Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Bouw van langmuir-sondes en emitterende sondes voor plasmapotentiaalmetingen in plasma's met lage druk en lage temperatuur

5.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/61804

⸱

25 mei 2021

 ,  , 
1Department of Engineering Physics, University of Wisconsin, 2Department of Physics & Biophysics, University of San Diego

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Het belangrijkste doel van dit werk is om het voor onderzoeksgroepen die niet bekend zijn met Langmuir-sondes en emittieve sondes gemakkelijker te maken om ze te gebruiken als plasmadiagnostiek, vooral in de buurt van plasmagrenzen. We doen dit door te demonstreren hoe we de sondes kunnen bouwen van gemakkelijk verkrijgbare materialen en benodigdheden.

Samenvatting

Langmuir-sondes worden al lang gebruikt in experimenteel plasmafysica-onderzoek als de primaire diagnose voor deeltjesfluxen (d.w.z. elektronen- en ionenfluxen) en hun lokale ruimtelijke concentraties, voor elektronentemperaturen en voor elektrostatische plasmapotentiaalmetingen, sinds de uitvinding door Langmuir in de vroege jaren 1920. Emitterende sondes worden gebruikt voor het meten van plasmapotentialen. De protocollen die in dit werk worden tentoongesteld, dienen om te demonstreren hoe deze sondes kunnen worden gebouwd voor gebruik in een vacuümkamer waarin een plasma-ontlading kan worden opgesloten en in stand kan worden gehouden. Dit omvat vacuümtechnieken voor het bouwen van wat in wezen een elektrische doorvoer is, een die draaibaar en vertaalbaar is. Zeker, complete Langmuir-sondesystemen kunnen worden gekocht, maar ze kunnen ook door de gebruiker worden gebouwd tegen aanzienlijke kostenbesparingen en tegelijkertijd directer worden aangepast aan hun gebruik in een bepaald experiment. We beschrijven het gebruik van Langmuir-sondes en emittieve sondes bij het in kaart brengen van de elektrostatische plasmapotentiaal van het plasmalichaam tot aan het omhulselgebied van een plasmagrens, die in deze experimenten wordt gecreëerd door een negatief bevooroordeelde elektrode ondergedompeld in het plasma, om de twee diagnostische technieken te vergelijken en hun relatieve voor- en nadelen te beoordelen. Hoewel Langmuir-sondes het voordeel hebben dat ze de plasmadichtheid en elektronentemperatuur het meest nauwkeurig meten, kunnen emitterende sondes elektrostatische plasmapotentialen nauwkeuriger meten in het hele plasma, tot en met het omhulselgebied.

Inleiding

Tijdens deze eerste eeuw van plasmafysica-onderzoek, daterend uit de ontdekkingen van Langmuir in de jaren 1920 van het mediumachtige gedrag van een nieuwe toestand van materie, plasma, is de Langmuir-sonde de belangrijkste diagnose van plasmaparameters gebleken. Dit is gedeeltelijk waar, vanwege de buitengewonetoepassingsmogelijkheden 1. In plasma dat door satellietenwordt aangetroffen 2,3,4, in halfgeleiderverwerkingsexperimenten,5,6,7,8 aan de randen van plasma opgesloten in tokamaks,9,10,11 en in een breed scala van elementaire plasmafysica-experimenten, zijn Langmuir-sondes gebruikt om plasmadichtheden en temperaturen te meten die het bereik 108≤ne bestrijken≤1019 m-3 en 10-3≤Te≤102eV . Tegelijkertijd vond hij in de jaren 1920 de sonde uit die nu naar hem is vernoemd en de emittieve sonde12. De emitterende sonde wordt nu voornamelijk gebruikt als diagnose van plasmapotentiaal. Hoewel het niet de breedte van plasmaparameters kan meten die de Langmuir-sonde kan, is het ook een diagnose van breed nut als het gaat om het meten van plasmapotentiaal, of, zoals het soms wordt genoemd, het elektrostatische ruimtepotentiaal. De emitterende sonde kan bijvoorbeeld nauwkeurig ruimtepotentialen meten, zelfs in een vacuüm, waar Langmuir-sondes niets kunnen meten.

