El objetivo principal de este trabajo es facilitar a los grupos de investigación que no están familiarizados con las sondas de Langmuir y las sondas emisivas su uso como diagnóstico de plasma, especialmente cerca de los límites del plasma. Para ello, demostramos cómo construir las sondas a partir de materiales y suministros fácilmente disponibles.
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Artículo de método
Construcción de sondas Langmuir y sondas emisivas para mediciones de potencial de plasma en plasmas de baja presión y baja temperatura
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En este artículo
Resumen
Resumen
Las sondas de Langmuir se han utilizado durante mucho tiempo en la investigación experimental de la física del plasma como el diagnóstico principal de los flujos de partículas (es decir, flujos de electrones e iones) y sus concentraciones espaciales locales, para las temperaturas de los electrones y para las mediciones del potencial del plasma electrostático, desde su invención por Langmuir a principios de la década de 1920. Las sondas emisivas se utilizan para medir los potenciales de plasma. Los protocolos expuestos en este trabajo sirven para demostrar cómo se pueden construir estas sondas para su uso en una cámara de vacío en la que se puede confinar y mantener una descarga de plasma. Esto implica técnicas de vacío para construir lo que es esencialmente un paso eléctrico, uno que es giratorio y traducible. Ciertamente, se pueden comprar sistemas completos de sondas Langmuir, pero también pueden ser construidos por el usuario con un considerable ahorro de costos y, al mismo tiempo, adaptarse más directamente a su uso en un experimento en particular. Describimos el uso de sondas Langmuir y sondas emisivas en el mapeo del potencial de plasma electrostático desde el cuerpo del plasma hasta la región de la vaina de un límite de plasma, que en estos experimentos es creado por un electrodo de polarización negativa sumergido dentro del plasma, con el fin de comparar las dos técnicas de diagnóstico y evaluar sus ventajas y debilidades relativas. Aunque las sondas de Langmuir tienen la ventaja de medir la densidad del plasma y la temperatura de los electrones con mayor precisión, las sondas emisivas pueden medir los potenciales electrostáticos del plasma con mayor precisión en todo el plasma, hasta la región de la vaina.
Introducción
Durante este primer siglo de investigación en física del plasma, que data de los descubrimientos de Langmuir en la década de 1920 sobre el comportamiento de un nuevo estado de la materia, el plasma, la sonda Langmuir ha demostrado haber sido el diagnóstico más importante de los parámetros del plasma. Esto es cierto, en parte, debido a su extraordinario rango de aplicabilidad1. En el plasma encontrado por los satélites 2,3,4, en experimentos de procesamiento de semiconductores,5,6,7,8....
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Protocolo
1. Construcción de sondas Langmuir y sondas emisivas para que quepan en una cámara de vacío
- Sonda plana de Langmuir (consulte la Figura 5 para obtener más detalles)
- Tome un tubo de acero inoxidable de 1/4" de diámetro como eje de la sonda y doble un extremo al ángulo deseado de 90°.
- Corte el lado no doblado a una longitud para que la sonda pueda cubrir axialmente más de la mitad de la longitud de la cámara.
- Coloque el lado no doblado del eje a través del tubo de latón mediante un adaptador SS-4-UT-A-8 en combinación con un accesorio de tubo de unión B-810-6.
- Utilice un tubo de latón de 1/2....
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Resultados
Hasta ahora se ha considerado que las sondas de Langmuir, conocidas por ser sensibles a los flujos y a la energía cinética de las partículas que recogen, proporcionan una medición válida del potencial del plasma, excepto en vainas. Sin embargo, las comparaciones directas de los potenciales plasmáticos medidos por las sondas de Langmuir y las sondas emisivas han demostrado que en la región cuasineutral de la prevaina del plasma inmediatamente en contacto con la vaina del lado del plasma, las sondas de Langmuir no proporci.......
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Discusión
Las sondas de Langmuir se utilizan para medir el flujo de partículas en un rango extraordinariamente amplio de densidades y temperaturas de plasma, desde plasmas espaciales en los que la densidad de electrones es de unas pocas partículas de 106 m-3 hasta la región de borde de los plasmas de fusión donde la densidad de electrones es más bien de unas pocas veces 1020 m-3. Además, se han diagnosticado temperaturas de electrones entre 0,1 y unos pocos cientos de eV con sondas de La.......
