Construction de sondes de Langmuir et de sondes émissives pour les mesures de potentiel plasma dans les plasmas basse pression et basse température

Résumé

L’objectif principal de ce travail est de permettre aux groupes de recherche peu familiers avec les sondes de Langmuir et les sondes émissives de les utiliser plus facilement comme diagnostics plasmatiques, en particulier près des limites du plasma. Pour ce faire, nous montrons comment construire les sondes à partir de matériaux et de fournitures facilement disponibles.

Résumé

Les sondes de Langmuir sont utilisées depuis longtemps dans la recherche expérimentale en physique des plasmas comme principal diagnostic des flux de particules (c’est-à-dire les flux d’électrons et d’ions) et de leurs concentrations spatiales locales, des températures des électrons et des mesures du potentiel électrostatique du plasma, depuis leur invention par Langmuir au début des années 1920. Les sondes émissives sont utilisées pour mesurer les potentiels plasma. Les protocoles présentés dans ce travail servent à démontrer comment ces sondes peuvent être construites pour être utilisées dans une chambre à vide dans laquelle une décharge de plasma peut être confinée et maintenue. Cela implique des techniques de vide pour construire ce qui est essentiellement un passage électrique, rotatif et traduisible. Certes, des systèmes complets de sondes Langmuir peuvent être achetés, mais ils peuvent également être construits par l’utilisateur avec des économies considérables, et en même temps être plus directement adaptés à leur utilisation dans une expérience particulière. Nous décrivons l’utilisation des sondes de Langmuir et des sondes émissives pour cartographier le potentiel du plasma électrostatique du corps du plasma jusqu’à la région de la gaine d’une limite de plasma, qui dans ces expériences est créée par une électrode à polarisation négative immergée dans le plasma, afin de comparer les deux techniques de diagnostic et d’évaluer leurs avantages et faiblesses relatifs. Bien que les sondes de Langmuir aient l’avantage de mesurer la densité du plasma et la température des électrons avec la plus grande précision, les sondes émissives peuvent mesurer les potentiels du plasma électrostatique avec plus de précision dans tout le plasma, jusqu’à la région de la gaine incluse.

Introduction

Au cours de ce premier siècle de recherche en physique des plasmas, datant des découvertes de Langmuir dans les années 1920 sur le comportement semblable à celui d’un milieu d’un nouvel état de la matière, le plasma, la sonde Langmuir s’est avérée avoir été le diagnostic le plus important des paramètres du plasma. Cela est vrai en partie, en raison de son extraordinaire champ d’application¹. Dans le plasma rencontré par les satellites ^2,3,4, dans les expériences de traitement des semi-conducteurs,5,6,7,8 sur les bords du plasma confiné dans

Protocole

1. Construire des sondes Langmuir et des sondes émissives pour s’adapter à une chambre à vide

1. Sonde de Langmuir plane (voir la figure 5 pour plus de détails)
   1. Prenez un tube en acier inoxydable de 1/4" de diamètre comme arbre de la sonde et pliez une extrémité à l’angle souhaité de 90°.
   2. Coupez le côté non plié à une longueur telle que la sonde puisse couvrir axialement plus de la moitié de la longueur de la chambre.
   3. Montez le côté non plié de l’arbre à travers le tube en laiton à l’aide d’un adaptateur SS-4-UT-A-8 en combinaison avec un raccord de tube union B-810-6.
   4. Utilisez un tube en lai....

Résultats

Les sondes de Langmuir, connues pour être sensibles aux écoulements et à l’énergie cinétique des particules qu’elles collectent, ont jusqu’à présent été considérées comme permettant une mesure valide du potentiel plasmatique, sauf dans les gaines. Mais des comparaisons directes des potentiels plasma mesurés par les sondes de Langmuir et les sondes émissives ont démontré que dans la région de la prégaine quasi-neutre du plasma immédiatement en contact avec la gaine du côté du plasma, les sondes de Langmuir ne fournissent .......