De basisopstelling van de Langmuir-sonde bestaat uit het plaatsen van een elektrode in het plasma en het meten van de verzamelde stroom. De resulterende stroom-spanningskarakteristieken (I-V) kunnen worden gebruikt om plasmaparameters zoals elektronentemperatuur Te, elektronendichtheid ne en plasmapotentiaal φ13 te interpreteren. Voor een Maxwelliaans plasma kan de relatie tussen de verzamelde elektronenstroom Ie (die als positief wordt beschouwd) en de sondebias VB worden uitgedrukt als14:

figure-introduction-1

waarbij Ie0 de elektronenverzadigingsstroom is,

figure-introduction-2

en waar S het verzamelgebied van de sonde is, figure-introduction-3 is de bulkelektronendichtheid, e is de elektronenlading, Te is de elektronentemperatuur, me is de elektronenmassa. De theoretische relatie tussen I-V karakteristieken voor de elektronenstroom wordt op twee manieren geïllustreerd in Figuur 1A en Figuur 1B. Let op, Eq. (1a,b) is alleen van toepassing op bulkelektronen. Langmuir-sondestromen kunnen echter stromen van geladen deeltjes detecteren en er moeten aanpassingen worden gemaakt in aanwezigheid van primaire elektronen, elektronenbundels of ionenbundels enz. Zie Hershkowitz14 voor meer details.

De discussie hier gaat over het ideale geval van Maxwelliaanse elektronenenergieverdelingsfuncties (EEDF). Natuurlijk zijn er veel omstandigheden waarin niet-idealiteiten ontstaan, maar die zijn niet het onderwerp van dit werk. In materiaalverwerkende ets- en depositieplasmasystemen bijvoorbeeld, meestal door RF gegenereerd en in stand gehouden, zijn er moleculaire gasgrondstoffen die vluchtige chemische radicalen in het plasma produceren, en meerdere ionensoorten, waaronder negatief geladen ionen. Het plasma wordt elektronegatief, dat wil zeggen met een aanzienlijk deel van de negatieve lading in het quasineutrale plasma in de vorm van negatieve ionen. In plasma met moleculaire neutralen en ionen kunnen inelastische botsingen tussen elektronen en de moleculaire soorten dips15 veroorzaken in de stroomspanningskarakteristieken, en de aanwezigheid van koude negatieve ionen, koud ten opzichte van de elektronen, kan significante vervormingen16 veroorzaken in de buurt van de plasmapotentiaal, die natuurlijk allemaal niet-Maxwelliaanse kenmerken zijn. We hebben de experimenten voortgezet in het werk dat in dit artikel wordt besproken in een enkelvoudig ionensoort edelgas (argon) DC-ontladingsplasma, vrij van dit soort niet-Maxwelliaanse effecten. In deze ontladingen wordt echter meestal een bi-Maxwelliaanse EEDF aangetroffen, veroorzaakt door de aanwezigheid van secundaire elektronenemissie17 van de kamerwanden. Deze component van hetere elektronen is meestal een paar veelvouden van de koude elektronentemperatuur en minder dan 1% van de dichtheid, meestal gemakkelijk te onderscheiden van de bulkelektronendichtheid en -temperatuur.

Naarmate VB negatiever wordt dan φ, worden elektronen gedeeltelijk afgestoten door de negatieve potentiaal van het sondeoppervlak, en de helling van de ln(Ie) vs. VB is e/Te, dwz. 1/TeV waarbij TeV de elektronentemperatuur in eV is, zoals weergegeven in figuur 1B. Nadat TeV is bepaald, kan de plasmadichtheid worden afgeleid als:

figure-introduction-4

Ionenstroom wordt anders afgeleid dan elektronenstroom. Ionen worden verondersteld "koud" te zijn vanwege hun relatief grote massa, Mi >>m e, vergeleken met die van het elektron, dus in een zwak geïoniseerd plasma zijn de ionen in een redelijk goed thermisch evenwicht met de neutrale gasatomen, die op wandtemperatuur zijn. Ionen worden afgestoten door de sondemantel als VB ≥ φ en verzameld als VB < φ. De verzamelde ionenstroom is ongeveer constant voor negatief bevooroordeelde sondes, terwijl de elektronenflux naar de sonde afneemt voor sondevoorspanningen die negatiever zijn dan de plasmapotentiaal. Omdat de elektronenverzadigingsstroom veel groter is dan de ionenverzadigingsstroom, neemt de totale stroom die door de sonde wordt verzameld af. Naarmate de sondebias steeds negatiever wordt, is de daling van de verzamelde stroom groot of klein omdat de elektronentemperatuur koud of warm is, zoals hierboven beschreven in Eq. (1a). De vergelijking voor ionenstroom in deze benadering is:

