Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Budowa sond Langmuira i sond emisyjnych do pomiarów potencjału plazmy w plazmach niskociśnieniowych i niskotemperaturowych

5.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61804

⸱

25 maja 2021

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

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Głównym celem tej pracy jest ułatwienie grupom badawczym niezaznajomionym z sondami Langmuira i sondami emisyjnymi używania ich do diagnostyki plazmy, szczególnie w pobliżu granic plazmy. Robimy to, pokazując, jak zbudować sondy z łatwo dostępnych materiałów i materiałów.

Streszczenie

Sondy Langmuira od dawna są używane w eksperymentalnych badaniach fizyki plazmy jako podstawowa diagnostyka strumieni cząstek (tj. strumieni elektronów i jonów) oraz ich lokalnych koncentracji przestrzennych, temperatur elektronów i pomiarów potencjału plazmy elektrostatycznej, od czasu ich wynalezienia przez Langmuira na początku lat 20. Sondy emisyjne są używane do pomiaru potencjałów plazmy. Protokoły przedstawione w tej pracy służą do pokazania, w jaki sposób sondy te mogą być zbudowane do użytku w komorze próżniowej, w której wyładowanie plazmowe może być zamknięte i podtrzymywane. Wiąże się to z technikami próżniowymi do budowy czegoś, co jest zasadniczo przepustem elektrycznym, takim, który jest obrotowy i przekształcalny. Oczywiście, można zakupić kompletne systemy sond Langmuira, ale mogą one być również zbudowane przez użytkownika przy znacznych oszczędnościach kosztów, a jednocześnie być bardziej bezpośrednio dostosowane do ich zastosowania w konkretnym eksperymencie. Opisujemy zastosowanie sond Langmuira i sond emisyjnych do mapowania elektrostatycznego potencjału plazmy od ciała plazmy do obszaru osłony granicy plazmy, która w tych eksperymentach jest tworzona przez ujemnie spolaryzowaną elektrodę zanurzoną w plazmie, w celu porównania dwóch technik diagnostycznych i oceny ich względnych zalet i słabości. Chociaż sondy Langmuira mają tę zaletę, że najdokładniej mierzą gęstość plazmy i temperaturę elektronów, sondy emisyjne mogą dokładniej mierzyć elektrostatyczne potencjały plazmy w całej plazmie, aż do obszaru osłony włącznie.

Wprowadzenie

W ciągu pierwszego stulecia badań nad fizyką plazmy, liczonych od odkryć Langmuira z lat 20. XX wieku dotyczących zachowania nowego stanu materii — plazmy — przypominającego ośrodek, sonda Langmuira okazała się najważniejszą pojedynczą metodą diagnostyki parametrów plazmy. Wynika to częściowo z jej niezwykle szerokiego zakresu zastosowań1. W plazmie napotykanej przez satelity2,3,4, w eksperymentach z przetwarzania półprzewodników,5,6,7,8 na krawędziach plazmy uwięzionej w tokamakach,9,10,11 oraz w szerokim zakresie podstawowych eksperymentów z fizyki plazmy, sondy Langmuira były wykorzystywane do pomiaru gęstości i temperatur plazmy w zakresach odpowiednio 108≤ne≤1019m-3 oraz 10-3≤Te≤102eV . Równocześnie w latach 20. XX wieku Langmuir wynalazł sondę, która obecnie nosi jego imię, oraz sondę emisyjną12. Sonda emisyjna jest obecnie wykorzystywana głównie do diagnostyki potencjału plazmy. Chociaż nie pozwala ona na pomiar tak szerokiego zakresu parametrów plazmy jak sonda Langmuira, jest ona również niezwykle użytecznym narzędziem diagnostycznym w pomiarach potencjału plazmy, zwanego czasem elektrostatycznym potencjałem przestrzeni. Na przykład sonda emisyjna potrafi dokładnie mierzyć potencjały przestrzeni nawet w próżni, w której sondy Langmuira nie są w stanie niczego zmierzyć.

