <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ12.jpg">21 entspricht. Für die zylindrische Langmuir-Sonde verwendeten wir einen 0,025 mm dicken, 1 cm langen Wolframdraht für die zylindrische Langmuir-Sonde und eine gleiche Dicke für den Wolframdraht für die Emissionssonde. Es ist wichtig zu beachten, dass bei zylindrischen Langmuir-Sonden für die Plasmaparameter dieser Experimente der Radius der Sondenspitze, rp, viel kleiner ist als ihre Länge, Lp, und kleiner als die Debye-Länge, λD; das heißt, <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ13.jpg">und <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ14.jpg">. In diesem Parameterbereich finden wir unter Anwendung der Theorie der Orbital Motion Limited und Laframboises Entwicklung22 für den Fall von thermischen Elektronen und Ionen, dass für Sondenvorspannungen, die gleich oder größer als das Plasmapotential sind, der gesammelte Elektronenstrom durch eine Funktion der Form <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ15.jpg">parametrisiert werden kann, wobei der Exponent <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ16.jpg">. Der wichtige Punkt hier ist, dass für Werte dieses Exponenten kleiner als Eins die Wendepunktmethode zur Bestimmung des Plasmapotentials, wie im obigen Absatz beschrieben, auch für zylindrische Langmuir-Sonden gilt.

<table><tbody><tr><td>0,001" dicker Wolframdraht</td><td>Midwest Wolfram Service</td><td>0,001"</td> <td>Emissionssondenfilament</td></tr><tr><td>0,005" dickes Tantalblech</td><td>Midwest Tungsten Service</td><td>0,005"</td> <td>Heizfilament zur Erzeugung von Plasma</td></tr><tr><td>1/2" Messing Supprting Rohr</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1/4" Messing Ferrule Set</td><td>Swagelok</td><td>B-400-SET</td><td>Schnittstelle zwischen rostfreier Sondenwelle und Swagelok-Rohrverschraubung</td></tr><tr><td>1/4" OD 304 oder 315 Edelstahlrohr</td><td>Swagelok</td><td>SS-T4-S-035-20</td><td>Wird verwendet, um die Sondenwelle herzustellen, bestellen Sie nahtlos, verkauft in 20-Zoll-Längen</td></tr><tr><td>Aluminiumoxidrohre</td><td>COORSTEK</td><td>65655, Einzelbohrung 0,156" OD 0,094 ID</td><td>Einzelbohrung, Doppelbohrung, Vierfachbohrung, Verwendung für die Stützstruktur sowohl für Emissions- als auch für Langmuir-Sonden zwischen Sondenspitze und Welle</td></tr><tr><td>Baratron Manometer</td><td>MKS</td><td>Typ 127</td><td>Anzeige des Drucks, wenn Gas in die Kammer strömt</td></tr><tr><td>Messing Swagelok Rohrverschraubung</td><td>Swagelok</td><td>B-400-1-OR</td><td>Rohrverschraubungen für die Sonde</td></tr><tr><td>Messing Swagelok Rohrverschraubung</td><td>Swagelok</td><td>B-810-6</td><td>Rohrverschraubungen für die Sonde</td></tr> Messing <tr><td>Swagelok Rohrverschraubung</td><td>Swagelok</td><td>B-810-1-OR</td><td>Rohrverschraubungen für die Sonde Sonde</td></tr><tr><td>Keramische Flüssigkeit</td><td>Sauereisen</td><td>Nr. 31 Keramische Verkapselungsflüssigkeit</td><td>Mischen Sie sich mit der Zementkraft Nr. 31 zur Herstellung der Keramikpaste</td></tr><tr><td>Keramikpulver</td><td>Sauereisen</td><td>Zementpulver Nr. 31 Off-White</td><td>Es gibt Saureisen-Zemente, die mit Wasser aushärten, z.B. Nr.10 Pulver</td></tr><tr><td>Vergoldeter Nickeldraht</td><td>SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT</td><td></td><td>spod-geschweißt mit der Sondenspitze, um Stützen</td></tr> <tr><td>zu bietenIonenmessgerät-Controller</td><td>Granville-Phillips</td><td>270 Messgerät-Controller</td><td>Erwärmen Sie das Ionenmessgerät und zeigen Sie den Druck in der Kammer</td></tr> an <tr><td>Mechanische Pumpe</td><td>Leybold D60 D60AC</td><td>D60 D60AC</td><td>Senken Sie den Druck auf ~10 mTorr und dienen Sie dann als Vorpumpe für die Turbopumpe</td></tr><tr><td>Nadelventil</td><td>Whitey</td><td>SS-22RS4</td><td>Dosier-Mikronadel-Mikrometerventil 1/4" Rohr Swagelok-Anschlüsse</td></tr><tr><td>Stromversorgung</td><td>Kepco</td><td>ATE 100-10M</td><td>Spannungsvorspannung Versorgung des Heizfadens</td></tr> Stromversorgung <tr><td></td><td>Sorensen</td><td>DCR 20-115B</td><td>Heizung Versorgung des Heizfadens</td></tr><tr><td>Absperrventil</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>Nupro SS-4BK</td><td>Knopfgriff, für 1/4" Schlauch, Swagelok-Verschraubungen</td></tr><tr><td>Edelstahl Ultra-Torr Vakuumverschraubung</td><td>Swagelok</td><td>SS-4-UT-A-8</td><td>Rohrverschraubungen für die Sonde</td></tr><tr><td>Teflonbeschichteter Draht</td><td>Geyer Systems</td><td>P31546</td><td>Verbinden Sie den goldbeschichteten Draht mit dem BNC-Pin</td></tr><tr><td>Turbopumpe</td><td>PFEIFFER</td><td>TPH 240 C</td><td>Bringen Sie den Druck auf 1E-6 Torr</td></tr><tr><td>Vakuumfett</td><td>APIEZON</td><td>L Ultra High Vacuum Grade Grease</td><td>Vakuumfett zur Schmierung des Orings</td></tr><tr><td>Viton Orings</td><td>Grainger</td><td>#031</td><td>Rund #031 Mittelharter Viton-O-Ring, 1.739" I.D., 1.879" AD</td></tr><tr><td>Viton Orings</td><td>Grainger</td><td>#010</td><td>Rund #010 Mittelharter Viton O-Ring, 0.239" I.D., 0.379" O.D</td></tr></tbody></table>