figure-introduction-5

waar

figure-introduction-6

en

figure-introduction-7

We merken op dat de constante ionenflux die door de sonde wordt verzameld, de willekeurige thermische ionenflux overschrijdt als gevolg van versnelling langs de voormantel van de sonde en dus bereiken ionen de mantelrand van de sonde met de Bohm-snelheid18, uB, in plaats van de ionenthermische snelheid19. En de ionen hebben een dichtheid die gelijk is aan de elektronen, aangezien de voormantel quasineutraal is. Als we de ionen- en elektronenverzadigingsstroom in Eqn.5 en 2 vergelijken, zien we dat de ionenbijdrage aan de sondestroom kleiner is dan die van elektronen met een factor figure-introduction-8van . Deze factor is ongeveer 108 in het geval van argonplasma.

Er is een scherp overgangspunt waar de elektronenstroom van exponentieel naar een constante gaat, bekend als de "knie". De sondebias bij de knie kan worden benaderd als de plasmapotentiaal. In het echte experiment is deze knie nooit scherp, maar afgerond vanwege het ruimteladingseffect van de sonde, dat wil zeggen de uitzetting van de mantel rond de sonde, en ook om sondeverontreiniging en plasmaruis te sonden13.

De Langmuir-sondetechniek is gebaseerd op verzamelstroom, terwijl de emitterende sondetechniek gebaseerd is op de emissie van stroom. Emitterende sondes meten noch temperatuur, noch dichtheid. In plaats daarvan bieden ze nauwkeurige plasmapotentiaalmetingen en kunnen ze in verschillende situaties werken vanwege het feit dat ze ongevoelig zijn voor plasmastromen. De theorieën en het gebruik van emitterende sondes worden volledig besproken in de actuele recensie van Sheehan en Hershkowitz20, en verwijzingen daarin.

Voor plasmadichtheid 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3 wordt de buigpunttechniek in de emissievrije grenswaarde aanbevolen, wat betekent dat een reeks I-V-sporen wordt genomen, elk met verschillende gloeidraadverwarmingsstromen, waarbij de buigpuntspanning voor elk I-V-spoor wordt bepaald en de buigpunten worden geëxtrapoleerd tot de limiet van nulemissie om het plasmapotentiaal te verkrijgen; zoals weergegeven in figuur 2.

Het is een algemene veronderstelling dat Langmuir en emittieve sondetechnieken overeenkomen in quasineutraal plasma, maar het niet eens zijn in de schede, het gebied van het plasma dat in contact staat met de grens waarin ruimtelading verschijnt. De studie richt zich op het plasmapotentiaal in de buurt van plasmagrenzen, in plasma met lage temperatuur en lage druk in een poging om deze algemene veronderstelling te testen. Om potentiaalmetingen met zowel de Langmuir-sonde als de emitterende sonde te vergelijken, wordt het plasmapotentiaal ook bepaald door de buigpunttechniek toe te passen op de Langmuir-sonde I-V, zoals weergegeven in figuur 3. Het is algemeen aanvaard1 dat de plasmapotentiaal wordt gevonden door de sonde-biasspanning te vinden waarbij de tweede afgeleide van de verzamelde stroom differentieerde ten opzichte van de bias-spanning, figure-introduction-9dat wil zeggen de piek van de dI/dV-curve , ten opzichte van de sonde-biasspanning. Figuur 3 laat zien hoe dit maximum in dI/dV, het buigpunt van de stroom-spanningskarakteristiek, wordt gevonden.

