Name: 저압, 저온 플라즈마에서 플라즈마 전위 측정을 위한 Langmuir 프로브 및 방출 프로브 구축 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-25T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 10 s
Description: 배우세요 저압 플라즈마 진단을 위한 Langmuir 프로브와 방출 프로브 제작 방법을 단계별로 익히세요. 일반 실험실 재료를 활용하여 비용 효율적인 플라즈마 전위 측정 시스템을 구축할 수 있습니다.

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이 연구는 보조금DE-SC00114226를 통해 미국 에너지부(DOE)와 보조금 PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 및 PHY-1804240을 통해 국립과학재단(National Science Foundation)에서 부분적으로 자금을 지원받았습니다
노아 허시코위츠(Noah Hershkowitz)에게 바치는 헌사: 노아 허시코위츠(Noah Hershkowitz)는 플라즈마 물리학에 획기적인 공헌을 했으며, 과학자이자 인간으로서 동료와 학생들의 존경과 찬사를 받았습니다.  "물리학은 정말 오래된 직소 퍼즐과 같습니다. 모든 조각이 닳아 없어졌습니다. 가장자리가 엉망입니다. 일부 조각은 잘못된 방식으로 조립되었습니다. 그것들은 어느 정도 맞지만 실제로는 올바른 위치에 있지 않습니다. 이 게임은 세상이 어떻게 돌아가는지 알아내기 위해 올바른 방법으로 그것들을 모으는 것입니다.  그는 2020년 11월 13일 79세의 나이로 사망했습니다.

