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Costruzione di sonde Langmuir e sonde emissive per la misura del potenziale di plasma in plasmi a bassa pressione e bassa temperatura

Published: May 25, 2021 doi: 10.3791/61804
Automatic Translation
*1, *1, *2
1Department of Engineering Physics, University of Wisconsin, 2Department of Physics & Biophysics, University of San Diego
* These authors contributed equally

Summary

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di rendere più facile per i gruppi di ricerca che non hanno familiarità con le sonde di Langmuir e le sonde emissive utilizzarle come diagnostica del plasma, specialmente vicino ai confini del plasma. Lo facciamo dimostrando come costruire le sonde a partire da materiali e materiali prontamente disponibili.

Abstract

Le sonde di Langmuir sono state a lungo utilizzate nella ricerca sperimentale sulla fisica del plasma come diagnostica primaria per i flussi di particelle (cioè i flussi di elettroni e ioni) e le loro concentrazioni spaziali locali, per le temperature degli elettroni e per le misure elettrostatiche del potenziale del plasma, sin dalla sua invenzione da parte di Langmuir nei primi anni '20. Le sonde emissive sono utilizzate per misurare i potenziali di plasma. I protocolli esposti in questo lavoro servono a dimostrare come queste sonde possono essere costruite per l'uso in una camera a vuoto in cui una scarica di plasma può essere confinata e sostenuta. Si tratta di tecniche di vuoto per la costruzione di quello che è essenzialmente un passante elettrico, che è ruotabile e traducibile. Certo, si possono acquistare sistemi completi di sonde Langmuir, ma possono anche essere costruiti dall'utente con un notevole risparmio sui costi, e allo stesso tempo essere più direttamente adattati al loro utilizzo in un particolare esperimento. Descriviamo l'uso delle sonde di Langmuir e delle sonde emissive nella mappatura del potenziale elettrostatico del plasma dal corpo del plasma fino alla regione della guaina di un confine plasmatico, che in questi esperimenti è creato da un elettrodo a polarizzazione negativa immerso nel plasma, al fine di confrontare le due tecniche diagnostiche e valutarne i relativi vantaggi e debolezze. Sebbene le sonde di Langmuir abbiano il vantaggio di misurare la densità del plasma e la temperatura degli elettroni in modo più accurato, le sonde emissive possono misurare i potenziali elettrostatici del plasma in modo più accurato in tutto il plasma, fino alla regione della guaina inclusa.

Introduction

Durante questo primo secolo di ricerca sulla fisica del plasma, risalente alle scoperte di Langmuir nel 1920 del comportamento simile al mezzo di un nuovo stato della materia, il plasma, la sonda di Langmuir ha dimostrato di essere stata la più importante diagnostica dei parametri del plasma. Ciò è vero in parte, a causa del suo straordinario campo di applicabilità1. Nel plasma incontrato dai satelliti 2,3,4, negli esperimenti di lavorazione dei semiconduttori,5,6,7,8 ai bordi del plasma confinato nei tokamak,9,10,11 e in un'ampia gamma di esperimenti di fisica del plasma di base, le sonde di Langmuir sono state utilizzate per misurare densità e temperature di plasma che coprono gli intervalli 108≤ne≤1019 m-3 e 10-3≤Te≤102eV , rispettivamente. Contemporaneamente, negli anni '20, inventò la sonda che ora porta il suo nome e la sonda emissiva12. La sonda emissiva viene ora utilizzata principalmente come diagnostica del potenziale plasmatico. Sebbene non sia in grado di misurare l'ampiezza dei parametri del plasma che può fare la sonda di Langmuir, anch'essa è una diagnostica di ampia utilità quando si tratta di misurare il potenziale del plasma, o, come a volte viene chiamato, il potenziale spaziale elettrostatico. Ad esempio, la sonda emissiva può misurare con precisione i potenziali spaziali anche nel vuoto, dove le sonde di Langmuir non sono in grado di misurare nulla.