Langmuir-sondes (verzamelen) en emitterende sondes (uitzenden) hebben verschillende I-V-karakteristieken, die ook afhankelijk zijn van de geometrie van de sondepunt, zoals weergegeven in figuur 4. Het ruimteladingseffect van de sonde moet worden overwogen voordat de sonde wordt vervaardigd. In de experimenten gebruikten we voor de vlakke Langmuir-sondes een 1/4" vlakke tantaalschijf. We zouden meer stroom kunnen verzamelen en grotere signalen kunnen krijgen met een grotere schijf. Om de bovenstaande analyses toe te passen, moet het oppervlak van de sonde, Ap , echter kleiner worden gehouden dan het elektronenverliesgebied van de kamer, Aw, dat voldoet aan21 de ongelijkheid figure-introduction-10. Voor de cilindrische Langmuir-sonde gebruikten we een 0,025 mm dikke, 1 cm lange wolfraamdraad voor de cilindrische Langmuir-sonde en dezelfde dikte voor de wolfraamdraad voor de emitterende sonde. Het is belangrijk op te merken dat voor cilindrische Langmuir-sondes, voor de plasmaparameters van deze experimenten, de straal van de sondepunt, rp, veel kleiner is dan de lengte, Lp, en kleiner dan de Debye-lengte, λD; dat wil zeggen, figure-introduction-11, en figure-introduction-12. In deze reeks parameters, waarbij de Orbital Motion Limited-theorie en Laframboise's ontwikkeling ervan worden toegepast22 voor het geval van thermische elektronen en ionen, vinden we dat voor sonde-biasspanningen gelijk aan of groter dan de plasmapotentiaal, de verzamelde elektronenstroom kan worden geparametriseerd door een functie van de vorm figure-introduction-13, waarbij de exponent figure-introduction-14. Het belangrijke punt hier is dat voor waarden van deze exponent kleiner dan eenheid, de buigpuntmethode voor het bepalen van de plasmapotentiaal, zoals beschreven in de bovenstaande paragraaf, ook van toepassing is op cilindrische Langmuir-sondes.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Langmuir-sondes en emitterende sondes bouwen om in een vacuümkamer te passen

  1. Planar Langmuir-sonde (zie figuur 5 voor meer details)
    1. Neem een roestvrijstalen buis met een diameter van 1/4" als sondeschacht en buig het ene uiteinde in de gewenste hoek van 90°.
    2. Snijd de ongebogen kant op een lengte zodat de sonde axiaal meer dan de helft van de kamerlengte kan bedekken.
    3. Monteer de ongebogen zijde van de as door de messing buis door een SS-4-UT-A-8 adapter in combinatie met een B-810-6 wartelbuisfitting.
    4. Gebruik een 1/2" messing buis die uit de aangepaste flenzen steekt door een B-810-1-OR swagelok interface om axiale ondersteuning voor de sondeschacht te bieden.
    5. Sluit het ongebogen uiteinde van de sondeschacht aan op de BNC-behuizing via een B-400-1-OR swagelok fitting, zoals weergegeven in afbeelding 6.
    6. Steek de met goud beklede nikkeldraad door twee aluminiumoxidebuizen met één boring (1/8" en 3/16" in diameter) waarbij de dikkere in de sondeschacht past, zoals weergegeven in afbeelding 7.
    7. Las het ene uiteinde van de met goud beklede nikkeldraad op een stuk gestripte draad, dat op de pen van de BNC-doorvoer aan het uiteinde van de sondeschacht wordt gesoldeerd.
    8. Knip de met goud beklede draad op lengte zodat de verbinding met de gestripte draad in de aluminiumoxidebuis past om kortsluiting met de sondeschacht te voorkomen.
    9. Prik door een tantaalvel om een vlakke Langmuir-sondepunt te maken (1/4" in diameter)
    10. Las het andere uiteinde van de met goud beklede nikkeldraad puntlassen op de rand van de sondepunt en stel de sondepunt zo in dat deze normaal is ten opzichte van de as van de begrenzingsplaat.
    11. Plaats de sondepunt iets naar voren zodat het lichaam van de sonde de begrenzingsplaat niet raakt tijdens het meten in de huls.
    12. Dicht alle verbindingen af met keramische pasta (bijv. Sauereisencement nr. 31) om de componenten van het sondecircuit te isoleren van plasma. Gebruik een heteluchtpistool om de keramische stukken 5-10 minuten te bakken.
    13. Gebruik een multimeter om de weerstand tussen de sondepunt en de BNC-connector te meten. Als de continuïteit wordt aangetoond, is de sonde klaar om in de vacuümkamer te worden geplaatst.
  2. Het bouwen van een cilindrische emitterende sonde (zie figuur 8 voor meer details)
    1. Volg stap 1.1.1-1.1.4 en herhaal stap 1.1.5-1.1.7 twee keer op dezelfde sondeschacht, met uitzondering van het gebruik van een 1/8", aluminiumoxidebuis met twee boringen in plaats van een buis met één boring.
    2. Knip de wolfraamdraad met een diameter van 0,025 mm af tot ongeveer 1 cm.
    3. Las de wolfraamgloeidraad puntlassen op met goud beklede draden.
    4. Dicht alle voegen af met keramische pasta en zorg ervoor dat de keramische pasta niet op de wolfraamgloeidraad komt.
    5. Controleer de continuïteit tussen twee BNC-uiteinden.