1. 진공 챔버에 맞는 Langmuir 프로브 및 발광 프로브 제작
<ol><li>평면 Langmuir 프로브(자세한 내용은 그림 5 참조)<ol><li>1/4" 직경의 스테인리스 스틸 튜브를 프로브 샤프트로 사용하고 한쪽 끝을 원하는 90° 각도로 구부립니다.</li>
		<li>프로브가 챔버 길이의 절반 이상을 축 방향으로 덮을 수 있도록 구부러지지 않은 면을 길이로 자릅니다.</li>
		<li>B-4-8 유니온 튜브 피팅과 함께 SS-810-UT-A-6 어댑터를 사용하여 황동 튜브를 통해 샤프트의 구부러지지 않은 면을 맞춥니다.</li>
		<li>B-810-1-OR 스웨즈락 인터페이스를 통해 맞춤형 플랜지에서 연장되는 1/2" 황동 튜브를 사용하여 프로브 샤프트를 축 방향으로 지지합니다.</li>
		<li>그림 400과 같이 B-1-6-OR 스웨즈락 피팅을 통해 프로브 샤프트의 구부러지지 않은 끝을 BNC 하우징에 연결합니다.</li>
		<li>그림 1과 같이 두 개의 단일 보어 알루미나 튜브(직경 3/16" 및 7")를 통해 금으로 코팅된 니켈 와이어를 끼우고 더 두꺼운 것은 프로브 샤프트 내부에 맞춥니다.</li>
		<li>금으로 코팅된 니켈 와이어의 한쪽 끝을 벗겨진 와이어 조각에 스폿 용접하여 프로브 샤프트 끝에 있는 BNC 피드스루의 핀에 납땜합니다.</li>
		<li>탐침 샤프트와의 단락을 방지하기 위해 벗겨진 와이어가 있는 조인트가 알루미나 튜브 내부에 맞도록 금도금 와이어를 길이로 자릅니다.</li>
		<li>탄탈륨 시트를 뚫어 평면 Langmuir 프로브 팁(직경 1/4")을 만듭니다.</li>
		<li>금으로 코팅된 니켈 와이어의 다른 쪽 끝을 프로브 팁의 가장자리에 스폿 용접하고 프로브 팁이 경계판의 축에 수직이 되도록 설정합니다.</li>
		<li>피복 내부를 측정하는 동안 프로브 본체가 경계판에 닿지 않도록 프로브 팁을 약간 앞으로 배치합니다.</li>
		<li>모든 조인트를 세라믹 페이스트(예: Sauereisen Cement No. 31)로 밀봉하여 프로브 회로 구성 요소를 플라즈마로부터 절연합니다. 히트 건을 사용하여 세라믹 조인트를 5-10분 동안 굽습니다.</li>
		<li>멀티미터를 사용하여 프로브 팁과 BNC 커넥터 사이의 저항을 측정합니다. 연속성이 입증되면 프로브를 진공 챔버에 넣을 준비가 된 것입니다.</li>
	</ol></li>
	<li>원통형 방사 프로브 구축(자세한 내용은 그림 8 참조)<ol><li>1.1.1-1.1.4 단계를 따르고 단일 보어 튜브 대신 1/8", 2 보어 알루미나 튜브를 사용하는 것을 제외하고 동일한 프로브 샤프트에서 1.1.5-1.1.7 단계를 두 번 반복합니다.</li>
		<li>직경 0.025mm의 텅스텐 와이어를 약 1cm로 자릅니다.</li>
		<li>텅스텐 필라멘트를 금으로 코팅된 와이어에 스폿 용접합니다.</li>
		<li>세라믹 페이스트로 모든 조인트를 밀봉하고 세라믹 페이스트가 텅스텐 필라멘트에 닿지 않도록하십시오.</li>
		<li>두 BNC 끝 사이의 연속성을 확인합니다.</li>
	</ol></li>
</ol>2. 플라즈마 생성
<ol><li>챔버에 가스를 넣기 전에 이온 게이지를 켜서 기본 압력을 확인하십시오. 압력이 낮은 10-6 Torr 범위에 있는 경우 바라트론 게이지의 영점 조정을 진행합니다. 그렇지 않으면 시스템의 누출을 확인하십시오. 니들 밸브의 위치와 차단 값은 각각 열리고 닫힙니다.</li>
	<li>플라스틱 드라이버를 사용하여 숫자가 ±0.01mTorr 사이에서 떠 있을 때까지 baratron 디스플레이를 보정합니다.</li>
	<li>니들 밸브가 닫힌 위치에 부드럽게 안착되도록 닫습니다.</li>
	<li>차단 밸브를 엽니다. baratron 판독값에 압력 변화가 없는지 확인하십시오.</li>
	<li>니들 밸브의 손잡이를 천천히 돌려 압력이 실험 요구 사항에 도달할 때까지 가스를 챔버로 방출합니다. 일반적인 작동 압력은 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr입니다. 작동 가스에는 아르곤, 크세논, 크립톤, 산소 등이 포함됩니다.</li>
	<li>KEPCO 전압 전원 공급 장치를 켜고 전압을 -60볼트로 설정하여 아르곤의 최대 이온화 단면적에 충분한 전자 에너지를 제공합니다. 필라멘트의 가열 전원 공급 장치를 켜고 방전 전류가 필요한 값을 읽을 때까지 레벨을 천천히 조정합니다. 방전 전류는 처음 몇 분 동안 빠르게 떨어지는 경향이 있습니다. 방전이 안정화될 때까지 약 30분 동안 전류 레벨을 계속 조정하십시오.</li>
	<li>전압 공급을 경계판에 연결하고 바이어스를 원하는 수준으로 조정합니다.</li>
</ol>3. 측정하기
참고: Langmuir 프로브 및 방사형 프로브에 대한 I-V 트레이스는 LabVIEW 프로그램에 의해 제어되는 16비트 DAQ 보드에 의해 수집됩니다. 사용자마다 데이터 사용에 대한 선호도가 다르기 때문에 자세한 내용은 여기에 표시되지 않습니다. 그러나 프로브를 사용하는 방법에 대한 프로토콜이 있습니다.
<ol><li>로드 라인 사용: 프로브와 측정 회로 사이에 모든 연결이 이루어진 챔버에서 플라즈마 방전 없이 I-V 트레이스를 얻습니다(UW-Madison 및 USD 설정에 대한 그림 9, 그림 10 및 그림 11 참조).</li>
	<li>Langmuir 프로브<ol><li>프로브를 포지티브 바이어스하여 큰 전자 전류를 수집하여 프로브 팁을 청소합니다(깨끗한 프로브는 더러운 프로브보다 더 날카로운 '무릎'을 나타내기 때문에 이 단계는 매우 중요합니다).<ol><li>가변 전원 공급 장치가 있는 프로브를 통해 전류를 끌어와 기계 접지에 50옴을 끌어들여 팁을 가열하여 플라즈마의 프로브 표면에 즉시 부착되는 불순물 층을 증발시키고 프로브의 표면 저항을 높입니다.</li>
			<li>플라즈마 전위를 능가하기 위해 바이어스를 천천히 양의 양으로 증가시켜 프로브가 전자 포화 전류를 끌어오기 시작할 수 있도록 합니다.</li>
			<li>계속해서 잠재력을 높이십시오. 프로브 팁이 체리 레드로 빛나는 것을 보면 프로브가 깨끗한 것입니다. 진공 뷰포트를 통해 플라즈마의 프로브 팁을 볼 수 있어야 합니다.</li>
			<li>프로브의 바이어스를 변경하는 동안 주의하고 경계하십시오. 프로브가 너무 뜨거워지면 프로브 팁 자체가 뒤틀릴 수 있으며 팁에 구멍이 생기거나 증발하거나 떨어질 수 있는 것과 같은 더 나쁜 일이 발생할 수 있습니다. 전선이 녹아 절연체가 손실되는 등의 문제가 발생할 수 있습니다.</li>
			<li>프로브를 데이터 수집 및 제어 회로(실험실마다 다른 부분)에 부착하고 프로브에 적용된 전압을 스위프하는 동시에 프로브에서 끌어온 전류를 측정합니다. I-V 추적을 저장합니다.</li>
		</ol></li>
		<li>프로브를 데이터 수집 및 제어 회로(실험실마다 다른 부분)에 부착하고 프로브에 적용된 전압을 스위프하는 동시에 프로브에서 끌어온 전류를 측정합니다. I-V 추적을 저장합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>이미시브 프로브<ol><li>발광 프로브의 데이터 수집 및 제어 회로에 대해 3.2.2단계를 반복합니다.</li>
	</ol></li>
</ol>4. 데이터 분석
<ol><li>Langmuir 프로브(자세한 내용은 그림 12, 그림 13 참조).<ol><li>전체 I-V 특성에서 하중선을 뺍니다.</li>
		<li>이온 포화 전류를 맞추고 나머지 I-V 특성에서 뺍니다.</li>
		<li>전류의 자연 로그를 가져 와서 프로브 전압에 대해 플로팅합니다.</li>
		<li>전이 영역과 포화 전류의 선형 맞춤을 별도로 취하십시오.</li>
		<li>전이 영역의 기울기의 역수를 취하여 전자 온도 값을 구합니다.</li>
		<li>두 개의 적합선이 서로 교차하는 교차점의 전류를 Eq.3으로 연결하여 플라즈마 밀도를 구합니다.</li>
		<li>변곡점 기법을 Langmuir 프로브 트레이스에 적용하고 플라즈마 전위를 결정합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>발광 프로브( 그림 2 참조).<ol><li>개별 IV 특성에 대해 4.1.1-4.1.2단계를 반복한 다음 각 트레이스를 매끄럽게 합니다.</li>
		<li>각 I-V 트레이스를 구분하고 적절한 평활화를 적용합니다.</li>
		<li>평활화된 각 dI/dV (변곡점)의 피크를 찾습니다.</li>
		<li>변곡점에 선형 피팅을 적용합니다.</li>
		<li>적합선의 영점 교차점을 찾아 플라즈마 전위를 구합니다.</li>
	</ol></li>
</ol>