Podstawowy układ sondy Langmuira polega na wprowadzeniu elektrody do plazmy i pomiarze zebranego prądu. Wynikowe charakterystyki prądowo-napięciowe (I-V) mogą być wykorzystane do interpretacji parametrów plazmy, takich jak temperatura elektronów Te, gęstość elektronów ne oraz potencjał plazmy ϕ13. Dla plazmy makswellowskiej zależność między zebranym prądem elektronowym Ie (przyjętym jako dodatni) a napięciem polaryzującym sondy VB można wyrazić jako14:

Wzór na równowagę statyczną \(I_e(V_B)\), analiza równań, relacja prądowo-napięciowa, schemat fizyczny.

gdzie Ie0 to prąd nasycenia elektronów,

Równowaga statyczna; równanie; I_e0=Sn_e^∞ e√(T_e/2πm_e); analiza matematyczna.

gdzie S jest powierzchnią zbierającą sondy, równowaga statyczna; schemat z ΣFx=0, MA=0; edukacyjna koncepcja fizyczna; analiza sił to gęstość elektronów w objętości, e to ładunek elektronu, Te to temperatura elektronów, a me to masa elektronu. Teoretyczna zależność charakterystyk I-V dla prądu elektronowego została przedstawiona na dwa sposoby na Ryc. 1A oraz Ryc. 1B. Należy zauważyć, że równania (1a,b) odnoszą się wyłącznie do elektronów w objętości. Jednak prądy sondy Langmuira mogą wykrywać przepływy cząstek naładowanych i konieczne jest wprowadzenie korekt w obecności elektronów pierwotnych, wiązek elektronów lub wiązek jonów itp. Więcej szczegółów znajduje się u Hershkowitza14.

Niniejsza dyskusja dotyczy idealnego przypadku funkcji rozkładu energii elektronów (EEDF) o rozkładzie Maxwella. Oczywiście istnieje wiele okoliczności, w których pojawiają się nieidealności, jednak nie stanowią one przedmiotu niniejszej pracy. Na przykład w systemach plazmowych stosowanych do trawienia i osadzania w przetwarzaniu materiałów, zazwyczaj generowanych i podtrzymywanych przez pole RF, występują gazowe substraty molekularne, które w plazmie tworzą lotne rodniki chemiczne, a także wiele gatunków jonów, w tym jony naładowane ujemnie. Plazma staje się wówczas elektronegatywna, co oznacza, że znaczna część ładunku ujemnego w plazmie kwazineutralnej występuje w formie jonów ujemnych. W plazmie z cząsteczkowymi cząstkami obojętnymi i jonami zderzenia nieelastyczne między elektronami a gatunkami molekularnymi mogą powodować zapady15 w charakterystykach prądowo-napięciowych, a obecność zimnych jonów ujemnych (zimnych w stosunku do elektronów) może prowadzić do znaczących zniekształceń16 w pobliżu potencjału plazmy; wszystkie te zjawiska są oczywiście cechami nie-maxwellowskimi. Eksperymenty opisane w niniejszej pracy przeprowadzono w plazmie wyładowania DC w gazie szlachetnym (argonie) z jednym gatunkiem jonów, wolnej od tego rodzaju efektów nie-maxwellowskich. Jednak w takich wyładowaniach zazwyczaj występuje bi-maxwellowska EEDF, spowodowana obecnością wtórnej emisji elektronów17 ze ścian komory. Ta komponenta gorących elektronów ma zazwyczaj temperaturę kilkukrotnie wyższą od temperatury elektronów zimnych i stanowi mniej niż 1% gęstości, dzięki czemu jest zazwyczaj łatwo odróżnialna od gęstości i temperatury elektronów głównych.

Gdy VB staje się bardziej ujemna niż ϕ, elektrony są częściowo odpychane przez ujemny potencjał powierzchni sondy, a nachylenie wykresu ln(Ie) w funkcji VB wynosi e/Te, t. j. 1/TeV, gdzie TeV to temperatura elektronów w eV, jak pokazano na Rysunku 1B. Po wyznaczeniu TeV można obliczyć gęstość plazmy według wzoru:

Równanie równowagi statycznej, wzór n_e w analizie naukowej, pomiar m^{-3}, zastosowanie badawcze.