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Este trabajo fue parcialmente financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés), a través de la subvención DE-SC00114226, y la Fundación Nacional de Ciencias a través de las subvenciones PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 y PHY-1804240
Homenaje a Noah Hershkowitz:
Noah Hershkowitz hizo contribuciones innovadoras a la física del plasma, al tiempo que se ganó el respeto y la admiración de sus colegas y estudiantes, tanto como científico como ser humano. "La física", explicó una vez, "es como un rompecabezas que es muy viejo. Todas las piezas están desgastadas. Sus bordes es....
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Alambre de tungsteno de 0.001" de espesor | Servicio de tungsteno del Medio Oeste | 0.001" | Filamento de sonda emisiva |
| Lámina de tantalio de 0.005" de espesor | Servicio de tungsteno del Medio Oeste | 0.005" | Filamento calefactor para generar plasma |
| 1/2" Tubo | |||
| Juego de férulas de latón de 1/4" | Swagelok | B-400-SET | Interfaz entre el eje de la sonda de acero inoxidable y el racor de tubo Swagelok |
| 1/4" de diámetro exterior Tubo de acero inoxidable 304 o 315 | Swagelok | SS-T4-S-035-20 | Se utiliza para fabricar el eje de la sonda, pedido sin costura, vendido en longitudes de 20' |
| Tubos de alúmina | COORSTEK | 65655, orificio simple 0.156" OD 0.094 ID | orificio simple, orificio doble, orificio cuádruple, uso para estructura de soporte para sondas emisivas y Langmuir entre la punta de la sonda y el eje |
| Manómetro Baratron | MKS | Tipo 127 | Muestra la presión cuando hay gas fluyendo en la cámara |
| Racor de tubo Swagelok de latón | Swagelok | B-400-1-OR | Racores de tubo utilizados en la sonda |
| Racor de tubo Swagelok de latón | Swagelok | B-810-6 | Racores de tubo utilizados en la sonda |
| Racor de tubo Swagelok de latón | Swagelok | B-810-1-OR | Racores de tubo utilizados en el |
| sonda Líquido cerámico | Sauereisen | Nº 31 Encapsulante cerámico Líquido | Mezcle con cemento Nº 31 potencia para hacer la pasta cerámica |
| Polvo cerámico | Sauereisen | Cemento Polvo Nº 31 Blanco roto | Hay cementos Saureisen que curan con agua, por ejemplo, Polvo No.10 |
| Alambre de níquel chapado en oro | PRODUCTO | soldado a la punta de la sonda para proporcionar soportes | |
| Controlador de manómetro de iones | Granville-Phillips | 270 Controlador de manómetro | Caliente el manómetro de iones y muestre la presión dentro de la cámara |
| Bomba mecánica | Leybold D60 D60AC | D60 D60AC | Reduzca la presión a ~ 10 mTorr y luego sirva como bomba de respaldo para la |
| Whitey | SS-22RS4 | Válvula de micrómetro de microaguja dosificadora Tubo de 1/4" Accesorios Swagelok | |
| Fuente de alimentación | Kepco | ATE 100-10M | Alimentación de polarización de voltaje de filamento calefactor |
| Fuente de alimentación | Sorensen | DCR 20-115B | Suministro de calefacción de la válvula de cierre del filamento calefactor |
| Kurt J. Lesker | Nupro SS-4BK | Mango de pomo, para tubo de 1/4", racores swagelok | |
| Racor de vacío Ultra-Torr de acero inoxidable | Swagelok | SS-4-UT-A-8 | Racores de tubo utilizados en la sonda |
| Alambre recubierto de teflón | Geyer Systems | P31546 | Conecte el cable recubierto de oro al pin BNC |
| Bomba turbo | PFEIFFER | TPH 240 C | Reduzca la presión a 1E-6 Torr |
| Grasa de vacío | APIEZON | L Grasa de grado de vacío ultra alto | Grasa de vacío utilizada para lubricar el oring |
| Viton Orings | Grainger | #031 | Round #031 Junta tórica de Viton de dureza media, 1.739" de diámetro interior, 1.879" O.D |
| Viton Orings | Grainger | #010 | Redondo #010 Junta tórica de Viton de dureza media, 0.239" D.I., 0.379"O.D |
Referencias
- 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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Reimpresiones y permisos