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</ol>

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Langmuir 프로브는 전자 밀도가 입자 10 6 m-3에 불과한 우주 플라즈마에서 전자 밀도가 1020 m-3의 몇 배에 가까운 융합 플라즈마의 가장자리 영역에 이르기까지 매우 광범위한 플라즈마 밀도 및 온도에서 입자 플럭스 측정에 사용됩니다. 더욱이, 0.1에서 수백 eV 사이의 전자 온도는 Langmuir 프로브로 진단되었습니다. Langmuir 프로브는 플라즈마 밀도와 온도를 측정하는 데 자주 사용됩니다. 정전기 플라즈마 전위를 찾는 것은 이 두 가지 측정값을 얻는 것과 밀접한 관련이 있습니다. 반면에 발광 프로브는 일반적으로 플라즈마 전위를 측정하는 데만 사용되며 훨씬 더 넓은 범위의 플라즈마 매개변수에 사용됩니다. 이 연구에서는 진공 챔버를 사용하여 관심 플라즈마를 생성하고 제한하는 실험실 환경에서 Langmuir 프로브와 발광 프로브를 모두 구축하고 사용하는 방법을 자세히 설명하고, 피복과 프리시스가 형성되는 플라즈마 경계 근처에서 플라...

1920년대에 Langmuir가 새로운 상태의 물질인 플라즈마의 매질과 같은 거동을 발견한 이래로 플라즈마 물리학 연구의 첫 세기 동안 Langmuir 프로브는 플라즈마 매개변수에 대한 가장 중요한 단일 진단임이 입증되었습니다. 이는 부분적으로는 적용의 범위가 매우 넓기 때문에 사실이다.1 인공위성이 만나는 플라즈마(2,3,4)에서, 반도체 공정 실험에서,5,6,7,8 토카막에 갇힌 플라즈마의 가장자리에서,9,10,11 그리고 광범위한 기본 플라즈마 물리학 실험에서, 랑뮤어 탐사선은 108≤ne 범위에 걸친 플라즈마 밀도와 온도를 측정하는 데 사용되어 왔다≤1019m-3 및 10-3≤Te≤10 2eV 입니다. 동시에 1920년대에 그는 현재 그의 이름을 딴 탐사선과 발광 탐사선12를 발명했습니다. 방출 프로브는 현재 주로 플라즈마 전위 진단용으로 사용됩니다. Langmuir 프로브가 측정할 수 있는 플라즈마 파라미터의 폭을 측정할 수는 없지만, 플라즈마 전위 또는 정전기 공간 전위라고도 하는 측정과 관련하여 광범위한 유용성을 진단할 수 있습니다. 예를 들어, 발광 프로브는 Langmuir 프로브가 아무것도 측정할 수 없는 진공 상태에서도 공간 전위를 정확하게 측정할 수 있습니다.
Langmuir 프로브의 기본 설정은 플라즈마에 전극을 넣고 수집된 전류를 측정하는 것으로 구성됩니다. 생성된 전류-전압(I-V) 특성은 전자온도 TE, 전자 밀도NE 및 플라즈마 전위 (13)와 같은 플라즈마 파라미터를 해석하는 데 사용할 수 φ. 맥스웰 플라즈마의 경우 수집된 전자전류 IE( 양수로 간주됨)와 프로브 바이어스 VB 사이의 관계는14로 표현할 수 있습니다.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ1v2.jpg">
여기서 Ie0 는 전자 포화 전류이고,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ2v2.jpg">
여기서 S는 프로브의 수집 영역, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ09.jpg"> 는 벌크 전자 밀도, e는 전자 전하,T e 는 전자 온도, me 는 전자 질량입니다. 전자 전류에 대한 I-V 특성의 이론적 관계는 그림 1A 와 그림 1B에 두 가지 방식으로 설명되어 있습니다. 참고로, 식 (1a,b)는 벌크 전자에만 적용됩니다. 그러나 Langmuir 프로브 전류는 하전 입자의 흐름을 감지할 수 있으며 1차 전자, 전자빔 또는 이온 빔 등이 있는 경우 조정해야 합니다. 자세한 내용은 Hershkowitz14 를 참조하십시오.
여기서는 맥스웰 전자 에너지 분배 함수(EEDF)의 이상적인 경우를 다룹니다. 물론 비이상적인 것들이 생겨나는 상황도 많지만, 그런 것들은 이 작품의 주제가 아니다. 예를 들어, 일반적으로 RF 생성 및 유지되는 재료 가공 에칭 및 증착 플라즈마 시스템에는 플라즈마에서 휘발성 화학 라디칼을 생성하는 분자 가스 공급 원료와 음전하를 띤 이온을 포함한 여러 이온 종이 있습니다. 플라즈마는 전기 음성이 되는데, 즉, 음이온의 형태로 준 중성 플라즈마에서 음전하의 상당 부분을 갖습니다. 분자 중성 및 이온을 갖는 플라즈마에서 전자와 분자 종 사이의 비탄성 충돌은 전류-전압 특성에서 딥(dip)15 을 생성할 수 있으며, 전자에 비해 차가운 차가운 음이온의 존재는 플라즈마 전위 부근에서 상당한 왜곡(distorence)16 을 생성할 수 있으며, 이 모든 것은 물론 비-맥스웰적 특징이다. 우리는 이 논문에서 논의된 연구에서 이러한 종류의 비맥스웰 효과가 없는 단일 이온 종 비활성 기체(아르곤) DC 방전 플라즈마에서 실험을 수행했습니다. 그러나, 바이-맥스웰 EEDF는 전형적으로 챔버 벽으로부터의 2차 전자 방출(17 )의 존재에 의해 야기되는 이러한 방전에서 발견된다. 더 뜨거운 전자의 이 성분은 일반적으로 차가운 전자 온도의 몇 배이고 밀도의 1% 미만이며 일반적으로 벌크 전자 밀도 및 온도와 쉽게 구별됩니다.
VB가 φ보다 음이 많을수록 전자는 프로브 표면의 음전위에 의해 부분적으로 반발되고 ln(IE) 대VB의 기울기는 e/Te입니다. 1/TeV 여기서 TeV는 그림 1B와 같이 eV 단위의 전자 온도입니다. TeV가 측정된 후, 플라즈마 밀도는 다음과 같이 도출될 수 있다:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ3v2.jpg">
