Name: Budowa sond Langmuira i sond emisyjnych do pomiarów potencjału plazmy w plazmach niskociśnieniowych i niskotemperaturowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-25T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 10 s
Description: Poznaj metodę budowy sond Langmuira i emisyjnych do diagnostyki plazmy niskociśnieniowej. Protokół wykorzystuje powszechnie dostępne materiały laboratoryjne, co obniża koszty i ułatwia adaptację w różnych warunkach badawczych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Budowa sond Langmuira i sond emisyjnych tak, aby pasowały do komory próżniowej
<ol>
	<li>Planarna sonda Langmuira (zobacz więcej szczegółów na rysunku 5)
	<ol>
		<li>Weź rurkę ze stali nierdzewnej o średnicy 1/4" jako trzon sondy i zegnij jeden koniec pod żądanym kątem 90°.</li>
		<li>Przytnij niewygiętą stronę na taką długość, aby sonda mogła osiowo pokryć więcej niż połowę długości komory.</li>
		<li>Zamontuj niezagiętą stronę wału przez mosiężną rurkę za pomocą adaptera SS-4-UT-A-8 w połączeniu ze złączką rurową B-810-6.</li>
		<li>Użyj mosiężnej rurki 1/2" wystającej z niestandardowych kołnierzy przez interfejs B-810-1-OR swagelok, aby zapewnić osiowe podparcie wału sondy.</li>
		<li>Podłącz niezagięty koniec wału sondy do obudowy BNC za pomocą złączki B-400-1-OR swagelok, jak pokazano na Rysunek 6.</li>
		<li>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 <silna klasa="xfig">Rysunek 7.</li>
		<li>Zgrzewać punktowo jeden koniec drutu niklowego pokrytego złotem na kawałku odizolowanego drutu, który jest przylutowany do kołka przepustu BNC na końcu wału sondy.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Przebij arkusz tantalu, aby uzyskać płaską końcówkę sondy Langmuira (o średnicy 1/4")</li>
		<li>Przyspawaj punktowo drugi koniec drutu niklowego pokrytego złotem do krawędzi końcówki sondy i ustaw końcówkę sondy tak, aby była prostopadła do osi płytki granicznej.</li>
		<li>Ustaw końcówkę sondy nieco do przodu, tak aby korpus sondy nie dotykał płytki granicznej podczas wykonywania pomiarów wewnątrz osłony.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Użyj multimetru, aby zmierzyć rezystancję między końcówką sondy a złączem BNC. Jeśli zostanie wykazana ciągłość, sonda jest gotowa do umieszczenia w komorze próżniowej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Budowa cylindrycznej sondy emisyjnej (zobacz Rysunek 8, aby uzyskać więcej informacji)
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Przytnij drut wolframowy o średnicy 0,025 mm na około 1 cm.</li>
		<li>Zgrzewać punktowo włókno wolframowe na drutach pokrytych złotem.</li>
		<li>Uszczelnij wszystkie połączenia pastą ceramiczną i upewnij się, że pasta ceramiczna nie dostanie się na włókno wolframowe.</li>
		<li>Sprawdź ciągłość między dwoma końcami BNC.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Generuj plazmę
<ol>
	<li>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. </li>
	<li>Użyj plastikowego śrubokręta, aby skalibrować wyświetlacz baratron, aż liczba będzie oscylować między ±0.01 mTorr.</li>
	<li>Zamknij zawór iglicowy tak, aby delikatnie osadził go w pozycji zamkniętej.</li>
	<li>Otwórz zawór odcinający. Sprawdź, czy nie ma zmiany ciśnienia w odczycie baratronu.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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</li>
	<li>Podłącz napięcie zasilania do płyty granicznej i dostosuj polaryzację do żądanego poziomu.</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>Weźmy linię obciążenia: uzyskaj ślad I-V bez żadnego wyładowania plazmowego w komorze ze wszystkimi połączeniami wykonanymi między sondą a jej obwodem pomiarowym (patrz <silna klasa = "xfig" > Rysunek 9, <silna klasa = "xfig">Rysunek 10 & <silna klasa = "xfig" >Rysunek 11 dla konfiguracji UW-Madison i USD).</li>
	<li>Sondy Langmuira
	<ol>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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.</li>
			<li>Powoli zwiększaj odchylenie dodatnio, aby przekroczyć potencjał plazmy, pozwalając sondzie zacząć pobierać prąd nasycenia elektronów.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Sondy emisyjne
	<ol>
		<li>Powtórz krok 3.2.2 z obwodem akwizycji i sterowania danymi sondy emisyjnej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Analiza danych
<ol>
	<li>Sondy Langmuira (Zobacz Rysunek 12, Rysunek 13, aby uzyskać więcej informacji).
	<ol>
		<li>Odejmij linię obciążenia od całkowitej charakterystyki I-V.</li>
		<li>Dopasuj prąd nasycenia jonów i odejmij od pozostałych charakterystyk I-V.</li>
		<li>Weź naturalny logarytm prądu i wykreśl go w stosunku do napięcia sondy.</li>
		<li>Weź osobno pasowania liniowe obszaru przejściowego i prądu nasycenia.</li>
		<li>Weź odwrotność nachylenia obszaru przejściowego i uzyskaj wartość temperatury elektronów.</li>
		<li>Uzyskaj gęstość plazmy, podłączając prąd na skrzyżowaniu, gdzie dwie dopasowane linie przecinają się ze sobą, do równania 3.</li>
		<li>Zastosuj technikę punktu przegięcia do śladu sondy Langmuira i określ potencjał plazmy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Sonda emisyjna (patrz <silna klasa="xfig">Rysunek 2).
	<ol>
		<li>Powtórz kroki 4.1.1-4.1.2 dla poszczególnych charakterystyk I-V, a następnie wygładź każdą ścieżkę.</li>
		<li>Rozróżnij każdy ślad I-V i zastosuj odpowiednie wygładzenie.</li>
		<li>Zlokalizuj szczyt każdego wygładzonego dI/dV (punktu przegięcia).</li>
		<li>Zastosuj pasowanie liniowe do punktów przegięcia.</li>
		<li>Potencjał plazmy należy uzyskać, lokalizując punkt przecięcia zerowego dopasowanej linii.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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 ...