Prąd jonowy wyznacza się w inny sposób niż prąd elektronowy. Zakłada się, że jony są „zimne” ze względu na ich stosunkowo dużą masę, Mi >> me, w porównaniu z masą elektronu; zatem w słabo zjonizowanej plazmie jony znajdują się w dość dobrej równowadze termicznej z atomami gazu obojętnego, które mają temperaturę ścianki. Jony są odpychane przez osłonę sondy, jeśli VB ≥ ϕ, a zbierane, jeśli VB < ϕ. Zbierany prąd jonowy jest w przybliżeniu stały dla sond o ujemnym potencjale polaryzującym, podczas gdy strumień elektronów do sondy maleje dla napięć polaryzujących sondę bardziej ujemnych niż potencjał plazmy. Ponieważ prąd nasycenia elektronów jest znacznie większy niż prąd nasycenia jonów, całkowity prąd zbierany przez sondę maleje. W miarę jak potencjał polaryzujący sondy staje się coraz bardziej ujemny, spadek zbieranego prądu jest duży lub mały w zależności od tego, czy temperatura elektronów jest niska czy wysoka, zgodnie z opisem w powyższym równaniu (1a). Równanie dla prądu jonowego w tym przybliżeniu ma postać:

Wzór na równowagę statyczną, równania \(I_i(V_B)\), warunki: \(V_B < \phi\), \(V_B > \phi\), schemat.

gdzie

Równanie przedstawiające wpływ pola magnetycznego na prąd; istotne w badaniach nad równaniami fizycznymi.

oraz

Równanie prędkości dryfu jonów, u<sub>B</sub>=√(T<sub>ev</sub>/M<sub>i</sub>), stosowane w fizyce plazmy.

Zauważamy, że stały strumień jonów zbierany przez sondę przekracza przypadkowy termiczny strumień jonów ze względu na przyspieszenie wzdłuż obszaru przedszyby sondy, przez co jony docierają do krawędzi szyby sondy z prędkością Bohma18, uB, a nie z termiczną prędkością jonów19. Ponadto jony mają gęstość równą gęstości elektronów, ponieważ przedszyba jest kwazineutralna. Porównując prąd nasycenia jonów i elektronów w równaniach 5 i 2, obserwujemy, że wkład jonów w prąd sondy jest mniejszy od wkładu elektronów o czynnik Wzór pierwiastka z M_i podzielonego przez 2πm_e; powiązany z obliczeniami spektrometrii mas.. W przypadku plazmy argonowej czynnik ten wynosi około 108.

Istnieje wyraźny punkt przejścia, w którym prąd elektronowy zmienia się z wykładniczego na stały, znany jako „kolano”. Napięcie polaryzacji sondy w punkcie kolana można przybliżyć jako potencjał plazmy. W rzeczywistym eksperymencie kolano to nigdy nie jest ostre, lecz zaokrąglone ze względu na efekt ładunku przestrzennego sondy, czyli rozszerzenie osłony otaczającej sondę, a także z powodu zanieczyszczenia sondy i szumów plazmy13.

Technika sondy Langmuira opiera się na prądzie zbierania, podczas gdy technika sondy emisyjnej opiera się na emisji prądu. Sondy emisyjne nie mierzą ani temperatury, ani gęstości. Zamiast tego zapewniają precyzyjne pomiary potencjału plazmy i mogą pracować w różnych warunkach ze względu na to, że są niewrażliwe na przepływy plazmy. Teorie i zastosowanie sond emisyjnych zostały w pełni omówione w przeglądzie tematycznym autorstwa Sheehana i Hershkowitza20 oraz w zawartych w nim odniesieniach.