bau von langmuir-sonden und emissionssonden für plasmapotentialmessungen in niederdruck- und niedertemperaturplasmen

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

Langmuir-Sonden werden seit ihrer Erfindung durch Langmuir in den frühen 1920er Jahren seit langem in der experimentellen Plasmaphysik als primäre Diagnose für Teilchenflüsse (d. h. Elektronen- und Ionenflüsse) und ihre lokalen räumlichen Konzentrationen, für Elektronentemperaturen und für elektrostatische Plasmapotentialmessungen verwendet. Emissionssonden werden zur Messung von Plasmapotentialen verwendet. Die in dieser Arbeit gezeigten Protokolle dienen dazu, zu demonstrieren, wie diese Sonden für den Einsatz in einer Vakuumkammer gebaut werden können, in der eine Plasmaentladung eingeschlossen und aufrechterhalten werden kann. Dabei handelt es sich um Vakuumtechniken zum Aufbau einer elektrischen Durchführung, die dreh- und verschiebbar ist. Sicherlich können komplette Langmuir-Sondensysteme erworben werden, aber sie können auch vom Benutzer mit erheblichen Kosteneinsparungen gebaut und gleichzeitig direkter an ihren Einsatz in einem bestimmten Experiment angepasst werden. Wir beschreiben die Verwendung von Langmuir-Sonden und Emissionssonden bei der Abbildung des elektrostatischen Plasmapotentials vom Plasmakörper bis zum Mantelbereich einer Plasmagrenze, die in diesen Experimenten durch eine negativ vorgespannte Elektrode erzeugt wird, die in das Plasma eingetaucht ist, um die beiden diagnostischen Techniken zu vergleichen und ihre relativen Vor- und Nachteile zu bewerten. Obwohl Langmuir-Sonden den Vorteil haben, die Plasmadichte und die Elektronentemperatur am genauesten zu messen, können emittierende Sonden elektrostatische Plasmapotentiale im gesamten Plasma bis einschließlich des Mantelbereichs genauer messen.

Langmuir-Sonden, von denen bekannt ist, dass sie empfindlich auf Strömungen und die kinetische Energie der von ihnen gesammelten Teilchen reagieren, wurden bisher als valide Messungen des Plasmapotentials angesehen, außer in Hüllen. Direkte Vergleiche von Plasmapotentialen, die mit Langmuir-Sonden und Emissionssonden gemessen wurden, haben jedoch gezeigt, dass Langmuir-Sonden im quasineutralen Vorhüllenbereich des Plasmas, das unmittelbar mit der Plasmahülle auf der Plasmaseite in Kontakt steht, keine genauen Messungen d...

Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, Forschungsgruppen, die mit Langmuir-Sonden und Emissionssonden nicht vertraut sind, die Verwendung als Plasmadiagnostik zu erleichtern, insbesondere in der Nähe von Plasmagrenzen. Wir tun dies, indem wir demonstrieren, wie die Sonden aus leicht verfügbaren Materialien und Verbrauchsmaterialien gebaut werden.

Bau von Langmuir-Sonden und Emissionssonden für Plasmapotentialmessungen in Niederdruck- und Niedertemperaturplasmen

Langmuir probes have long been used in experimental plasma physics research as the primary diagnostic for particle fluxes (i.e., electron and ion fluxes) ...

Wir bieten ein Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Herstellung von Langmuir-Sonden und Emissionssonden unter Verwendung von leicht verfügbarem Labormaterial für Forscher, die selbst bauen möchten. Die Verwendung von leicht verfügbarem Material im Labor macht es billiger und einfacher, elektrostatische Sonden für die Plasmadiagnostik zu bauen und zu warten, und macht das System anpassungsfähiger an verschiedene Laborumgebungen. Die in unserem Bauprotokoll verwendete Vakuumschnittstelle kann auch als Durchgangsmethode für andere Niederdruckgeräte verwendet werden.Bei der Durchführung dieses Protokolls können die Überprüfung des elektrischen Durchgangs, das Aushärten der Keramikpaste und das Management der Zerbrechlichkeit der Sonde zunächst eine Herausforderung darstellen. Beginnen Sie mit der Konstruktion der Langmuire-Sonden. Nehmen Sie ein Edelstahlrohr mit einem Durchmesser von einem Viertelzoll als Sondenschaft.Schneiden Sie das Rohr so ab, dass die Sonde axial mehr als die Hälfte der Kammerlänge abdecken kann. Montieren Sie die gebogene Seite der Welle durch ein Messingrohr mit einem SS-4-UT-A-8-Adapter in Kombination mit einer B-810-6 Union-Rohrverschraubung. Verwenden Sie ein halbes Zoll Messingrohr, das über eine B-810-1 OR Swagelok-Schnittstelle aus den kundenspezifischen Flanschen herausragt, um die Sondenwelle axial zu stützen.Verbinden Sie das gebogene Ende der Sondenwelle über eine B-400-1 OR Swagelok-Armatur mit dem BNC-Gehäuse. Stecken Sie den goldbeschichteten Nickeldraht durch zwei Aluminiumoxidrohre mit einer Bohrung und passen Sie das dickere Rohr in den Sondenschaft. Schweißen Sie ein Ende des goldbeschichteten Nickeldrahtes auf ein Stück abisolierten Drahtes, der am Ende der Sondenwelle auf den Stift der BNC-Durchführung aufgesättet wird.Schneiden Sie dann den goldbeschichteten Draht so ab, dass die Verbindung mit dem abisolierten Draht in das Aluminiumoxidrohr passt, um einen Kurzschluss mit der Sondenwelle zu vermeiden. Stanzen Sie durch ein Tantalblech, um eine Langmuir-Sondenspitze mit einem Viertelzoll herzustellen, und schweißen Sie das andere Ende des goldbeschichteten Nickeldrahtes an die Kante der Spitze, wobei Sie die Sondenspitze senkrecht zur Achse der Begrenzungsplatte einstellen. Positionieren Sie die Sondenspitze leicht nach vorne, damit der Sondenkörper die Begrenzungsplatte nicht berührt, während Messungen im Inneren des Mantels durchgeführt werden.Versiegeln Sie alle Verbindungen mit Keramikpaste, um die Komponenten des Sondenkreises vom Plasma zu isolieren, und backen Sie die Keramikverbindungen mit einem Wärmeableiter fünf bis 10 Minuten lang. Verwenden Sie ein Multimeter, um den Widerstand zwischen der Tastspitze und dem BNC-Anschluss zu messen. Wenn die Kontinuität nachgewiesen ist, kann die Sonde in die Vakuumkammer eingesetzt werden.Um eine zylindrische Admissivsonde zu bauen, befolgen Sie das zuvor beschriebene Verfahren mit Ausnahme der Verwendung eines Aluminiumrohrs mit einem Achtelzoll und zwei Bohrungen anstelle eines Aluminiumrohrs mit einer Bohrung. Schneiden Sie den Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,025 Millimetern auf etwa einen Zentimeter und schweißen Sie das Wolframfilament auf goldbeschichtete Drähte. Versiegeln Sie Alt-Verbindungen mit Keramikpaste und achten Sie darauf, dass die Paste nicht auf das Wolframfilament gelangt.