2. Plasma genereren

  1. Schakel de ionenmeter in om de basisdruk te controleren voordat u gas in de kamer doet. Ga verder met het op nul zetten van de baratronmeter als de druk in het lage Torr-bereik van 10-6 ligt. Controleer anders het lek in het systeem. De standen van het naaldventiel en de afsluitwaarde zijn respectievelijk open en gesloten.
  2. Gebruik een plastic schroevendraaier om het baratron-display te kalibreren totdat het getal tussen ±0.01 mTorr zweeft.
  3. Sluit het naaldventiel zodat het voorzichtig in een gesloten positie zit.
  4. Open de afsluiter. Controleer of er geen drukverandering is op de baratron-meting.
  5. Draai langzaam aan de knop van het naaldventiel om het gas in de kamer te laten ontsnappen totdat de druk de vereiste voor het experiment bereikt. De typische werkdruk komt voort uit 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr. Werkgassen omvatten argon, xenon, krypton, zuurstof enz.
  6. Schakel de KEPCO-spanningsvoeding in en stel de spanning in op -60 volt om voldoende elektronenenergie te leveren voor de maximale ionisatiedoorsnede van argon. Schakel de verwarmingsvoeding voor de filamenten in en pas het niveau langzaam aan totdat de ontlaadstroom de vereiste waarde aangeeft. De ontlaadstroom heeft de neiging om in de eerste paar minuten snel af te nemen. Blijf het huidige niveau ongeveer 30 minuten aanpassen totdat de ontlading is gestabiliseerd
  7. Sluit de voedingsspanning aan op de begrenzingsplaat en stel de bias in op het gewenste niveau.

3. Voer metingen uit

OPMERKING: I-V-sporen voor Langmuir-sondes en emitterende sondes worden verkregen door een 16-bits DAQ-kaart die wordt bestuurd door een Labview-programma. De details worden hier niet gepresenteerd, omdat verschillende gebruikers verschillende voorkeuren hebben voor het opnemen van de gegevens. Er is echter een protocol voor het gebruik van de sondes.

  1. Neem de belastingslijn: verkrijg een I-V-spoor zonder enige plasmaontlading in de kamer met alle verbindingen tussen de sonde en het meetcircuit (zie Figuur 9, Figuur 10 en Figuur 11 voor de UW-Madison en de USD-opstelling).
  2. Langmuir-sondes
    1. Reinig de punt van de sonde (deze stap is van cruciaal belang, omdat een schone sonde een scherpere 'knie' vertoont dan een vuile sonde) door de sonde positief te beïnvloeden om een grote elektronenstroom op te vangen.
      1. Trek een stroom door de sonde met een variabele voeding en 50 Ohm naar de machinegrond om de punt te verwarmen om de laag onzuiverheden te verdampen die zich onmiddellijk aan het sondeoppervlak in het plasma hecht en de oppervlakteweerstand van de sonde te verhogen.
      2. Verhoog langzaam de bias positief om het plasmapotentiaal te overtreffen, waardoor de sonde de elektronenverzadigingsstroom kan beginnen te trekken.
      3. Doorgaan met het vergroten van het potentieel; Zodra men de sondepunt kersenrood ziet gloeien, is de sonde schoon. Het is noodzakelijk om zicht te hebben op de sondepunt in het plasma door een vacuümkijkpoort.
      4. Wees voorzichtig en waakzaam bij het variëren van de bias op de sonde. Als de sonde te heet wordt, kan de sondepunt zelf kromtrekken en kunnen er ergere dingen gebeuren, zoals gaten in de punt, hij kan verdampen, hij kan eraf vallen; Draden kunnen smelten en hun isolatie verliezen, enzovoort.
      5. Sluit de sonde aan op het data-acquisitie- en regelcircuit (dit is het onderdeel dat van laboratorium tot laboratorium zal verschillen) en ga verder met het vegen van de spanning die op de sonde wordt uitgeoefend terwijl u tegelijkertijd de stroom meet die door de sonde wordt getrokken. Sla het I-V-spoor op.
    2. Sluit de sonde aan op het data-acquisitie- en regelcircuit (dit is het onderdeel dat van laboratorium tot laboratorium zal verschillen) en ga verder met het vegen van de spanning die op de sonde wordt uitgeoefend terwijl u tegelijkertijd de stroom meet die door de sonde wordt getrokken. Sla het I-V-spoor op.
  3. Emitterende sondes
    1. Herhaal stap 3.2.2 met het data-acquisitie- en regelcircuit van de emitterende sonde.