Dla gęstości plazmy 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3 zaleca się zastosowanie techniki punktu przegięcia w granicy zerowej emisji, co polega na wykonaniu serii pomiarów charakterystyk I-V, z których każda odpowiada innemu prądowi grzania włókna, wyznaczeniu napięcia polaryzacji w punkcie przegięcia dla każdej charakterystyki I-V i ekstrapolacji punktów przegięcia do granicy zerowej emisji w celu otrzymania potencjału plazmy, jak pokazano na Rysunku 2.

Powszechnie przyjmuje się, że techniki sondy Langmuira i sondy emisyjnej dają zgodne wyniki w plazmie quasineutralnej, lecz różnią się w obszarze warstwy przyściennej – regionie plazmy stykającej się z granicą, w którym pojawia się ładunek przestrzenny. Niniejsze badanie koncentruje się na potencjale plazmy w pobliżu jej granic, w plazmie niskotemperaturowej i niskociśnieniowej, w celu zweryfikowania tego powszechnego założenia. Aby porównać pomiary potencjału wykonane za pomocą sondy Langmuira oraz sondy emisyjnej, potencjał plazmy wyznaczono również stosując metodę punktu przegięcia charakterystyki I-V sondy Langmuira, jak pokazano na Rysunku 3. Ogólnie przyjmuje się1, że potencjał plazmy wyznacza się poprzez odnalezienie napięcia polaryzacji sondy, przy którym druga pochodna prądu zebranego po napięciu polaryzacji, Równanie równowagi statycznej \(d^2I/dV^2=0\); stosowane w schematach analizy elektrycznej., czyli szczyt krzywej dI/dV, jest równy zero względem napięcia polaryzacji sondy. Rysunek 3 obrazuje sposób wyznaczenia tego maksimum w dI/dV, czyli punktu przegięcia charakterystyki prądowo-napięciowej.

Sondy Langmura (zbierające) i sondy emisyjne (emitujące) mają różne charakterystyki I-V, które zależą również od geometrii końcówki sondy, co przedstawiono na Rysunku 4. Przed wykonaniem sondy należy uwzględnić efekt ładunku przestrzennego. W eksperymentach, w przypadku płaskich sond Langmura, zastosowano płaski tantalowy dysk o średnicy ¼". Większy dysk pozwoliłby na zebranie większego prądu i uzyskanie silniejszych sygnałów. Jednak aby powyższe analizy były możliwe do zastosowania, powierzchnia sondy, Ap, musi być mniejsza niż powierzchnia utraty elektronów w komorze, Aw, spełniając21 nierówność Wzór równowagi statycznej, Ap ≤ Aw, równanie, edukacyjna treść z fizyki. Do wykonania cylindrycznej sondy Langmura użyto drutu wolframowego o grubości 0,025 mm i długości 1 cm; drut o tej samej grubości zastosowano również w sondzie emisyjnej. Warto zauważyć, że w przypadku cylindrycznych sond Langmura, przy parametrach plazmy zastosowanych w tych eksperymentach, promień końcówki sondy, rp, jest znacznie mniejszy od jej długości, Lp, oraz mniejszy od długości Debye'a, λD; tzn. Koncepcja równowagi statycznej; nierówność \(r_p \ll L_p\); schemat fizyczny; użytek edukacyjny. oraz Równanie równowagi statycznej, 0 < rₚ/λᴅ < 1, schemat wzoru; edukacyjny opis słów kluczowych.. W tym zakresie parametrów, stosując teorię ograniczonego ruchu orbitalnego (OML) oraz opracowanie Laframboise'a22 dla przypadku elektronów i jonów termicznych, stwierdzono, że dla napięć polaryzacji sondy równych lub większych od potencjału plazmy, prąd elektronowy może być opisany funkcją postaci Wzór równowagi statycznej, Ie=Ieo(1+VB/TeV)^ce, równanie analityczne, badanie z fizyki., gdzie wykładnik wynosi równanie równowagi statycznej \( C_e \sim 0,4 \) na schemacie badawczym. Kluczowym aspektem jest to, że dla wartości tego wykładnika mniejszych od jedności, metoda punktu przegięcia służąca do wyznaczania potencjału plazmy, opisana w poprzednim akapicie, znajduje zastosowanie również w przypadku cylindrycznych sond Langmura.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Budowa sond Langmuira i sond emisyjnych tak, aby pasowały do komory próżniowej