Überprüfen Sie den Durchgang zwischen den beiden BNC-Enden. Schalten Sie das Ionenmessgerät ein, um den Basisdruck zu überprüfen, bevor Sie Gas in die Kammer einfüllen. Andernfalls prüfen Sie, ob das System undicht ist.Verwenden Sie den Stift, um das Baratron-Display zu kalibrieren, bis die Zahl innerhalb von plus oder minus 0,01 Millitorr schwebt. Stellen Sie sicher, dass sich das Nadelventil in einer geschlossenen Position befindet. Öffnen Sie dann das Absperrventil und prüfen Sie, ob sich der Baratron-Messwert nicht ändert.Drehen Sie langsam den Knopf des Nadelventils, um das Gas in die Kammer abzulassen, bis der erforderliche Druck erreicht ist. Schalten Sie die Spannungsversorgung ein und stellen Sie die Spannung auf minus 60 Volt ein, um genügend Elektronenenergie für den maximalen Ionisationsquerschnitt der Argonnen bereitzustellen. Schalten Sie dann die Heizstromversorgung für die Filamente ein und stellen Sie den Pegel langsam ein, bis der Entladestrom den gewünschten Wert anzeigt.Schließen Sie die Spannungsversorgung an die Begrenzungsplatte an und stellen Sie die Vorspannung auf den gewünschten Pegel ein. Fahren Sie dann mit der Messung fort. Schließen Sie die Sonde an den Datenerfassungs- und Steuerstromkreis an und fahren Sie fort, die an die Sonde angelegte Spannung zu sweepen, während Sie gleichzeitig den von der Sonde aufgenommenen Strom messen.Speichern Sie die Stromspannungsspur. Wiederholen Sie die Datenerfassung mit den admissiven Sonden, der Datenerfassung und dem Steuerkreis. Langmuir-Sonden wurden in vier verschiedenen Konfigurationen gebaut und als LPJ bezeichnet, wobei J eine ganze Zahl von eins bis vier war.Zu den Sondendesigns gehörten die zylindrische Langmuir-Sonde LP eins, die doppelseitige Langmuir-Sonde LP zwei, die Hobel-Langmuir-Sonde LP drei, bei der die der Grenzplatte zugewandte Seite mit Keramikpaste versiegelt war, und die planare Langmuir-Sonde LP vier, bei der die von der Grenzplatte abgewandte Seite mit Keramikpaste bedeckt war. Der Vergleich zwischen Langmuir-Sonde und einer Fehlsonde Potentialmessungen ist hier dargestellt. Alle vier Langmuir-Sondentypen wurden mit einer Messsonde verglichen, um festzustellen, wie gut sie Plasmapotentiale in der Nähe von Plasmagrenzen, insbesondere im Bereich vor der Hülle, messen.Verschiedene Sondendesigns wurden getestet, um festzustellen, ob die Art und Weise, wie die Langmuir-Sonden zur Messung von Plasmapotentialen verwendet werden, genaue Ergebnisse liefert. Alle Messungen der Langmuir-Sonde wurden mit admissiven Sondenmessungen des Plasmapotentials verglichen. In der Vorhülle unterscheiden sich die gemessenen Plasmapotentiale aller Langmuir-Sonden von denen, die von admissiven Sonden gemessen wurden.Der Unterschied vergrößert sich mit der Nähe zum Mantelrand und wächst auf einen Wert von vielen Elektronentemperaturen. Plasmaparameter wie Temperatur, Dichte, zu kaufende Längen und Längen der Langmuir-Scheiden, die aus den Messungen von LP zwei im Großteil des Plasmas erhalten wurden, sind hier dargestellt. Diese Parameter helfen dabei, gute Schätzungen der nominalen Manteldicke für planare Langmuir-Sonden zu erstellen.Um dieses Protokoll erfolgreich durchzuführen, backen Sie beim Trocknen der Keramikpaste alle Luftblasen aus. Und bevor Sie die Sonde in die Vakuumkammer stecken, vergessen Sie nicht, die Durchgangsprüfung zwischen dem Sondenband und dem BNC-Kopf sowie die Installationsprüfung zwischen dem Sondenband und der Sondenwelle durchzuführen. Elektrostatische Sonden werden verwendet, um die Plasmawellen zu detektieren und zu starten, um das Vorhandensein der Plasmainstabilitäten zu messen und die kohärente Struktur im Plasma zu kartieren, wie z. B. Doppelschichten und feste Tonnen.

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Research

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