이온 전류는 전자 전류와 다르게 파생됩니다. 이온은 전자의 질량에 비해 상대적으로 큰 질량 (MI&gt;&gt; me)으로 인해 "차갑다"고 가정되므로 약하게 이온화 된 플라즈마에서 이온은 벽 온도에있는 중성 가스 원자와 상당히 좋은 열 평형 상태에 있습니다. 이온은 VB ≥ φ 경우 프로브 피복에 의해 튕겨지고V B &lt; φ이면 수집됩니다. 수집된 이온 전류는 음의 바이어스 프로브에 대해 거의 일정한 반면, 프로브에 대한 전자 플럭스는 플라즈마 전위보다 음의 프로브 바이어스 전압에 대해 감소합니다. 전자 포화 전류는 이온 포화 전류보다 훨씬 크기 때문에 프로브에 의해 수집되는 총 전류가 감소합니다. 프로브 바이어스가 점점 더 음수가 됨에 따라, 위의 식 (1a)에서 설명한 바와 같이 전자 온도가 차갑거나 뜨거우면 수집되는 전류의 강하가 크거나 작습니다. 이 근사치의 이온 전류에 대한 방정식은 다음과 같습니다.
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ4v2.jpg">
어디
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ5v2.jpg">
그리고
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ6v2.jpg">
프로브에 의해 수집된 일정한 이온 플럭스는 프로브의 프리시스를 따라 가속으로 인해 임의의 열 이온 플럭스를 초과하므로 이온은 이온 열 속도(19)가 아닌 Bohm 속도18, ub에서 프로브의 피복 가장자리에 도달합니다. 그리고 이온은 presheath가 준 중성이기 때문에 전자와 동일한 밀도를 갖습니다. Eqn.5와 2의 이온 및 전자 포화 전류를 비교하면 프로브 전류에 대한 이온 기여도가 전자의 기여도보다 1<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ10.jpg">배 더 작다는 것을 알 수 있습니다. 이 계수는 아르곤 플라즈마의 경우 약 108입니다.
전자 전류가 지수에서 상수로 이동하는 급격한 전이 지점이 있으며, 이를 "무릎"이라고 합니다. 무릎의 프로브 바이어스는 플라즈마 전위로 근사화할 수 있습니다. 실제 실험에서 이 무릎은 결코 날카롭지 않지만 프로브의 공간 전하 효과, 즉 프로브를 둘러싼 피복의 팽창으로 인해 둥글고 프로브 오염 및 플라즈마 노이즈13.
Langmuir 프로브 기술은 수집 전류를 기반으로 하는 반면 발광 프로브 기술은 전류 방출을 기반으로 합니다. 발광 프로브는 온도나 밀도를 측정하지 않습니다. 대신 정밀한 플라즈마 전위 측정을 제공하며 플라즈마 흐름에 민감하지 않기 때문에 다양한 상황에서 작동할 수 있습니다. 발광 프로브의 이론과 사용법은 Sheehan and Hershkowitz20의 주제별 리뷰와 그 안에 있는 참고 문헌에서 충분히 논의되었습니다.
플라즈마 밀도 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3의 경우 제로 방출 한계의 변곡점 기법이 권장되며, 이는 각각 다른 필라멘트 가열 전류를 갖는 일련의 IV 트레이스를 취하여 각 IV 트레이스에 대한 변곡점 바이어스 전압을 찾고 변곡점을 제로 방출 한계로 외삽하여 플라즈마 전위를 얻고, 그림 2와 같습니다.
Langmuir와 발광 프로브 기술은 준 중성 플라즈마에서는 일치하지만 공간 전하가 나타나는 경계와 접촉하는 플라즈마 영역인 외피에서는 일치하지 않는다는 것이 일반적인 가정입니다. 이 연구는 이러한 일반적인 가정을 테스트하기 위한 노력의 일환으로 저온, 저압 플라즈마에서 플라즈마 경계 근처의 플라즈마 전위에 초점을 맞춥니다. Langmuir 프로브와 발광 프로브의 전위 측정값을 비교하기 위해 그림 3과 같이 Langmuir 프로브 I-V에 변곡점 기법을 적용하여 플라즈마 전위도 측정합니다. 플라즈마 전위는 수집된 전류의 2차 도함수가 바이어스 전압에 대해 분화된 프로브 바이어스 전압, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ11.jpg">즉 프로브 바이어스 전압에 대해 dI/dV 곡선의 피크를 구함으로써 발견되는 것이 일반적으로 인정된다.1 그림 3은 전류-전압 특성의 변곡점인 dI/dV 단위의 이 최대값을 구하는 방법을 보여줍니다.
Langmuir 프로브(수집)와 발광 프로브(방출)는 그림 4와 같이 프로브 팁의 형상에 따라 달라지는 서로 다른 I-V 특성을 가지고 있습니다. 프로브를 제작하기 전에 프로브의 공간 전하 효과를 고려해야 합니다. 실험에서 평면 Langmuir 프로브의 경우 1/4" 평면 탄탈륨 디스크를 사용했습니다. 더 큰 디스크로 더 많은 전류를 수집하고 더 큰 신호를 얻을 수 있습니다. 그러나, 상기 분석들이 적용되기 위해서는, 프로브의 면적 Ap가 챔버의 전자 손실 면적Aw보다 작게 유지되어야 하며,이는 21의 부등식<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ12.jpg">을 만족한다. 원통형 Langmuir 프로브의 경우 원통형 Langmuir 프로브에는 0.025mm 두께, 1cm 길이의 텅스텐 와이어를 사용하고 발광 프로브에는 동일한 두께의 텅스텐 와이어를 사용했습니다. 원통형 Langmuir 프로브의 경우 이러한 실험의 플라즈마 매개변수에 대해 프로브 팁의 반경 rp는 길이 Lp보다 훨씬 작고 Debye 길이 λD보다 작습니다. 즉, <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ13.jpg">, 및 <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ14.jpg">. 이 범위의 매개변수에서 Orbital Motion Limited 이론과 Laframboise의 개발22 열 전자 및 이온의 경우, 플라즈마 전위와 같거나 더 큰 프로브 바이어스 전압에 대해 수집된 전자 전류는 다음과 같은 형식의 <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ15.jpg"><img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ16.jpg"> 함수로 매개변수화될 수 있음을 알 수 있습니다.. 여기서 중요한 점은 이 지수가 단위보다 작은 값의 경우 위 단락에서 설명한 대로 플라즈마 전위를 결정하기 위한 변곡점 방법이 원통형 Langmuir 프로브에도 적용된다는 것입니다.