  1. Planarna sonda Langmuira (zobacz więcej szczegółów na rysunku 5)
    1. Weź rurkę ze stali nierdzewnej o średnicy 1/4" jako trzon sondy i zegnij jeden koniec pod żądanym kątem 90°.
    2. Przytnij niewygiętą stronę na taką długość, aby sonda mogła osiowo pokryć więcej niż połowę długości komory.
    3. Zamontuj niezagiętą stronę wału przez mosiężną rurkę za pomocą adaptera SS-4-UT-A-8 w połączeniu ze złączką rurową B-810-6.
    4. Użyj mosiężnej rurki 1/2" wystającej z niestandardowych kołnierzy przez interfejs B-810-1-OR swagelok, aby zapewnić osiowe podparcie wału sondy.
    5. Podłącz niezagięty koniec wału sondy do obudowy BNC za pomocą złączki B-400-1-OR swagelok, jak pokazano na Rysunek 6.
    6. Przełóż pokryty złotem drut niklowy przez dwie rurki z tlenku glinu o pojedynczym otworze (o średnicy 1/8" i 3/16"), przy czym grubsza z nich mieści się wewnątrz wału sondy, jak pokazano na Rysunek 7.
    7. Zgrzewać punktowo jeden koniec drutu niklowego pokrytego złotem na kawałku odizolowanego drutu, który jest przylutowany do kołka przepustu BNC na końcu wału sondy.
    8. Przytnij drut pokryty złotem na długość tak, aby złącze z odizolowanym drutem mieściło się w rurce z tlenku glinu, aby zapobiec zwarciu z trzonkiem sondy.
    9. Przebij arkusz tantalu, aby uzyskać płaską końcówkę sondy Langmuira (o średnicy 1/4")
    10. Przyspawaj punktowo drugi koniec drutu niklowego pokrytego złotem do krawędzi końcówki sondy i ustaw końcówkę sondy tak, aby była prostopadła do osi płytki granicznej.
    11. Ustaw końcówkę sondy nieco do przodu, tak aby korpus sondy nie dotykał płytki granicznej podczas wykonywania pomiarów wewnątrz osłony.
    12. Uszczelnij wszystkie połączenia pastą ceramiczną (np. Sauereisen Cement nr 31), aby zaizolować elementy obwodu sondy od plazmy. Za pomocą opalarki piecz fugi ceramiczne przez 5-10 minut.
    13. Użyj multimetru, aby zmierzyć rezystancję między końcówką sondy a złączem BNC. Jeśli zostanie wykazana ciągłość, sonda jest gotowa do umieszczenia w komorze próżniowej.
  2. Budowa cylindrycznej sondy emisyjnej (zobacz Rysunek 8, aby uzyskać więcej informacji)
    1. Wykonaj kroki 1.1.1-1.1.4 i powtórz kroki 1.1.5-1.1.7 na tym samym wale sondy dwukrotnie, z wyjątkiem użycia dwuotworowej rurki z tlenku glinu 1/8" zamiast jednootworowej.
    2. Przytnij drut wolframowy o średnicy 0,025 mm na około 1 cm.
    3. Zgrzewać punktowo włókno wolframowe na drutach pokrytych złotem.
    4. Uszczelnij wszystkie połączenia pastą ceramiczną i upewnij się, że pasta ceramiczna nie dostanie się na włókno wolframowe.
    5. Sprawdź ciągłość między dwoma końcami BNC.