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:
<img alt="Wzór na równowagę statyczną \(I_e(V_B)\), analiza równań, relacja prądowo-napięciowa, schemat fizyczny." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ1v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 1">
gdzie Ie0 to prąd nasycenia elektronów,
<img alt="Równowaga statyczna; równanie; I_e0=Sn_e^∞ e√(T_e/2πm_e); analiza matematyczna." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ2v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 2">
gdzie S jest powierzchnią zbierającą sondy, <img alt="równowaga statyczna; schemat z ΣFx=0, MA=0; edukacyjna koncepcja fizyczna; analiza sił" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ09.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 9"> 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:
<img alt="Równanie równowagi statycznej, wzór n_e w analizie naukowej, pomiar m^{-3}, zastosowanie badawcze." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ3v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 3">
Prąd jonowy wyznacza się w inny sposób niż prąd elektronowy. Zakłada się, że jony są „zimne” ze względu na ich stosunkowo dużą masę, Mi &gt;&gt; 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 &lt; 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:
<img alt="Wzór na równowagę statyczną, równania \(I_i(V_B)\), warunki: \(V_B &lt; \phi\), \(V_B &gt; \phi\), schemat." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ4v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 4">
gdzie
<img alt="Równanie przedstawiające wpływ pola magnetycznego na prąd; istotne w badaniach nad równaniami fizycznymi." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ5v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 5">
oraz
<img alt="Równanie prędkości dryfu jonów, u&lt;sub&gt;B&lt;/sub&gt;=√(T&lt;sub&gt;ev&lt;/sub&gt;/M&lt;sub&gt;i&lt;/sub&gt;), stosowane w fizyce plazmy." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ6v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 6">
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 <img alt="Wzór pierwiastka z M_i podzielonego przez 2πm_e; powiązany z obliczeniami spektrometrii mas." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ10.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 10">. 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, <img alt="Równanie równowagi statycznej \(d^2I/dV^2=0\); stosowane w schematach analizy elektrycznej." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ11.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 11">, 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 <img alt="Wzór równowagi statycznej, Ap ≤ Aw, równanie, edukacyjna treść z fizyki" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ12.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 12">. 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. <img alt="Koncepcja równowagi statycznej; nierówność \(r_p \ll L_p\); schemat fizyczny; użytek edukacyjny." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ13.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 13"> oraz <img alt="Równanie równowagi statycznej, 0 &lt; rₚ/λᴅ &lt; 1, schemat wzoru; edukacyjny opis słów kluczowych." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ14.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 14">. 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 <img alt="Wzór równowagi statycznej, Ie=Ieo(1+VB/TeV)^ce, równanie analityczne, badanie z fizyki." src="/files/ftp_upload/61804/61804equ15.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 15">, gdzie wykładnik wynosi <img alt="równanie równowagi statycznej \( C_e \sim 0,4 \) na schemacie badawczym" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ16.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 16">. 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.