<table><tbody><tr><td>0.001" 두께의 텅스텐 와이어</td><td>중서부 텅스텐 서비스</td><td>0.001"</td><td>발광 프로브 필라멘트</td></tr><tr><td>0.005" 두께의 탄탈륨 시트</td><td>중서부 텅스텐 서비스</td><td>0.005"</td> <td>플라즈마 생성을 위한 가열 필라멘트</td></tr><tr><td>1/2" 황동 공급 튜브</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1/4" 황동 페룰 세트</td><td>스웨즈락</td><td>B-400-SET</td><td>스테인리스 프로브 샤프트와 스웨즈락 튜브 피팅</td></tr><tr><td>사이의 인터페이스 1/4" OD 304 또는 315 스테인리스강 튜브</td><td>Swagelok</td><td>SS-T4-S-035-20</td><td>프로브 샤프트를 만드는 데 사용, 원활한 주문, 20' 길이로 판매</td></tr><tr><td>알루미나 튜브</td><td>COORSTEK</td><td>65655, 단일 보어 0.156" OD 0.094 ID</td><td>단일 보어, 이중 보어, 4배 보어, 프로브 팁과 샤프트 사이의 발광 및 Langmuir 프로브의 지지 구조에 사용</td></tr><tr><td>Baratron 게이지</td><td>MKS</td><td>Type 127</td>: <td>챔버에 가스가 흐르고 있을 때의 압력을 표시합니다</td></tr><tr><td>. 황동 스웨즈락 튜브 피팅,</td><td>스웨즈락</td><td>B-400-1-OR</td><td>프로브에 사용되는 튜브 피팅</td></tr><tr><td>, 황동 스웨즈락 튜브 피팅,</td><td>스웨즈락</td><td>B-810-6</td><td>프로브에 사용되는 튜브 피팅</td></tr>, <tr><td>황동 스웨즈락 튜브 피팅,</td><td>스웨즈락</td><td>B-810-1-OR</td><td>튜브 피팅에 사용되는 튜브 피팅 프로브</td></tr><tr><td>세라믹 액체</td><td>Sauereisen</td><td>No. 31 세라믹 캡슐화 액체</td><td>No.31 시멘트 파워와 혼합하여 세라믹 페이스트를 만듭니다</td></tr><tr><td>세라믹 분말</td><td>Sauereisen</td><td>시멘트 파우더 No. 31 오프 화이트</td><td>물로 경화되는 Saureisen 시멘트가 있습니다 (예 : No.10 Powder</td></tr><tr><td>Gold plated Nickel Wire</td><td>SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT</td><td></td> 프로브 <td>팁에 스포드 용접하여 지지대</td></tr><tr><td>를 제공합니다.이온 게이지 컨트롤러</td><td>Granville-Phillips</td><td>270 게이지 컨트롤러</td><td>이온 게이지를 가열하고 챔버 내부의 압력을 표시합니다.</td></tr><tr><td>기계식 펌프</td><td>Leybold D60 D60AC D60</td><td>D60AC</td><td>압력을 ~10 mTorr로 낮춘 다음 터보 펌프 니들 밸브의 배킹 펌프로 사용됩니다.</td></tr><tr><td></td><td>Whitey</td><td>SS-22RS4</td><td>미터링 마이크로 니들 마이크로미터 밸브 1/4" 튜브 스웨즈락 피팅</td></tr><tr><td>전원 공급 장치</td><td>Kepco</td><td>ATE 100-10M</td><td>전압 바이어스 가열 필라멘트</td></tr><tr><td>공급 전원 공급</td><td>장치 Sorensen</td><td>DCR 20-115B</td><td>가열 필라멘트 차단 밸브의 가열 공급</td></tr><tr><td></td><td>Kurt J. Lesker</td><td>Nupro SS-4BK</td><td>손잡이 핸들, 1/4" 튜빙용, 스웨즈락 피팅</td></tr><tr><td>스테인리스 스틸 Ultra-Torr 진공 피팅</td> 프로브<td>에</td><td></td><td></td> 사용되는 스웨즈락 SS-4-UT-A-8 튜브 피팅</tr><tr><td>테프론 코팅 와이어</td><td>Geyer Systems</td><td>P31546</td><td>금 코팅 와이어를 BNC 핀</td></tr><tr><td>터보 펌프</td><td>PFEIFFER</td><td>TPH 240 C</td>에 연결 <td>압력을 1E-6 Torr</td></tr><tr><td>진공 그리스</td>로 낮추십시오 <td>APIEZON</td><td>L 초고진공 등급 그리스</td><td>오링 윤활에 사용되는 진공 그리스</td></tr><tr><td>Viton Orings</td><td>Grainger</td><td>#031</td><td>Round #031 Medium Hard Viton O-Ring, 1.739" I.D., 1.879" O.D</td></tr><tr><td>Viton Orings</td><td>Grainger</td><td>#010</td><td>Round #010 Medium Hard Viton O-링, 0.239" I.D., 0.379"O.D</td></tr></tbody></table>