2. Generuj plazmę

  1. Włącz manometr, aby sprawdzić ciśnienie podstawowe przed wprowadzeniem gazu do komory. Kontynuuj zerowanie manometru baratronowego, jeśli ciśnienie mieści się w niskim zakresie 10-6 Torr. W przeciwnym razie sprawdź nieszczelność w systemie. Pozycje zaworu iglicowego i wartości odcięcia są odpowiednio otwarte i zamknięte.
  2. Użyj plastikowego śrubokręta, aby skalibrować wyświetlacz baratron, aż liczba będzie oscylować między ±0.01 mTorr.
  3. Zamknij zawór iglicowy tak, aby delikatnie osadził go w pozycji zamkniętej.
  4. Otwórz zawór odcinający. Sprawdź, czy nie ma zmiany ciśnienia w odczycie baratronu.
  5. Powoli obracaj pokrętłem zaworu iglicowego, aby wypuścić gaz do komory, aż ciśnienie osiągnie wymaganą dla eksperymentu. Typowe ciśnienie robocze wynosi od 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr. Gazy robocze obejmowały argon, ksenon, krypton, tlen itp.
  6. Włącz zasilanie napięciowe KEPCO i ustaw napięcie na -60 woltów, aby zapewnić wystarczającą energię elektronów dla maksymalnego przekroju jonizacji argonu. Włącz zasilanie grzewcze żarników i powoli reguluj poziom, aż prąd rozładowania odczyta wymaganą wartość. Prąd rozładowania ma tendencję do szybkiego spadku w ciągu pierwszych kilku minut. Kontynuuj regulację aktualnego poziomu przez około 30 minut, aż rozładowanie się ustabilizuje
  7. Podłącz napięcie zasilania do płyty granicznej i dostosuj polaryzację do żądanego poziomu.

3. Wykonaj pomiary

UWAGA: Ślady I-V dla sond Langmuira i sond emisyjnych są pobierane przez 16-bitową płytę DAQ kontrolowaną przez program Labview. Szczegóły nie są tutaj przedstawione, ponieważ różni użytkownicy mają różne preferencje dotyczące pobierania danych. Istnieje jednak protokół dotyczący korzystania z sond.

  1. Weźmy linię obciążenia: uzyskaj ślad I-V bez żadnego wyładowania plazmowego w komorze ze wszystkimi połączeniami wykonanymi między sondą a jej obwodem pomiarowym (patrz Rysunek 9, Rysunek 10 & Rysunek 11 dla konfiguracji UW-Madison i USD).
  2. Sondy Langmuira
    1. Wyczyść końcówkę sondy (ten krok ma kluczowe znaczenie, ponieważ czysta sonda ma ostrzejsze "kolano" niż brudna sonda), ustawiając sondę dodatnio, aby zebrać duży prąd elektronowy.
      1. Poprowadź prąd przez sondę ze zmiennym zasilaniem i 50 omów do masy maszyny, aby podgrzać końcówkę tak, aby odparować warstwę zanieczyszczeń, która natychmiast przyczepia się do powierzchni sondy w plazmie i zwiększyć rezystywność powierzchniową sondy.
      2. Powoli zwiększaj odchylenie dodatnio, aby przekroczyć potencjał plazmy, pozwalając sondzie zacząć pobierać prąd nasycenia elektronów.
      3. Kontynuuj zwiększanie potencjału; gdy zobaczysz, że końcówka sondy świeci na wiśniowo, oznacza to, że sonda jest czysta. Konieczne jest obserwowanie końcówki sondy w plazmie przez wizjer próżniowy.
      4. Zachowaj ostrożność i czujność podczas zmiany odchylenia sondy. Jeśli sonda zbytnio się nagrzeje, sama końcówka sondy może się wypaczyć i mogą się zdarzyć gorsze rzeczy, takie jak końcówka może mieć, może wyparować, może spaść; Przewody mogą się stopić i stracić izolację i tak dalej.
      5. Podłącz sondę do obwodu akwizycji danych i sterowania (jest to część, która będzie się różnić w zależności od laboratorium) i przystąp do zamiatania napięcia przyłożonego do sondy, jednocześnie mierząc prąd pobierany przez sondę. Zapisz ślad I-V.
    2. Podłącz sondę do obwodu akwizycji danych i sterowania (jest to część, która będzie się różnić w zależności od laboratorium) i przystąp do zamiatania napięcia przyłożonego do sondy, jednocześnie mierząc prąd pobierany przez sondę. Zapisz ślad I-V.
  3. Sondy emisyjne
    1. Powtórz krok 3.2.2 z obwodem akwizycji i sterowania danymi sondy emisyjnej.