4. Data-analyse

  1. Langmuir-sondes (zie afbeelding 12, afbeelding 13 voor meer details).
    1. Trek de lastlijn af van de totale I-V-karakteristiek.
    2. Pas de ionenverzadigingsstroom aan en trek deze af van de resterende I-V-karakteristieken.
    3. Neem het natuurlijke stroomlogboek en zet het af tegen de sondespanning.
    4. Neem lineaire fits van overgangsgebied en verzadigingsstroom afzonderlijk.
    5. Neem de inverse van de helling van het overgangsgebied en verkrijg de elektronentemperatuurwaarde.
    6. Verkrijg de plasmadichtheid door de stroom aan te sluiten op de kruising waar de twee gemonteerde lijnen elkaar kruisen in Eq.3.
    7. Pas de buigpunttechniek toe op het Langmuir-sondespoor en bepaal het plasmapotentiaal.
  2. Emitterende sonde (zie afbeelding 2).
    1. Herhaal stap 4.1.1-4.1.2 voor de afzonderlijke I-V-karakteristieken en strijk vervolgens elk spoor glad.
    2. Onderscheid elk I-V-spoor en pas de juiste afvlakking toe.
    3. Lokaliseer de piek van elke afgevlakte dI/dV (buigpunt).
    4. Pas een lineaire pasvorm toe op de buigpunten.
    5. Verkrijg de plasmapotentiaal door de nulovergang van de gemonteerde lijn te lokaliseren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Langmuir-sondes, waarvan bekend is dat ze gevoelig zijn voor stromingen en voor de kinetische energie van de deeltjes die ze verzamelen, werden tot nu toe beschouwd als geldige metingen van de plasmapotentiaal, behalve in omhulsels. Maar directe vergelijkingen van plasmapotentialen gemeten door Langmuir-sondes en emittieve sondes hebben aangetoond dat in het quasineutrale voormantelgebied van het plasma dat onmiddellijk in contact komt met de omhulsel aan de plasmazijde, Langmuir-sondes geen nauwkeurige metingen van de p...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Langmuir-sondes worden gebruikt voor deeltjesfluxmetingen in een buitengewoon breed scala aan plasmadichtheden en temperaturen, van ruimteplasma's waarin de elektronendichtheid slechts enkele deeltjes 106 m-3 is tot het randgebied van fusieplasma's waar de elektronendichtheid meer lijkt op een paar keer 1020 m-3. Bovendien zijn elektronentemperaturen tussen 0,1 en een paar honderd eV's gediagnosticeerd met Langmuir-sondes. Langmuir-sondes worden vaak gebruikt om de plasmadichth...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gedeeltelijk gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), via subsidieDE-SC00114226, en de National Science Foundation via subsidies PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 en PHY-1804240