저압, 저온 플라즈마에서 플라즈마 전위 측정을 위한 langmuir 프로브 및 방출 프로브 구축

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

Langmuir 프로브는 1920년대 초 Langmuir가 발명한 이래 입자 플럭스(즉, 전자 및 이온 플럭스) 및 국소 공간 농도, 전자 온도 및 정전기 플라즈마 전위 측정에 대한 기본 진단으로 실험 플라즈마 물리학 연구에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. 발광 프로브는 플라즈마 전위를 측정하는 데 사용됩니다. 이 작업에 전시된 프로토콜은 플라즈마 방전이 제한되고 지속될 수 있는 진공 챔버에서 사용하기 위해 이러한 프로브를 구축하는 방법을 보여주는 역할을 합니다. 여기에는 본질적으로 전기 피드스루, 즉 회전 및 변환 가능한 것을 구축하기 위한 진공 기술이 포함됩니다. 물론 완전한 Langmuir 프로브 시스템을 구입할 수도 있지만 사용자가 상당한 비용 절감으로 구축할 수 있으며 동시에 특정 실험에서 사용하는 데 더 직접적으로 적용할 수 있습니다. 두 진단 기법을 비교하고 상대적인 장점과 약점을 평가하기 위해 플라즈마 본체에서 플라즈마 경계의 외피 영역까지 정전기 플라즈마 전위를 매핑하는 데 Langmuir 프로브와 발광 프로브를 사용하는 방법을 설명합니다. Langmuir 프로브는 플라즈마 밀도와 전자 온도를 가장 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 발광 프로브는 피복 영역까지 플라즈마 전체에 걸쳐 정전기 플라즈마 전위를 보다 정확하게 측정할 수 있습니다.

Langmuir 프로브는 흐름과 수집하는 입자의 운동 에너지에 민감한 것으로 알려져 있으며, 지금까지 피복을 제외하고는 플라즈마 전위를 유효하게 측정하는 것으로 간주되어 왔습니다. 그러나 Langmuir 프로브와 발광 프로브에 의해 측정된 플라즈마 전위를 직접 비교한 결과, 플라즈마 측의 피복과 직접 접촉하는 플라즈마의 준중성 프리시스 영역에서 Langmuir 프로브는 플라즈마 전위(23)의 정확한 측정을 제공하지 않는 것으로 나타났다. 4가지 유형의 Langmuir 프로브로 측정한 플라즈마 벌크에서 피복으로의 플라즈마 전위를 4가지 다른 중성 압력에 대해 발광 프로브로 측정한 플라즈마 전위와 비교했습니다. Langmuir 프로브는 4가지 다른 구성으로 제작되었으며( 그림 14 참조) j가 1에서 4 사이의 정수인 LPj 로 표시되었습니다. 원통형 Langmuir 프로브는 LP1, LP...

이 연구의 주요 목표는 Langmuir 프로브 및 발광 프로브에 익숙하지 않은 연구 그룹이 특히 플라즈마 경계 근처에서 플라즈마 진단으로 더 쉽게 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 우리는 쉽게 구할 수 있는 재료와 공급품으로 프로브를 만드는 방법을 보여줌으로써 이를 수행합니다.