Discussion

Les sondes de Langmuir sont utilisées pour mesurer le flux de particules dans une gamme extraordinairement large de densités et de températures de plasma, des plasmas spatiaux dans lesquels la densité électronique n’est que de quelques particules 10^{6 m-3} à la région de bord des plasmas de fusion où la densité électronique est plutôt de quelques fois 10^{20 m-3}. De plus, des températures d’électrons comprises entre 0,1 et quelques centaines d’eV ont été diagnostiquées avec des son.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Fil de tungstène de 0,001 po d’épaisseur	Midwest Tungsten Service	0,001 po	Filament de sonde émissive Feuille
tantale de 0,005 po d’épaisseur	Midwest Tungsten Service	0,005 po	Filament chauffant pour générer du plasma
Tube de soutien en laiton 1/2 po Ensemble
viroles en laiton 1/4 po Swagelok		B-400-SET	Interface entre l’arbre de la sonde en acier inoxydable et le raccord de tube swagelok
1/4 » OD 304 ou 315 Tube en acier inoxydable	Swagelok	SS-T4-S-035-20	Utilisé pour fabriquer l’arbre de la sonde, commander sans soudure, vendu en longueurs de 20' Tubes
en alumine	COORSTEK	65655, alésage simple 0,156 » OD 0,094 ID	Alésage simple, alésage double, alésage quadruple, utilisation comme structure de support pour les sondes émissives et Langmuir entre la pointe de la sonde et l’arbre
Manomètre Baratron	MKS	Type 127	Affichage de la pression lorsqu’il y a du gaz qui s’écoule dans la chambre
Raccord de tube Swagelok en laiton	Swagelok	B-400-1-OR	Raccords de tube utilisés sur la
sonde Raccord de tube	Swagelok	B-810-6	Raccords de tube utilisés sur la
sonde Raccord de tube Swagelok		B-810-1-OR	sonde
Liquide céramique	Sauereisen	n° 31 Mélange de liquide d’encapsulation en céramique	puissance de ciment n° 31 pour fabriquer la pâte céramique
Poudre de ciment	Sauereisen	n° 31 Off-White	Il existe des ciments Saureisen qui durcissent à l’eau, par exemple la poudre n° 10
Fil de nickel plaqué or	SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT		soudé par soudure à la pointe de la sonde pour fournir des supports
Contrôleur de jauge	Granville-Phillips	270 Contrôleur de jauge	Chauffer la jauge ionique et afficher la pression à l’intérieur de la chambre
Pompe mécanique	Leybold D60 D60AC	D60 D60AC	Réduire la pression à ~10 mTorr puis servir de pompe primaire pour la
vanne à pointeau	Whitey	SS-22RS4	Dosage Micro-aiguille Vanne micrométrique Tube 1/4" Raccords Swagelok
Alimentation électrique	Kepco	ATE 100-10M	Tension Alimentation en polarisation du filament chauffant
Alimentation en énergie	Sorensen	DCR 20-115B	Alimentation en chauffage de la vanne d’arrêt du filament chauffant
	Kurt J. Lesker	Nupro SS-4BK	Poignée de bouton, pour tube 1/4", raccords swagelok
Raccord à vide Ultra-Torr en acier inoxydable	Swagelok	SS-4-UT-A-8	Raccords de tube utilisés sur la sonde
Fil revêtu de téflon	Geyer Systems	P31546	Connecter le fil recouvert d’or à la broche BNC
Pompe turbo	PFEIFFER	TPH 240 C	Réduire la pression à 1E-6 Torr
Graisse sous vide	APIEZON	L Ultra High Vacuum Grade Graisse sous vide	Graisse sous vide utilisée pour lubrifier le joint torique
Viton	Grainger	#031	Round #031 Medium Hard Viton O-Ring, 1.739" I.D., 1.879 » O.D
Viton Orings	Grainger	#010	Rond #010 Medium Hard Viton O-Ring, 0.239 » I.D., 0.379"O.D

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