<table><tbody><tr><td>Drut wolframowy o grubości 0,001 "</td>Serwis <td>wolframowy Midwest</td><td>0,001 "</td><td>Żarnik emisyjny</td></tr><tr><td>0,005" gruby arkusz tantalu</td><td>Midwest Tungsten Service</td><td>0,005 "</td><td>Żarnik grzewczy do generowania plazmy</td></tr><tr><td>1/2" Mosiężna rurka</td><td></td><td></td><td></td>podtrzymująca</tr><tr><td>1/4 "Zestaw tulejek mosiężnych</td><td>Swagelok</td><td>B-400-SET</td><td>Interfejs między wałem sondy ze stali nierdzewnej a złączką rurki swagelok</td></tr><tr><td>1/4 "OD 304 lub rura ze stali nierdzewnej 315</td><td>Swagelok</td><td>SS-T4-S-035-20</td><td>Służy do wykonania wału sondy, bez szwu, sprzedawane w długościach 20</td></tr>' <tr><td>Rurki z tlenku glinu</td><td>COORSTEK</td><td>65655, pojedynczy otwór 0,156 "OD 0,094 ID</td><td>pojedynczy otwór, podwójny otwór, poczwórny otwór, zastosowanie do konstrukcji wsporczej zarówno dla sond emisyjnych, jak i Langmuir między końcówką sondy a wałem</td></tr><tr><td>Manometr Baratron</td><td></td><td>MKS Typ 127</td><td>Wyświetla ciśnienie, gdy w komorze przepływa gaz</td></tr><tr><td>Mosiężna złączka rurkowa Swagelok</td><td>B-400-1-OR</td><td>Złączki rurowe stosowane w sondzie</td><td></td></tr><tr><td>Mosiężna złączka rurkowa Swagelok</td><td></td><td>B-810-6</td><td>Złączki rurowe stosowane w sondzie</td></tr><tr><td>Mosiężna złączka rurkowa Swagelok</td><td>Swagelok</td><td>B-810-1-OR</td><td>Złączki rurowe stosowane na sonda</td></tr><tr><td>Płyn ceramiczny</td><td>Sauereisen</td><td>No. 31 Ceramiczny płyn do kapsułkowania</td><td>Wymieszaj z mocą cementu nr 31, aby uzyskać pastę ceramiczną</td></tr><tr><td>Proszek ceramiczny</td><td>Sauereisen</td><td>Cement w proszku nr 31 Złamana biel</td><td>Istnieją cementy Saureisen, które utwardzają się wodą, np. No.10 Proszek</td></tr><tr><td>Pozłacany drut niklowy</td><td>SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT</td><td></td><td>przyspawany do końcówki sondy, aby zapewnić podpory</td></tr><tr><td>Kontroler manometru</td><td>Granville-Phillips</td><td>270 Sterownik manometru</td><td>Podgrzej manometr jonowy i wyświetl ciśnienie wewnątrz komory</td></tr><tr><td>Pompa mechaniczna</td><td>Leybold D60 D60AC</td><td>D60 D60AC</td><td>Obniż ciśnienie do ~10 mTorr, a następnie służy jako pompa wspomagająca</td></tr><tr><td>dla zaworu iglicowego</td> pompy turbo <td>Whitey</td><td>SS-22RS4</td><td>Zawór mikrometryczny mikroigłowy 1/4" Rura Złączki Swagelok</td></tr><tr><td>Zasilanie</td><td>Kepco</td><td>ATE 100-10M</td><td>Napięcie Polaryzacja zasilania żarnika grzewczego</td></tr><tr><td>Zasilacz</td><td>Sorensen</td><td>DCR 20-115B</td><td>Zasilanie grzewcze zaworu odcinającego żarnika grzewczego</td></tr><tr><td></td><td>Kurt J. Lesker</td><td>Nupro SS-4BK</td><td>Uchwyt gałkowy, do rurki 1/4", złączki swagelok</td></tr><tr><td>Złączka próżniowa Ultra-Torr ze stali nierdzewnej</td><td>Swagelok</td><td>SS-4-UT-A-8</td><td>Złączki rurowe stosowane na sondzie</td></tr><tr><td>Drut pokryty teflonem</td><td>Geyer Systems</td><td>P31546</td><td>Podłączyć drut pokryty złotem do pinu BNC</td></tr><tr><td>Pompa turbo</td><td>PFEIFFER</td><td>TPH 240 C</td><td>Obniżyć ciśnienie do 1E-6</td></tr><tr><td>Smar próżniowy</td><td>Torr APIEZON</td><td>L Ultra High Vacuum Grade Grease</td><td>Smar próżniowy stosowany do smarowania oring</td></tr><tr><td>Orings Viton</td><td>Grainger</td><td>#031</td><td>Round #031 Średnio twardy O-ring z Vitonu, 1.739" ID, 1.879" O.D</td></tr><tr><td>Viton Orings</td><td>Grainger</td><td>#010</td><td>Round #010 Średnio twardy O-ring z Vitonu, 0.239" ID, 0.379"OD</td></tr></tbody></table>

