O principal objetivo deste trabalho é tornar mais fácil para grupos de pesquisa não familiarizados com sondas Langmuir e sondas emissivas usá-las como diagnóstico de plasma, especialmente perto de limites de plasma. Fazemos isso demonstrando como construir as sondas a partir de materiais e suprimentos prontamente disponíveis.
É necessária uma assinatura do JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou inicie seu teste gratuito.
Artigo de método
Construção de Sondas Langmuir e Sondas Emissivas para Medições de Potencial de Plasma em Plasmas de Baixa Pressão e Baixa Temperatura
* These authors contributed equally
Neste artigo
Resumo
Resumo
As sondas de Langmuir têm sido usadas há muito tempo em pesquisas experimentais de física de plasmas como o diagnóstico primário para fluxos de partículas (isto é, fluxos de elétrons e íons) e suas concentrações espaciais locais, para temperaturas de elétrons e para medições de potencial de plasma eletrostático, desde sua invenção por Langmuir no início da década de 1920. Sondas emissivas são usadas para medir potenciais plasmáticos. Os protocolos apresentados neste trabalho servem para demonstrar como essas sondas podem ser construídas para uso em uma câmara de vácuo na qual uma descarga de plasma pode ser confinada e sustentada. Isso envolve técnicas de vácuo para construir o que é essencialmente uma alimentação elétrica, que é rotativa e traduzível. Certamente, sistemas completos de sonda Langmuir podem ser comprados, mas eles também podem ser construídos pelo usuário com considerável economia de custos e, ao mesmo tempo, ser mais diretamente adaptados ao seu uso em um experimento específico. Descrevemos o uso de sondas de Langmuir e sondas emissivas no mapeamento do potencial eletrostático do plasma do corpo do plasma até a região da bainha de um limite de plasma, que nesses experimentos é criado por um eletrodo com viés negativo imerso no plasma, a fim de comparar as duas técnicas diagnósticas e avaliar suas vantagens e fraquezas relativas. Embora as sondas de Langmuir tenham a vantagem de medir a densidade do plasma e a temperatura eletrônica com mais precisão, as sondas emissivas podem medir potenciais de plasma eletrostático com mais precisão em todo o plasma, até e incluindo a região da bainha.
Introdução
Durante este primeiro século de pesquisa em física de plasmas, datando das descobertas de Langmuir na década de 1920 do comportamento do meio de um novo estado da matéria, o plasma, a sonda de Langmuir provou ter sido o diagnóstico mais importante dos parâmetros do plasma. Isso é verdade em parte, devido à sua extraordinária amplitude de aplicabilidade1. Em plasma encontrado por satélites 2,3,4, em experimentos de processamento de semicondutores,5,6,7,8 nas bordas de plasma confinado em tokamaks9,10,11 e em uma ampla gama de experimentos básicos de fís....
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Protocolo
1. Construção de sondas Langmuir e sondas emissivas para caber em uma câmara de vácuo
- Sonda planar Langmuir (veja a Figura 5 para obter mais detalhes)
- Pegue um tubo de aço inoxidável de 1/4" de diâmetro como eixo da sonda e dobre uma extremidade para o ângulo desejado de 90°.
- Corte o lado não dobrado em um comprimento para que a sonda possa cobrir axialmente mais da metade do comprimento da câmara.
- Encaixe o lado não dobrado do eixo através do tubo de latão por um adaptador SS-4-UT-A-8 em combinação com um encaixe de tubo de união B-810-6.
- Use um tubo de latão de 1/2" que se estende para f....
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Resultados
As sondas de Langmuir, conhecidas por serem sensíveis aos fluxos e à energia cinética das partículas que coletam, têm sido consideradas até agora para produzir medidas válidas do potencial plasmático, exceto em bainhas. Mas comparações diretas dos potenciais plasmáticos medidos por sondas de Langmuir e sondas emissivas demonstraram que, na região de presheath quase neutra do plasma imediatamente em contato com a bainha do lado do plasma, as sondas de Langmuir não fornecem medidas precisas do potencial plasmático
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Discussão
As sondas de Langmuir são usadas para medições de fluxo de partículas em uma faixa extraordinariamente ampla de densidades e temperaturas de plasma, desde plasmas espaciais em que a densidade eletrônica é de apenas algumas partículas 106 m-3 até a região de borda de plasmas de fusão onde a densidade eletrônica é mais parecida com algumas vezes 1020 m-3. Além disso, temperaturas eletrônicas entre 0,1 e algumas centenas de eV's foram diagnosticadas com sondas Langmuir. Sondas de .......