저압, 저온 플라즈마에서 플라즈마 전위 측정을 위한 Langmuir 프로브 및 방출 프로브 구축

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

우리는 스스로 구축하려는 연구원을 위해 쉽게 구할 수 있는 실험실 재료를 사용하여 Langmuir 프로브 및 발광 프로브를 만드는 방법에 대한 단계별 프로토콜을 제공합니다. 실험실에서 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용하면 플라즈마 진단을 위한 정전기 프로브를 더 저렴하고 쉽게 구축 및 유지 관리할 수 있으며 시스템을 다양한 실험실 설정에 더 잘 적응할 수 있습니다. 당사의 구축 프로토콜에 사용되는 진공 인터페이스는 다른 저압 장치의 피드스루 방법으로도 사용할 수 있습니다.이 프로토콜 진공 기술을 수행할 때 전기 연속성 검사, 세라믹 페이스트 경화 및 프로브의 취약성 관리는 처음에는 어려워 보일 수 있습니다. 먼저 Langmuire 프로브를 생성합니다. 1/4인치 직경의 스테인리스 스틸 튜브를 프로브 샤프트로 사용합니다.프로브가 챔버 길이의 절반 이상을 축 방향으로 덮을 수 있도록 튜브를 자릅니다. B-4-8 유니온 튜브 피팅과 함께 SS-8-UT-A-810 어댑터를 사용하여 황동 튜브를 통해 샤프트의 구부러지지 않은 면을 맞춥니다. B-810-1 또는 스웨즈락 인터페이스를 통해 맞춤형 플랜지에서 뻗어 나오는 1/2인치 황동 튜브를 사용하여 프로브 샤프트를 축 방향으로 지지합니다.B-400-1 또는 스웨즈락 피팅을 통해 프로브 샤프트의 구부러지지 않은 끝을 BNC 하우징에 연결합니다. 두 개의 단일 보어 알루미나 튜브를 통해 금으로 코팅된 니켈 와이어를 끼우고 프로브 샤프트 내부에 더 두꺼운 튜브를 맞춥니다. 금으로 코팅된 니켈 와이어의 한쪽 끝을 벗겨진 와이어 조각에 스폿 용접하여 프로브 샤프트 끝에 있는 BNC 피드 스루의 펜에 용접합니다.그런 다음 금도금 와이어를 절단하여 벗겨진 와이어가 있는 조인트가 알루미나 튜브 내부에 맞도록 하여 프로브 샤프트와의 단락을 방지합니다. 탄탈륨 시트를 펀칭하여 1/4 인치 대패 Langmuir 프로브 팁을 만들고 팁 가장자리에 금으로 코팅된 니켈 와이어의 다른 쪽 끝에 스폿 용접하여 프로브 팁을 경계 플레이트의 축에 수직으로 설정합니다. 피복 내부를 측정하는 동안 프로브 본체가 경계판에 닿지 않도록 프로브 팁을 약간 앞으로 배치합니다.모든 조인트를 세라믹 페이스트로 밀봉하여 프로브 회로 구성 요소를 플라즈마로부터 절연하고 열 가이를 사용하여 세라믹 조인트를 5-10분 동안 굽습니다. 멀티미터를 사용하여 프로브 팁과 BNC 커넥터 사이의 저항을 측정합니다. 연속성이 입증되면 프로브를 진공 챔버에 넣을 준비가 된 것입니다.원통형 투광 프로브를 구축하려면 단일 보어 튜브 대신 1/8인치 2 보어 알루미늄 튜브를 사용하는 것을 제외하고 앞에서 설명한 절차를 따르십시오. 0.025mm 직경의 텅스텐 와이어를 약 1cm로 자르고 텅스텐 필라멘트를 금으로 코팅 된 와이어에 스폿 용접합니다. 세라믹 페이스트로 대체 조인트를 밀봉하여 페이스트가 텅스텐 필라멘트에 닿지 않도록 합니다.두 BNC 끝 사이의 연속성을 확인합니다. 챔버에 가스를 넣기 전에 이온 게이지를 켜서 기본 압력을 확인하십시오. 그렇지 않으면 시스템에 누출이 있는지 확인하십시오.펜을 사용하여 숫자가 플러스 또는 마이너스 0.01밀리토르 내에서 부동할 때까지 baratron 디스플레이를 보정합니다. 니들 밸브가 닫힌 위치에 있는지 확인하십시오. 그런 다음 차단 밸브를 열고 baratron 판독값에 압력 변화가 없는지 확인합니다.니들 밸브의 손잡이를 천천히 돌려 필요한 압력에 도달할 때까지 가스를 챔버로 방출합니다. 전압 전원 공급 장치를 켜고 전압을 음의 60볼트로 설정하여 아르곤의 최대 이온화 단면적에 충분한 전자 에너지를 제공합니다. 그런 다음 필라멘트의 가열 전원 공급 장치를 켜고 방전 전류가 필요한 값을 읽을 때까지 레벨을 천천히 조정합니다.전압 공급을 경계판에 연결하고 바이어스를 원하는 수준으로 조정합니다. 그런 다음 측정을 진행합니다. 프로브를 데이터 수집 및 제어 회로에 부착하고 프로브에 인가된 전압을 스위프하는 동시에 프로브에서 끌어온 전류를 측정합니다.현재 전압 트레이스를 저장합니다. 방사형 프로브, 데이터 수집 및 제어 회로를 사용한 반복 데이터 수집. Langmuir 프로브는 4가지 다른 구성으로 제작되었으며 J는 1에서 4까지의 정수인 LPJ로 레이블이 지정되었습니다.프로브 설계에는 원통형 Langmuir 프로브 LP 1개, 양면 Langmuir 프로브(LP 2개), 평면 Langmuir 프로브(LP 3개)가 포함되며, 측면이 세라믹 페이스트로 밀봉된 경계판을 향하고 있으며, 측면이 세라믹 페이스트로 덮인 경계판에서 반대쪽을 향하는 평면형 Langmuir 프로브(LP 4)가 있습니다. Langmuir 프로브와 missive 프로브 전위 측정의 비교가 여기에 나와 있습니다. 4가지 Langmuir 프로브 유형 모두를 missive 프로브 측정과 비교하여 플라즈마 경계 근처, 특히 프리 시스 영역에서 플라즈마 전위를 얼마나 잘 측정하는지 확인했습니다.Langmuir 프로브가 플라즈마 전위를 측정하는 데 사용되는 방식이 정확한 결과를 제공하는지 여부를 결정하기 위해 다양한 프로브 설계를 테스트했습니다. 모든 Langmuir 프로브 측정은 플라즈마 전위의 허용 프로브 측정과 비교되었습니다. 프리 시스(pre sheath)에서 모든 Langmuir 프로브가 측정한 플라즈마 전위는 허용 프로브로 측정한 플라즈마 전위와 다릅니다.그 차이는 피복 가장자리에 가까워질수록 넓어지며 많은 전자 온도의 값으로 성장합니다. 플라즈마의 벌크에서 LP 2에 의한 측정에서 얻은 온도, 밀도, 구매 길이 및 자식 Langmuir 피복 길이와 같은 플라즈마 매개변수가 여기에 표시됩니다. 이러한 매개변수는 평면 Langmuir 프로브의 공칭 피복 두께를 적절하게 추정하는 데 도움이 됩니다.이 프로토콜을 성공적으로 수행하려면 세라믹 페이스트를 건조할 때 모든 기포를 구워야 합니다. 그리고 프로브를 진공 챔버에 넣기 전에 프로브 테이프와 BNC 헤드 사이의 연속성 확인과 프로브 테이프와 프로브 샤프트 사이의 설치 확인을 잊지 마십시오. 정전기 프로브는 플라즈마 파동을 감지 및 발사하여 플라즈마 불안정성의 존재를 측정하고 이중층 및 고체 톤과 같은 플라즈마에서 발견되는 일관된 구조를 매핑하는 데 사용됩니다.

