这项工作的主要目标是使不熟悉Langmuir探针和发射探针的研究小组更容易将它们用作等离子体诊断,特别是在等离子体边界附近。为此,我们演示了如何利用现成的材料和耗材制造探头。
自 1920 年代初由 Langmuir 发明以来,Langmuir 探针长期以来一直用于实验等离子体物理研究,作为粒子通量(即电子和离子通量)及其局部空间浓度、电子温度和静电等离子体电位测量的主要诊断。发射探头用于测量等离子体电位。这项工作中展示的协议用于演示如何构建这些探针以用于真空室,其中等离子体放电可以被限制和维持。这涉及真空技术,用于构建本质上是电气馈通件,一种可旋转和可转换的电气馈通件。当然,可以购买完整的朗缪尔探针系统,但它们也可以由用户以节省大量成本建造,同时更直接地适应它们在特定实验中的使用。我们描述了使用Langmuir探针和发射探针将静电等离子体电位从等离子体映射到等离子体边界的鞘区,在这些实验中,静电等离子体电位是由浸入等离子体中的负偏置电极产生的,以便比较两种诊断技术并评估它们的相对优势和劣势。尽管朗缪尔探针具有最准确地测量等离子体密度和电子温度的优点,但发射探针可以更准确地测量整个等离子体中的静电等离子体电位,直至并包括鞘区。
在等离子体物理学研究的第一个世纪中,从朗缪尔在 1920 年代发现一种新物质状态等离子体的介质行为开始,朗缪尔探测器已被证明是等离子体参数最重要的诊断。这在一定程度上是正确的,因为它具有非凡的适用范围1.在卫星2,3,4遇到的等离子体中,在半导体加工实验中,5,6,7,8在托卡马克中限制的等离子体边缘,9,10,11以及广泛的基本等离子体物理实验中,Langmuir探针已被用于测量跨越108≤n e范围的等离子体密度和温度分别为 ≤10 19 m-3 和 10-3≤Te≤102eV 。同时在 1920 年代,他发明了现在以他的名字命名的探测器和发射探测器 12。发射探针现在主要用作等离子体电位的诊断。虽然它不能像Langmuir探头那样测量等离子体参数的广度,但在测量等离子体电位或有时称为静电空间电位时,它也是一种具有广泛实用性的诊断。例如,即使在真空中,发射探头也可以精确测量空间电位,而朗缪尔探头无法测量任何东西。
Langmuir探头的基本设置包括将电极放入等离子体中并测量收集的电流。由此产生的电流-电压 (I-V) 特性可用于解释等离子体参数,例如电子温度 Te、电子密度 n e 和等离子体电位 φ13。对于麦克斯韦等离子体,收集的电子电流 Ie (认为为正)与探针偏置 VB 之间的关系可以表示为14:
其中 Ie0 是电子饱和电流,
其中S是探针的收集面积, 是体积电子密度,e是电子电荷,Te 是电子温度,me 是电子质量。 图1A 和 图1B以两种方式说明了电子电流的I-V特性的理论关系。注意,方程(1a,b)仅适用于体电子。然而,朗缪尔探针电流可以检测带电粒子的流动,并且必须在存在初级电子、电子束或离子束等的情况下进行调整。有关详细信息,请参见 Hershkowitz14 。
本文采用麦克斯韦电子能量分布函数(EEDF)的理想情况。当然,在许多情况下会出现非理想,但这些不是这项工作的主题。例如,在材料加工蚀刻和沉积等离子体系统中,通常是射频生成和维持的,存在在等离子体中产生挥发性化学自由基的分子气体原料,以及包括带负电荷的离子在内的多种离子种类。等离子体变成电负性,即在准中性等离子体中以负离子的形式具有很大一部分负电荷。在具有分子中性和离子的等离子体中,电子和分子种类之间的非弹性碰撞可以在电流-电压特性中产生下降15 ,并且相对于电子而言冷的负离子的存在可以在等离子体电位附近产生显着的扭曲16 ,当然所有这些都是非麦克斯韦特征。我们在本文讨论的工作中,在单一离子种类惰性气体(氩气)直流放电等离子体中进行了实验,没有这些非麦克斯韦效应。然而,在这些放电中通常发现双麦克斯韦EEDF,这是由腔室壁的二次电子发射17 的存在引起的。较热电子的这种成分通常是冷电子温度的几倍,密度小于1%,通常很容易与体电子密度和温度区分开来。
当 VB 变得比 φ 更负时,电子被探针表面的负电位部分排斥,并且 ln(Ie) 与 VB 的斜率为 e/Te,即。1/TeV ,其中TeV 是以eV为单位的电子温度,如 图1B所示。确定 TeV 后,等离子体密度可以推导出为:
离子电流的衍生方式与电子电流不同。离子被认为是“冷的”,因为它们的质量相对较大,与电子的质量相比,Mi >> me,因此,在弱电离等离子体中,离子与处于壁温的中性气体原子处于相当好的热平衡。如果 VB φ,离子会被探针护套排斥≥ 如果 VB <φ则被收集。对于负偏置探针,收集的离子电流近似恒定,而对于比等离子体电位更负的探针偏置电压,探针的电子通量会减小。由于电子饱和电流远大于离子饱和电流,因此探针收集的总电流减小。随着探头偏置变得越来越负,收集的电流下降或大或小,如上文式(1a)所述。该近似值中的离子电流方程为:
哪里
和
我们注意到,由于沿探针前鞘的加速度,探针收集的恒定离子通量超过了随机热离子通量,因此离子以玻姆速度18 uB 而不是离子热速度19 到达探针的鞘缘。离子的密度等于电子,因为前鞘是准中性的。比较方程 5 和方程 2 中的离子和电子饱和电流,我们观察到离子对探针电流的贡献比电子 的贡献小 。在氩等离子体的情况下,该系数约为 108。
有一个急剧的过渡点,电子电流从指数变为常数,称为“拐点”。拐点处的探头偏置可以近似为等离子体电位。在实际实验中,这个膝盖从来都不是锋利的,而是圆形的,这是由于探针的空间电荷效应,即探针周围护套的膨胀,以及探针污染和等离子体噪声13。
朗缪尔探针技术基于收集电流,而发射探针技术基于电流发射。发射探头既不测量温度也不测量密度。相反,它们提供精确的等离子体电位测量,并且由于它们对等离子体流不敏感,因此可以在各种情况下运行。Sheehan 和Hershkowitz 20 的专题评论以及其中的参考文献充分讨论了发射探针的理论和用法。
对于等离子体密度 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3,建议采用零发射极限中的拐点技术,即取一系列 I-V 迹线,每个迹线具有不同的灯丝加热电流,找到每个 I-V 迹线的拐点偏置电压,并将拐点外推到零发射极限,得到等离子体电位, 如 图 2 所示。
一个普遍的假设是,朗缪尔和发射探针技术在准中性等离子体中是一致的,但在鞘中是鞘中不一致的,鞘是等离子体与空间电荷出现的边界接触的区域。该研究的重点是在低温、低压等离子体中等离子体边界附近的等离子体电位,以测试这一共同假设。为了比较朗缪尔探针和发射探头的电位测量结果,还通过对朗缪尔探针I-V应用拐点技术来确定等离子体电位,如 图3所示。一般接受1 ,等离子体电位是通过找到探头偏置电压来求得的,在该电压下,收集的电流的二阶导数相对于偏置电压( 即 dI/dV 曲线的峰值)相对于探头偏置电压进行区分。 图3 显示了如何找到以 dI/dV为单位的最大值,即电流-电压特性的拐点。
Langmuir探头(收集式)和发射式探头(发射式)具有不同的I-V特性,这也取决于探头尖端的几何形状,如 图4所示。在制造探针之前,必须考虑探针的空间电荷效应。在实验中,对于平面朗缪尔探针,我们使用了1/4英寸的平面钽盘。我们可以收集更多的电流,用更大的圆盘获得更大的信号。然而,为了应用上述分析,探针 的面积 Ap 必须保持小于腔室的电子损耗面积 Aw,满足21 的不等 式。对于圆柱形朗缪尔探头,我们使用0.025毫米厚,1厘米长的钨丝作为圆柱形朗缪尔探头,使用相同厚度的钨丝作为发射探头。需要注意的是,对于圆柱形朗缪尔探针,对于这些实验的等离子体参数,探针尖端的半径 rp 远小于其长度 Lp,小于 Debye 长度 λD;即
、 和
。在这个参数范围内,应用轨道运动极限理论和Laframboise对热电子和离子的发展22 ,我们发现对于等于或大于等离子体电位的探针偏置电压,收集的电子电流可以通过以下形式的
函数进行参数化,其中指数
.这里重要的一点是,对于该指数小于单位的值,如上一段所述,用于确定等离子体电位的拐点方法也适用于圆柱形朗缪尔探针。
Langmuir探针用于等离子体密度和温度范围内的粒子通量测量,从电子密度仅为10 6 m-3的几个粒子的空间等离子体到电子密度更像是1020 m-3的几倍的聚变等离子体边缘区域。此外,朗缪尔探针已经诊断出0.1到几百eV之间的电子温度。Langmuir探头通常用于测量等离子体密度和温度。找到静电等离子体电位与获得这两个测量值密切相关。另一方面,发射探头通常仅用于测量?…
The authors have nothing to disclose.