Eerbetoon aan Noah Hershkowitz:
Noah Hershkowitz leverde baanbrekende bijdragen aan de plasmafysica en verdiende het respect en de bewondering van zijn collega's en studenten, zowel als wetenschapper als als mens.  "Natuurkunde", legde hij ooit uit, "is als een legpuzzel die heel oud is. Alle stukken zijn versleten. Hun randen zijn in de war. Sommige stukjes zijn op de verkeerde manier in elkaar gezet. Ze passen een beetje, maar ze zitten eigenlijk niet op de juiste plaatsen. Het spel is om ze op de juiste manier samen te stellen om erachter te komen hoe de wereld werkt.  Hij stierf op 13 november 2020 op 79-jarige leeftijd.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
0.001" thick tungsten wireMidwest Tungsten Service0.001"Emissieve sondevlam
0.005" thick tantalum sheetMidwest Tungsten Service0.005"Verwarmingsdraad om plasma te genereren
1/2" Messing steunbuis
1/4" Messing Ferrule SetSwagelokB-400-SETInterface tussen roestvrij sondeschacht en Swagelok buisfitting
1/4" OD 304 of 315 roestvrijstalen buisSwagelokSS-T4-S-035-20Gebruikt om de sondeschacht te maken, bestel naadloos, verkocht in lengtes van 20'
Alumina buizenCOORSTEK65655, enkele boring 0.156" OD 0.094 IDenkele boring, dubbele boring, viervoudige boring, gebruik voor ondersteuningsstructuur voor zowel emissie- als Langmuir-sondes tussen de sondetip en de schacht
Baratron meterMKSType 127Geef de druk weer wanneer er gas door de kamer stroomt
Messing Swagelok buisfittingSwagelokB-400-1-ORBuisfittingen gebruikt op de sonde
Messing Swagelok buisfittingSwagelokB-810-6Buisfittingen gebruikt op de sonde
Messing Swagelok buisfittingSwagelokB-810-1-ORBuisfittingen gebruikt op de sonde
Keramische vloeistofSauereisenNr. 31 Keramische inkapselende vloeistofMengen met Nr.31 cementpoeder om de keramische pasta te maken
Keramische poederSauereisenCementpoeder nr. 31 Off-WhiteEr zijn Sauereisen cementen die uitharden met water, bijv. Nr.10 Poeder
Vergulde nikkeldraadSYLVANIA ELECTRIC PRODUCTspotgelast aan de sondetip om ondersteuning te bieden
Ionmeter controllerGranville-Phillips270 Meter controllerVerwarm de ionmeter en toon de druk in de kamer
Mechanische pompLeybold D60 D60ACD60 D60ACBreng de druk naar ~10 mTorr en dient dan als achterpomp voor de turbopomp
NaaldventielWhiteySS-22RS4Dosering Micro-Naald Micrometer Ventiel 1/4" Buis Swagelok fittingen
VoedingKepcoATE 100-10MVoltage Bias voeding van verwarmingsdraad
VoedingSorensenDCR 20-115BVerwarmingsvoeding van verwarmingsdraad
AfsluitventielKurt J. LeskerNupro SS-4BKKnop handvat, voor 1/4" buis, swagelok fittingen
Roestvrij staal Ultra-Torr Vacuüm FittingSwagelokSS-4-UT-A-8Buisfittingen gebruikt op de sonde
Teflon gecoate draadGeyer SystemsP31546Verbind de goudgecoate draad met BNC-pin
TurbopompPFEIFFERTPH 240 CBreng de druk naar 1E-6 Torr
VacuumvetAPIEZONL Ultra High Vacuum Grade VetVacuumvet gebruikt om de oring te smeren
Viton OringsGrainger#031Ronde #031 Medium Hard Viton O-Ring, 1.739" I.D., 1.879" O.D
Viton OringsGrainger#010Ronde #010 Medium Hard Viton O-Ring, 0.239" I.D., 0.379" O.D