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Divulgações
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecimentos
Este trabalho foi parcialmente financiado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), através de grantDE-SC00114226, e pela National Science Foundation através de subsídios PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 e PHY-1804240
Homenagem a Noah Hershkowitz:
Noah Hershkowitz fez contribuições inovadoras para a física de plasmas, ganhando o respeito e a admiração de seus colegas e alunos, tanto como cientista quanto como ser humano. "A física", ele explicou certa vez, "é como um quebra-cabeça que é realmente antigo. Todas as peças estão desgastadas. Suas bordas estão bagunçadas. Algumas das peças foram montadas de maneira er....
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Fio de tungstênio de 0,001" de espessura | Midwest Tungsten Service | 0,001" | Filamento de sonda emissiva |
| Folha de tântalo de 0,005" de espessura | Midwest Tungsten Service | 0,005" | Filamento de aquecimento para gerar plasma |
| Tubo | |||
| 2" Conjunto de ponteira de latão de 1/4" | Swagelok | B-400-SET | Interface entre o eixo da sonda inoxidável e o tubo swagelok encaixe |
| 1/4" OD 304 ou 315 tubo de aço inoxidável | Swagelok | SS-T4-S-035-20 | Usado para fazer o eixo da sonda, encomenda sem costura, vendido em comprimentos de 20' |
| Tubos de alumina | COORSTEK | 65655, furo único 0,156" OD 0,094 ID | furo único, furo duplo, furo quádruplo, uso para estrutura de suporte para sondas emissivas e Langmuir entre a ponta da sonda e o eixo |
| Manômetro Baratron | MKS | Tipo 127 | Exibe a pressão quando há gás fluindo na câmara |
| Encaixe de tubo de latão Swagelok | Swagelok | B-400-1-OR | Acessórios de tubo usados na sonda |
| Encaixe de tubo de latão Swagelok | Swagelok | B-810-6 | Encaixes de tubo usados na sonda |
| Encaixe de tubo de latão | Swagelok | B-810-1-OR | Encaixes de tubo usados no sonda |
| Líquido cerâmico | Sauereisen | No. 31 Mistura líquida encapsulante cerâmica | com poder de cimento No.31 para fazer a pasta cerâmica |
| Pó cerâmico | Sauereisen | Cement Powder No. 31 Off-White | Existem cimentos Saureisen que curam com água, por exemplo, No.10 Pó |
| Fio de níquel banhado a ouro | SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT | soldado à ponta da sonda para fornecer suportes | |
| Controlador de manômetro de íons | Granville-Phillips | 270 Controlador de manômetro | Aqueça o manômetro de íons e exiba a pressão dentro da câmara |
| Bomba mecânica | Leybold D60 D60AC | D60 D60AC | Reduza a pressão para ~10 mTorr e sirva como bomba de apoio para a válvula de agulha da bomba turbo |
| Whitey | SS-22RS4 | Válvula de Medição Micro-Agulha Micrômetro Tubo de 1/4" Conexões Swagelok | |
| Fonte de alimentação | Kepco | ATE 100-10M | Tensão Alimentação de polarização do filamento de aquecimento |
| Fonte de alimentação | Sorensen | DCR 20-115B | Alimentação de aquecimento da válvula de corte do filamento de aquecimento |
| Kurt J. Lesker | Nupro SS-4BK | Punho de maçaneta, para tubos de 1/4", acessórios swagelok Encaixe | |
| vácuo Ultra-Torr de aço inoxidável | Swagelok | SS-4-UT-A-8 | Acessórios de tubo usados na sonda |
| Fio revestido de Teflon | Geyer Systems | P31546 | Conecte o fio revestido de ouro ao pino BNC |
| Bomba turbo | PFEIFFER | TPH 240 C | Reduza a pressão para 1E-6 Torr |
| Graxa a vácuo | APIEZON | L Graxa de grau Ultra Alto Vácuo | Graxa a vácuo usada para lubrificar o oring |
| Viton Orings | Grainger | #031 | Round #031 Medium Hard Viton O-Ring, 1.739" I.D., 1.879" O.D |
| Viton Orings | Grainger | #010 | Redondo #010 Médio Duro Viton O-Ring, 0.239" I.D., 0.379"O.D |
Referências
- Godyak, V. A., Alexandrovich, B. M. Comparative analyses of plasma probe diagnostics techniques. Journal of Applied Physics. 118, 233302(2015).
- Gurnett, D. A., et al. The Cassini Radio and Plasma wave investigation. Space Science Reviews. 114, 395-4....
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Reimpressões e permissões