building-langmuir-probes-emissive-probes-for-plasma-potential

Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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초기 플라즈마 진화의 조사는 극단으로 짧은 레이저 펄스에 의해 유도된

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어떻게 추가 점화기없이 대기압 마이크로 웨이브 플라즈마 토치를 점화

우리는 미크론 크기의 새로운 물질 플레이크를 기질에 기계적 박리 및 증착, 수송 실험을 위한 실험 장치 구조 제작, 0.300K의 낮은 온도와 최대 12T의 자기장에서 건조 헬륨 근접 주기 저온 유지 장치에서의 자기 수송 측정 방법을 설명합니다.

소설 재료의 저온 Magnetotransport 측정을위한 고급 실험 방법

새로운 절제 물질과 수치 모델링의 개발에는 광범위한 실험적 조사가 필요합니다. 이 프로토콜은 플라즈마 흐름에서 물질 반응 특성화를 위한 절차를 설명하며, 핵심 기술은 방출 분광법(emission spectroscopy)에 의한 반응성 경계층의 화학적 성질과 함께 물질 후퇴를 추적하는 비간섭적 방법입니다.

Plasmatron에서 절제 재료 시험 중에 방출 분광 경계 계층 조사

헬륨 작동 kHz 주파수 플라즈마 제트에 대한 실험 설정이 만들어졌습니다. 이 설정에는 플라즈마 전원 공급 장치 및 제트를 위한 케이지와 주변 대기의 간섭 없이 플라즈마 유도 반응 종을 모니터링하기 위해 자체 제작한 반응기가 포함됩니다.

대기압 플라즈마 설치 프로그램은 반응성 종 형성을 조사하기

이 기사는 CO 2 , N 2 및 CH 4 와 같은 안정한 분자의 변환 / 활성화의 적용을위한 효율적인 비평 형 화학 반응을 유도하는 데 사용되는 유동 마이크로파 반응기에 대해 설명합니다. 여기에 설명 된 절차의 목표는 현장 가스 온도 및 가스 변환을 측정하는 것 입니다 .

효율적인 고온 화학을위한 비평 형 마이크로 웨이브 플라즈마

이 문서는 플라즈마 액체 인터페이스에서 짧은 자유 래 디 칼을 측정 하기 위한 총 내부 반사 흡수 분광학 (TIRAS) 메서드를 제공 합니다. 특히, TIRAS solvated 전자 700 근처 붉은 빛의 그들의 광학 흡 광도에 따라 식별 하는 데 사용은 nm.

총 내부 반사 흡수 분광학 (TIRAS) 플라즈마 액체 인터페이스에서 Solvated 전자의 탐지

이 프로토콜 수행 및 펌프-프로브 실험-기체 분자에 초고속 광화학 반응을 공부 하기 위하여 펨 자유 전자 레이저와 광학 레이저를 결합 분석에 대 한 주요 단계를 설명 합니다.

실험 프로토콜에 대 한 펨 NIR/UV-자유 전자 레이저와 진공 극 자외선 펌프-프로브 실험

먼지 충전 및 동원 전자 빔, 빔 전자만, 또는 자외선 (UV) 방사선만 열 플라즈마에 노출 3 실험에서 증명 됩니다. 이러한 실험 정전기 먼지 전송의 고급 이해 및 무기 행성 시체의 표면 형성에 역할을 제시.

먼지가 충전 및 자외선 또는 플라즈마에 노출 표면에 동원의 실험 방법

여기, 우리는 테스트 하 고 최적화 공간 추진 시스템의 소형된 홀 형 로켓에 기반 프로토콜 제시.

최적화, 테스트 그리고 소형된 홀 로켓의 진단

이 프로토콜은 고체 및 액체와 같은 다양한 표면의 처리를 위해 COST-Jet의 설정, 처리 및 적용을 특징으로 합니다.

COST-Jet를 사용하여 차가운 대기압 플라즈마로 표면 처리

배우세요 저압 플라즈마 진단을 위한 Langmuir 프로브와 방출 프로브 제작 방법을 단계별로 익히세요. 일반 실험실 재료를 활용하여 비용 효율적인 플라즈마 전위 측정 시스템을 구축할 수 있습니다.

저압, 저온 플라즈마에서 플라즈마 전위 측정을 위한 Langmuir 프로브 및 방출 프로브 구축

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