这项工作由美国能源部(DOE)通过赠款DE-SC00114226和美国国家科学基金会通过赠款PHY-1464741,PHY-1464838,PHY-1804654和PHY-1804240提供部分资金
向诺亚·赫什科维茨致敬:
诺亚·赫什科维茨(Noah Hershkowitz)为等离子体物理学做出了开创性的贡献,同时赢得了同事和学生的尊重和钦佩,无论是作为科学家还是人类。 “物理学,”他曾经解释说,“就像一个非常古老的拼图游戏。所有的碎片都磨损了。他们的边缘被搞砸了。有些部分以错误的方式组合在一起。它们有点合适,但实际上并不在正确的地方。游戏是以正确的方式将它们组合在一起,以找出世界是如何运作的。 他于2020年11月13日去世,享年79岁。
0.001" thick tungsten wire | Midwest Tungsten Service | 0.001" | Emissive probe filament |
0.005" thick tantalum sheet | Midwest Tungsten Service | 0.005" | Heating filament to generate plasma |
1/2" Brass supprting tube | |||
1/4" Brass Ferrule Set | Swagelok | B-400-SET | Interface between stainless probe shaft and swagelok tube fitting |
1/4" OD 304 or 315 stainless steel tube | Swagelok | SS-T4-S-035-20 | Used to make the probe shaft, order seamless, sold in 20' lengths |
Alumina tubes | COORSTEK | 65655, single bore 0.156" OD 0.094 ID | single bore, double bore, quadruple bore, use for support structure for both emissive and Langmuir probes between the probe tip and shaft |
Baratron gauge | MKS | Type 127 | Display the pressure when there's gas flowing in the chamber |
Brass Swagelok Tube Fitting | Swagelok | B-400-1-OR | Tube fittings used on the probe |
Brass Swagelok Tube Fitting | Swagelok | B-810-6 | Tube fittings used on the probe |
Brass Swagelok Tube Fitting | Swagelok | B-810-1-OR | Tube fittings used on the probe |
Ceramic liquid | Sauereisen | No. 31 Ceramic Encapsulant Liquid | Mix with No.31 cement power to make the ceramic paste |
Ceramic powder | Sauereisen | Cement Powder No. 31 Off-White | There are Saureisen cements that cure with water, e.g. No.10 Powder |
Gold plated nickel wire | SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT | spod-welded to the probe tip to provide supports | |
Ion gauge controller | Granville-Phillips | 270 Gauge controller | Heat up the ion gauge and display pressure inside the chamber |
Mechanical pump | Leybold D60 D60AC | D60 D60AC | Bring the pressure down to ~10 mTorr then serve as the backing pump for the turbo pump |
needle valve | Whitey | SS-22RS4 | Metering Micro-Needle Micrometer Valve 1/4" Tube Swagelok fittings |
Power supply | Kepco | ATE 100-10M | Voltage Bias supply of heating filament |
Power supply | Sorensen | DCR 20-115B | Heating supply of heating filament |
shutoff valve | Kurt J. Lesker | Nupro SS-4BK | Knob handle, for 1/4" tubing, swagelok fittings |
Stainless Steel Ultra-Torr Vacuum Fitting | Swagelok | SS-4-UT-A-8 | Tube fittings used on the probe |
Teflon coated wire | Geyer Systems | P31546 | Connect the gold-coated wire to BNC pin |
Turbo pump | PFEIFFER | TPH 240 C | Bring the pressure down to 1E-6 Torr |
Vacuum grease | APIEZON | L Ultra High Vacuum Grade Grease | Vacuum grease used to lubricate the oring |
Viton Orings | Grainger | #031 | Round #031 Medium Hard Viton O-Ring, 1.739" I.D., 1.879" O.D |
Viton Orings | Grainger | #010 | Round #010 Medium Hard Viton O-Ring, 0.239" I.D., 0.379"O.D |