4. Analiza danych

  1. Sondy Langmuira (Zobacz Rysunek 12, Rysunek 13, aby uzyskać więcej informacji).
    1. Odejmij linię obciążenia od całkowitej charakterystyki I-V.
    2. Dopasuj prąd nasycenia jonów i odejmij od pozostałych charakterystyk I-V.
    3. Weź naturalny logarytm prądu i wykreśl go w stosunku do napięcia sondy.
    4. Weź osobno pasowania liniowe obszaru przejściowego i prądu nasycenia.
    5. Weź odwrotność nachylenia obszaru przejściowego i uzyskaj wartość temperatury elektronów.
    6. Uzyskaj gęstość plazmy, podłączając prąd na skrzyżowaniu, gdzie dwie dopasowane linie przecinają się ze sobą, do równania 3.
    7. Zastosuj technikę punktu przegięcia do śladu sondy Langmuira i określ potencjał plazmy.
  2. Sonda emisyjna (patrz Rysunek 2).
    1. Powtórz kroki 4.1.1-4.1.2 dla poszczególnych charakterystyk I-V, a następnie wygładź każdą ścieżkę.
    2. Rozróżnij każdy ślad I-V i zastosuj odpowiednie wygładzenie.
    3. Zlokalizuj szczyt każdego wygładzonego dI/dV (punktu przegięcia).
    4. Zastosuj pasowanie liniowe do punktów przegięcia.
    5. Potencjał plazmy należy uzyskać, lokalizując punkt przecięcia zerowego dopasowanej linii.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Sondy Langmuira, znane z wrażliwości na przepływy oraz energię kinetyczną zbieranych cząstek, do tej pory były uważane za narzędzia dostarczające prawidłowych pomiarów potencjału plazmy, z wyjątkiem obszarów poszywowych. Jednak bezpośrednie porównania potencjałów plazmy mierzonych za pomocą sond Langmuira i sond emisyjnych wykazały, że w kwazineutralnym obszarze przedszywowym plazmy, bezpośrednio stykającym się z poszywą od strony plazmy, sondy Langmuira nie zapewniają dokładnych pomiarów potencjału plazmy

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Sondy Langmuira są używane do pomiarów strumienia cząstek w niezwykle szerokim zakresie gęstości i temperatur plazmy, od plazmy kosmicznej, w której gęstość elektronów wynosi zaledwie kilka cząstek 106 m-3 , do obszaru krawędziowego plazmy fuzyjnej, gdzie gęstość elektronów jest bardziej zbliżona do kilku razy 1020 m-3. Co więcej, temperatury elektronów od 0,1 do kilkuset eV zostały zdiagnozowane za pomocą sond Langmuira. Sondy Langmuira są często używane do pomiaru gęstości i ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca została częściowo sfinansowana przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), poprzez grantDE-SC00114226, oraz National Science Foundation poprzez granty PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 i PHY-1804240