budowa sond langmuira i sond emisyjnych do pomiarów potencjału plazmy w plazmach niskociśnieniowych i niskotemperaturowych

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

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.

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<sup class="xre...

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.

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

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

Zapewniamy protokół krok po kroku, jak wykonać sondy Langmuira i sondy emisyjne przy użyciu łatwo dostępnych materiałów laboratoryjnych dla badaczy, którzy chcą zbudować samodzielnie. Wykorzystanie łatwo dostępnych materiałów w laboratorium sprawia, że budowa i konserwacja sond elektrostatycznych do diagnostyki plazmy jest tańsza i łatwiejsza, a system można lepiej dostosować do różnych warunków laboratoryjnych. Interfejs próżniowy stosowany w naszym protokole budowy może być również stosowany jako metoda przepustowa dla innych urządzeń niskociśnieniowych.Podczas wykonywania tego protokołu techniki próżniowe, kontrola ciągłości elektrycznej, utwardzanie pasty ceramicznej i radzenie sobie z kruchością sondy mogą początkowo wydawać się trudne. Zacznij od skonstruowania sond Langmuire. Weź rurkę ze stali nierdzewnej o średnicy ćwierć cala jako wałek sondy.Przyciąć rurkę tak, aby sonda mogła osiowo pokryć więcej niż połowę długości komory. Zamontuj niezagiętą stronę wału przez mosiężną rurkę za pomocą adaptera SS-4-UT-A-8 w połączeniu ze złączką rurową B-810-6. Użyj półcalowej mosiężnej rurki wystającej z niestandardowych kołnierzy przez interfejs B-810-1 OR Swagelok, aby zapewnić osiowe podparcie wału sondy.Podłącz niezagięty koniec wału sondy do obudowy BNC za pomocą złączki B-400-1 OR Swagelok. Przełóż drut niklowy pokryty złotem przez dwie rurki z tlenku glinu z pojedynczym otworem, dopasowując grubszą rurkę do wału sondy. Zgrzewać punktowo jeden koniec drutu niklowego pokrytego złotem na kawałku odizolowanego drutu, który jest nasuwany na pióro przepustu BNC, na końcu wału sondy.Następnie przetnij drut pokryty złotem tak, aby złącze z odizolowanym drutem mieściło się w rurce z tlenku glinu, aby zapobiec zwarciu z trzonem sondy. Przebij arkusz tantalu, aby wykonać ćwierćcalową końcówkę sondy Langmuir do strugarki i przyspawać punktowo do drugiego końca drutu niklowego pokrytego złotem na krawędzi końcówki, ustawiając końcówkę sondy normalnie do osi płyty granicznej. Ustaw końcówkę sondy lekko do przodu, tak aby korpus sondy nie dotykał płyty granicznej podczas wykonywania pomiarów wewnątrz osłony.Uszczelnij wszystkie połączenia pastą ceramiczną, aby zaizolować elementy obwodu sondy od plazmy i użyj odciągacza do wypalania ceramicznych złączy przez pięć do 10 minut. Użyj multimetru, aby zmierzyć rezystancję między końcówką sondy a złączem BNC. Jeśli zostanie wykazana ciągłość, sonda jest gotowa do umieszczenia w komorze próżniowej.Aby zbudować cylindryczną sondę dopuszczającą, postępuj zgodnie z wcześniej opisaną procedurą, z wyjątkiem użycia aluminiowej rurki o średnicy jednej ósmej cala i dwóch otworach zamiast rurki z jednym otworem. Przytnij drut wolframowy o średnicy 0,025 milimetra na około jeden centymetr i przyspawaj punktowo włókno wolframowe do drutów pokrytych złotem. Uszczelnij połączenia alternatywne pastą ceramiczną, upewniając się, że pasta nie dostanie się na włókno wolframowe.Sprawdź ciągłość między dwoma końcami BNC. Włącz manometr, aby sprawdzić ciśnienie podstawowe przed wprowadzeniem gazu do komory. W przeciwnym razie sprawdź, czy w systemie nie ma wycieków.Użyj