Referenties

  1. Godyak, V. A., Alexandrovich, B. M. Comparative analyses of plasma probe diagnostics techniques. Journal of Applied Physics. 118, 233302(2015).
  2. Gurnett, D. A., et al. The Cassini Radio and Plasma wave investigation. Space Science Reviews. 114, 395-463 (2004).
  3. Olson, J., Brenning, N., Wahlund, J. E., Gunell, H. On the interpretation of Langmuir probe data inside a spacecraft sheath. Review of Scientific Instruments. 81, 105106(2010).
  4. Lebreton, J. P., et al. The ISL Langmuir probe experiment processing onboard DEMETER: Scientific objectives, description and first results. Planetary and Space Science. 54, 472-486 (2006).
  5. Godyak, V. A., Piejak, R. B., Alexandrovich, B. M. Measurements of electron energy distribution in low-pressure RF discharges. Plasma Sources Science and Technology. 1, 36-58 (1992).
  6. You, K. H., et al. Experimental and computational investigations of the effect of the electrode gap on capacitively coupled radio frequency oxygen discharges. Physics of Plasmas. 26, 013503(2019).
  7. Sobolewski, M. A., Kim, J. H. The effects of radio-frequency bias on electron density in an inductively coupled plasma reactor. Journal of Applied Physics. 102 (11), 113302(2007).
  8. Godyak, V. A., Piejak, R. B., Alexandrovich, B. M. Electron energy distribution function measurements and plasma parameters in inductively coupled argon plasma. Plasma Sources Science and Technology. 11, 525-543 (2002).
  9. Leonard, A. W. Plasma detachment in divertor tokamaks. Plasma Physics and Controlled Fusion. 60, 044001(2018).
  10. Loarte, A., et al. Plasma detachment in JET Mark I divertor experiments. Nuclear Fusion. 38, 331-371 (1998).
  11. Matthews, G. F. Tokamak plasma diagnosis by electrical probes. Plasma Physics and Controlled Fusion. 36, 1595-1628 (1994).
  12. Langmuir, I. The pressure effect and other phenomena in gaseous discharges. Journal of the Franklin Institute. 196, 751-762 (1923).
  13. Hutchinson, I. H. Principles of Plasma Diagnostics. 2nd. Ed. , Cambridge University Press. Cambridge UK. (2002).
  14. Hershkowitz, N. How Langmuir Probes Work. Plasma Diagnostics Volume 1 Discharge Parameters and Chemistry. Auciello, N., Flamm, D. L. , Academic Press. Boston. 114(1989).
  15. Lee, H. C., Lee, J. K., Chung, W. C. Evolution of the electron energy distribution and E-H mode transition in inductively coupled nitrogen plasma. Physics of Plasmas. 17, 033506(2010).
  16. Amemiya, H. Plasmas with negative ions-probe measurements and charge equilibrium. Journal of Physics D: Applied Physics. 23, 999(1990).
  17. Andreu, J., Sardin, G., Esteve, J., Morenza, J. L. Filament discharge plasma of argon with electrostatic confinement. Journal of Physics D: Applied Physics. 18, 1339-1345 (1985).
  18. Bohm, D. Minimum Kinetic Energy Requirement for a Stable Sheath. The Characteristics of Electrical Discharges in Magnetic Fields. Guthrie, A., Wakering, R. K. , McGraw-Hill. (1949).
  19. Chen, F. F. Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, 3rd Ed. , Springer. Switzerland. (2016).
  20. Sheehan, J. P., Hershkowitz, N. Emissive probes. Plasma Sources Science and Technology. 20, 063001(2011).
  21. Barnat, E. V., Laity, G. R., Baalrud, S. D. Response of the plasma to the size of an anode electrode biased near the plasma potential. Physics of Plasmas. 21, 103512(2014).
  22. Mausbach, M. Parametrization of the Laframboise theory for cylindrical Langmuir probe analysis. Journal of Vacuum Science and Technology A. 15, 2923-2929 (1997).
  23. Li, P., Hershkowitz, N., Wackerbarth, E., Severn, G. Experimental studies of the difference between plasma potentials measured by Langmuir probes and emissive probes in presheaths. Plasma Sources Science and Technology. 29, 025015(2020).
  24. Goeckner, M. J., Goree, J., Sheridan, T. E. Measurements of ion velocity and density in the plasma sheath. Physics of Fluids B: Plasma Physics. 4, 1663(1992).
  25. Lee, D., Hershkowitz, N., Severn, G. D. Measurements of Ar+ and Xe+ velocities near the sheath boundary of Ar-Xe plasma using two diode lasers. Applied Physics Letters. 91, 041505(2007).
  26. Yan, S., Kamal, H., Amundson, J., Hershkowitz, N. Use of emissive probes in high pressure plasma. Review of Scientific Instruments. 67 (12), 4130-4137 (1996).
  27. Smith, J. R., Hershkowitz, N., Coakley, P. Inflection-point method of interpreting emissive probe characteristics. Review of Scientific Instruments. 50, 210-218 (1979).
  28. Campanell, M. D., Umansky, M. V. Strongly Emitting Surfaces Unable to Float below Plasma Potential. Physical Review Letters. 116, 085003(2016).
  29. Kraus, B. F., Raitses, Y. Floating potential of emitting surfaces in plasmas with respect to the space potential. Physics of Plasmas. 25, 030701(2018).
  30. Yip, C. -S., Jin, C., Zhang, W., Xu, G. S., Hershkowitz, N. Experimental investigation of sheath effects on I-V traces of strongly electron emitting probes. Plasma Sources Science and Technology. 29, 025025(2020).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Vacuümtechniekenafdichten met keramische pastacontinuïteitscontrolewolfraamfilamentgoudgecoat draadBNC-connectorplasmadiagnostiek
Bouw van langmuir-sondes en emitterende sondes voor plasmapotentiaalmetingen in plasma's met lage druk en lage temperatuur
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.