Hołd dla Noah Hershkowitza:
Noah Hershkowitz wniósł przełomowy wkład w fizykę plazmy, zdobywając szacunek i podziw swoich kolegów i studentów, zarówno jako naukowiec, jak i człowiek. "Fizyka", wyjaśnił kiedyś, "jest jak układanka, która jest naprawdę stara. Wszystkie elementy są zużyte. Ich krawędzie są poplątane. Niektóre elementy zostały poskładane w niewłaściwy sposób. W pewnym sensie pasują, ale tak naprawdę nie znajdują się we właściwych miejscach. Gra polega na tym, aby połączyć je we właściwy sposób, aby dowiedzieć się, jak działa świat. Zmarł 13 listopada 2020 roku w wieku 79 lat.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Drut wolframowy o grubości 0,001 "wolframowy Midwest0,001 "Żarnik emisyjny
0,005" gruby arkusz tantaluMidwest Tungsten Service0,005 "Żarnik grzewczy do generowania plazmy
1/2" Mosiężna rurka
1/4 "Zestaw tulejek mosiężnychSwagelokB-400-SETInterfejs między wałem sondy ze stali nierdzewnej a złączką rurki swagelok
1/4 "OD 304 lub rura ze stali nierdzewnej 315SwagelokSS-T4-S-035-20Służy do wykonania wału sondy, bez szwu, sprzedawane w długościach 20
Rurki z tlenku glinuCOORSTEK65655, pojedynczy otwór 0,156 "OD 0,094 IDpojedynczy otwór, podwójny otwór, poczwórny otwór, zastosowanie do konstrukcji wsporczej zarówno dla sond emisyjnych, jak i Langmuir między końcówką sondy a wałem
Manometr BaratronMKS Typ 127Wyświetla ciśnienie, gdy w komorze przepływa gaz
Mosiężna złączka rurkowa SwagelokB-400-1-ORZłączki rurowe stosowane w sondzie
Mosiężna złączka rurkowa SwagelokB-810-6Złączki rurowe stosowane w sondzie
Mosiężna złączka rurkowa SwagelokSwagelokB-810-1-ORZłączki rurowe stosowane na sonda
Płyn ceramicznySauereisenNo. 31 Ceramiczny płyn do kapsułkowaniaWymieszaj z mocą cementu nr 31, aby uzyskać pastę ceramiczną
Proszek ceramicznySauereisenCement w proszku nr 31 Złamana bielIstnieją cementy Saureisen, które utwardzają się wodą, np. No.10 Proszek
Pozłacany drut niklowySYLVANIA ELECTRIC PRODUCTprzyspawany do końcówki sondy, aby zapewnić podpory
Kontroler manometruGranville-Phillips270 Sterownik manometruPodgrzej manometr jonowy i wyświetl ciśnienie wewnątrz komory
Pompa mechanicznaLeybold D60 D60ACD60 D60ACObniż ciśnienie do ~10 mTorr, a następnie służy jako pompa wspomagająca
dla zaworu iglicowegoWhiteySS-22RS4Zawór mikrometryczny mikroigłowy 1/4" Rura Złączki Swagelok
ZasilanieKepcoATE 100-10MNapięcie Polaryzacja zasilania żarnika grzewczego
ZasilaczSorensenDCR 20-115BZasilanie grzewcze zaworu odcinającego żarnika grzewczego
Kurt J. LeskerNupro SS-4BKUchwyt gałkowy, do rurki 1/4", złączki swagelok
Złączka próżniowa Ultra-Torr ze stali nierdzewnejSwagelokSS-4-UT-A-8Złączki rurowe stosowane na sondzie
Drut pokryty teflonemGeyer SystemsP31546Podłączyć drut pokryty złotem do pinu BNC
Pompa turboPFEIFFERTPH 240 CObniżyć ciśnienie do 1E-6
Smar próżniowyTorr APIEZONL Ultra High Vacuum Grade GreaseSmar próżniowy stosowany do smarowania oring
Orings VitonGrainger#031Round #031 Średnio twardy O-ring z Vitonu, 1.739" ID, 1.879" O.D
Viton OringsGrainger#010Round #010 Średnio twardy O-ring z Vitonu, 0.239" ID, 0.379"OD
Serwis podtrzymująca' pompy turbo

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Techniki próżnioweuszczelnianie pastą ceramicznąkontrola ciągłościwłókno wolframowedrut powlekany złotemzłącze BNCdiagnostyka plazmy
Budowa sond Langmuira i sond emisyjnych do pomiarów potencjału plazmy w plazmach niskociśnieniowych i niskotemperaturowych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.