pióra, aby skalibrować wyświetlacz baratron, aż liczba będzie oscylować w granicach plus lub minus 0,01 militora. Upewnij się, że zawór iglicowy jest w pozycji zamkniętej. Następnie otwórz zawór odcinający i sprawdź, czy nie ma zmiany ciśnienia na odczycie baratronu.Powoli obracaj pokrętłem zaworu iglicowego, aby wypuścić gaz do komory, aż do osiągnięcia wymaganego ciśnienia. Włącz zasilanie napięciowe i ustaw napięcie na minus 60 woltów, aby zapewnić wystarczającą energię elektronów dla maksymalnego przekroju jonizacji argonu. Następnie włącz zasilanie grzewcze żarników i powoli reguluj poziom, aż prąd rozładowania odczyta wymaganą wartość.Podłącz napięcie zasilania do płyty granicznej i dostosuj odchylenie do żądanego poziomu. Następnie przystąp do pomiaru. Podłącz sondę do obwodu akwizycji i sterowania danymi i przystąp do zamiatania napięcia przyłożonego do sondy, jednocześnie mierząc prąd pobierany przez sondę.Zapisz ślad napięcia prądu. Powtórz akwizycję danych za pomocą sond dopuszczających, akwizycji danych i obwodu sterującego. Sondy Langmuira zostały zbudowane w czterech różnych konfiguracjach i były oznaczone jako LPJ, gdzie J było liczbą całkowitą od jednego do czterech.Konstrukcje sond obejmowały cylindryczną sondę Langmuira LP jeden, dwustronną sondę Langmuira, LP drugą, sondę Langmuira z strugarką, LP trzy, ze stroną skierowaną w stronę płyty granicznej uszczelnioną pastą ceramiczną, oraz planarną sondę Langmuira, LP cztery, ze stroną skierowaną od płytki granicznej pokrytą pastą ceramiczną. Porównanie pomiarów potencjału sondy Langmuira i sondy missive przedstawiono tutaj. Wszystkie cztery typy sond Langmuira porównano z pomiarami sondy misyjnej, aby określić, jak dobrze mierzą one potencjały plazmy w pobliżu granic plazmy, szczególnie w obszarze przed osłonką.Przetestowano różne konstrukcje sond, aby określić, czy sposób, w jaki sondy Langmuir są używane do pomiaru potencjałów plazmy, daje dokładne wyniki. Wszystkie pomiary wykonane za pomocą sondy Langmuira porównano z dopuszczalnymi pomiarami potencjału plazmy wykonanymi za pomocą sondy. W osłonie wstępnej wszystkie potencjały plazmy mierzone przez sondę Langmuira różnią się od tych mierzonych przez sondy kontrolne.Różnica ta powiększa się wraz ze zbliżaniem się do krawędzi osłony, rosnąc do wartości wielu temperatur elektronów. Parametry plazmy, takie jak temperatura, gęstość, długości do zakupu i długości osłony Langmuira dla dzieci, uzyskane z pomiarów za pomocą LP dwa w większości plazmy, są pokazane tutaj. Parametry te pomagają w ustaleniu dobrych szacunków nominalnej grubości powłoki dla płaskich sond Langmuira.Aby skutecznie wykonać ten protokół, wypiecz wszystkie pęcherzyki powietrza podczas suszenia pasty ceramicznej. Przed włożeniem sondy do komory próżniowej nie zapomnij sprawdzić ciągłości między taśmą sondy a głowicą BNC, a także sprawdzić instalację między taśmą sondy a wałem sondy. Sondy elektrostatyczne są używane do wykrywania i wystrzeliwania fal plazmowych w celu zmierzenia obecności niestabilności plazmy oraz do mapowania spójnej struktury znajdującej się w plazmie, takiej jak warstwy podwójne i tony stałe.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisano eksperymentalną metodę badania wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultrakrótkimi impulsami laserowymi. Zastosowanie tej metody pozwala na uzyskanie wysokiej jakości obrazów wczesnej plazmy z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną. Do symulacji i wyjaśnienia mechanizmów powstawania wczesnej plazmy wykorzystano nowatorski zintegrowany model atomistyczny.

Badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultraszybkimi impulsami laserowymi

Ten film pokazuje, jak atmosferyczna latarka plazmowa może być zapalana przez mikrofale bez dodatkowych zapalników i zapewnia stabilną i ciągłą pracę plazmy, odpowiednią do wielu zastosowań.

Jak zapalić palnik plazmowy mikrofalowy pod ciśnieniem atmosferycznym bez dodatkowych zapalników?

Opisujemy metodologię mechanicznego złuszczania i osadzania płatków nowych materiałów o wymiarach mikronowych na podłożu, wytwarzania eksperymentalnych struktur urządzeń do eksperymentów transportowych oraz pomiaru magnetotransportu w suchym helu w zamkniętym cyklu w temperaturach do 0,300 K i polach magnetycznych do 12 T.

Zaawansowane metody eksperymentalne do niskotemperaturowych pomiarów magnetotransportu nowych materiałów

Opracowanie nowych materiałów ablacyjnych i ich modelowanie numeryczne wymaga szeroko zakrojonych badań eksperymentalnych. Protokół ten opisuje procedury charakterystyki odpowiedzi materiału w przepływach plazmy, przy czym podstawowe techniki są nieinwazyjnymi metodami śledzenia recesji materiału wraz z chemią w reaktywnej warstwie granicznej za pomocą spektroskopii emisyjnej.

Badanie warstwy granicznej metodą spektroskopowej emisji podczas badania materiału ablacyjnego w plazmatronie

Stworzono eksperymentalną konfigurację dla napędzanego helem strumienia plazmy o częstotliwości kHz. Konfiguracja obejmuje klatkę do zasilania plazmą i dyszą oraz wbudowany reaktor do monitorowania indukowanych plazmą form reaktywnych bez ingerencji atmosfery otoczenia.

Układ plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym do zbadania powstawania form reaktywnych

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Ten artykuł przedstawia metodę całkowitej spektroskopii absorpcyjnej wewnętrznego odbicia (TIRAS) do pomiaru krótkożyciowych wolnych rodników na granicy plazmy-cieczy. W szczególności TIRAS służy do identyfikacji solwatowanych elektronów na podstawie ich optycznej absorbancji światła czerwonego w pobliżu 700 nm.

Spektroskopia absorpcyjna całkowitego wewnętrznego odbicia (TIRAS) do wykrywania solwatowanych elektronów na granicy faz plazma-ciecz

Ten protokół opisuje kluczowe kroki do przeprowadzania i analizowania eksperymentów z pompą-sondą, łącząc femtosekundowy laser optyczny z laserem na swobodnych elektronach, w celu zbadania ultraszybkich reakcji fotochemicznych w cząsteczkach fazy gazowej.

Eksperymentalny protokół dla femtosekundowego NIR/UV - Eksperymenty z pompą i sondą XUV z laserami na swobodnych elektronach

Ładowanie i mobilizacja pyłu jest demonstrowane w trzech eksperymentach z ekspozycją na plazmę termiczną z wiązką elektronów, tylko wiązką elektronów lub tylko promieniowaniem ultrafioletowym (UV). Eksperymenty te pozwalają na pogłębienie wiedzy na temat elektrostatycznego transportu pyłu i jego roli w kształtowaniu powierzchni pozbawionych powietrza ciał planetarnych.

Eksperymentalne metody ładowania i mobilizacji pyłu na powierzchniach narażonych na promieniowanie ultrafioletowe lub plazmę

Tutaj prezentujemy protokół do testowania i optymalizacji systemów napędu kosmicznego opartych na zminiaturyzowanych silnikach typu Hall.

Optymalizacja, testowanie i diagnostyka zminiaturyzowanych sterów strumieniowych hali

Ten protokół jest przedstawiony w celu scharakteryzowania konfiguracji, obsługi i zastosowania COST-Jet do obróbki różnych powierzchni, takich jak ciała stałe i ciecze.

Obróbka powierzchni zimną plazmą pod ciśnieniem atmosferycznym za pomocą COST-Jet

Poznaj metodę budowy sond Langmuira i emisyjnych do diagnostyki plazmy niskociśnieniowej. Protokół wykorzystuje powszechnie dostępne materiały laboratoryjne, co obniża koszty i ułatwia adaptację w różnych warunkach badawczych.

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

Przeglądaj więcej filmów