La configurazione di base della sonda Langmuir consiste nell'inserire un elettrodo nel plasma e misurare la corrente raccolta. Le caratteristiche di corrente-tensione (I-V) risultanti possono essere utilizzate per interpretare i parametri del plasma come la temperatura dell'elettrone Te, la densità elettronica ne il potenziale del plasma φ13. Per un plasma maxwelliano, la relazione tra la corrente di elettroni raccolti Ie (considerata positiva) e la polarizzazione della sonda VB può essere espressa come14:

Equation 1

dove Ie0 è la corrente di saturazione dell'elettrone,

Equation 2

e dove S è l'area di raccolta della sonda, Equation 9 è la densità di elettroni di massa, e è la carica dell'elettrone, Te è la temperatura dell'elettrone, me è la massa dell'elettrone. La relazione teorica delle caratteristiche I-V per la corrente elettronica è illustrata in due modi nella Figura 1A e nella Figura 1B. Nota, l'Eq. (1a,b) si applica solo agli elettroni di massa. Tuttavia, le correnti della sonda di Langmuir possono rilevare flussi di particelle cariche e le regolazioni devono essere effettuate in presenza di elettroni primari, fasci di elettroni o fasci di ioni, ecc. Vedi Hershkowitz14 per maggiori dettagli.

La discussione qui riprende il caso ideale delle funzioni di distribuzione dell'energia elettronica maxwelliana (EEDF). Naturalmente, ci sono molte circostanze in cui sorgono le non-idealità, ma queste non sono l'argomento di questo lavoro. Ad esempio, nei sistemi al plasma di incisione e deposizione dei materiali, tipicamente generati e sostenuti da RF, ci sono materie prime di gas molecolari che producono radicali chimici volatili nel plasma e più specie ioniche, inclusi ioni caricati negativamente. Il plasma diventa elettronegativo, cioè ha una frazione significativa della carica negativa nel plasma quasineutro sotto forma di ioni negativi. Nel plasma con neutri molecolari e ioni, le collisioni anelastiche tra gli elettroni e le specie molecolari possono produrre cali15 nelle caratteristiche corrente-tensione, e la presenza di ioni negativi freddi, freddi rispetto agli elettroni, può produrre distorsioni significative16 in prossimità del potenziale plasmatico, che ovviamente sono tutte caratteristiche non maxwelliane. Abbiamo proseguito gli esperimenti nel lavoro discusso in questo articolo in una singola specie ionica gas nobile (argon) plasma a scarica DC, privo di questo tipo di effetti non-maxwelliani. Tuttavia, in queste scariche si trova tipicamente un EEDF bi-maxwelliano, causato dalla presenza di emissione secondaria di elettroni17 dalle pareti della camera. Questa componente degli elettroni più caldi è in genere un paio di multipli della temperatura dell'elettrone freddo e meno dell'1% della densità, in genere facilmente distinguibile dalla densità e dalla temperatura dell'elettrone di massa.

Quando VB diventa più negativo di φ, gli elettroni vengono parzialmente respinti dal potenziale negativo della superficie della sonda e la pendenza di ln(Ie) rispetto a VB è e/Te, cioè. 1/TeV dove TeV è la temperatura dell'elettrone in eV, come mostrato nella Figura 1B. Dopo aver determinato il TeV , la densità plasmatica può essere derivata come:

Equation 3

La corrente ionica è derivata in modo diverso rispetto alla corrente elettronica. Si presume che gli ioni siano "freddi" a causa della loro massa relativamente grande, Mi >> me, rispetto a quella dell'elettrone, quindi, in un plasma debolmente ionizzato, gli ioni sono in equilibrio termico abbastanza buono con gli atomi di gas neutro, che si trovano alla temperatura di parete. Gli ioni vengono respinti dalla guaina della sonda se VB ≥ φ e raccolti se VB < φ. La corrente ionica raccolta è approssimativamente costante per le sonde a polarizzazione negativa, mentre il flusso di elettroni alla sonda diminuisce per tensioni di polarizzazione della sonda più negative del potenziale di plasma. Poiché la corrente di saturazione degli elettroni è molto più grande della corrente di saturazione degli ioni, la corrente totale raccolta dalla sonda diminuisce. Man mano che la polarizzazione della sonda diventa sempre più negativa, la caduta di corrente raccolta è grande o piccola a seconda che la temperatura dell'elettrone sia fredda o calda, come descritto sopra nell'Eq. (1a). L'equazione per la corrente ionica in questa approssimazione è:

Equation 4

dove

Equation 5

e

Equation 6

Notiamo che il flusso ionico costante raccolto dalla sonda supera il flusso ionico termico casuale a causa dell'accelerazione lungo la guaina della sonda e quindi gli ioni raggiungono il bordo della guaina della sonda alla velocità di Bohm18, uB, piuttosto che alla velocità termica dello ione19. E gli ioni hanno una densità uguale agli elettroni poiché la preguaina è quasi neutra. Confrontando la corrente di saturazione di ioni ed elettroni in Eqn.5 e 2, osserviamo che il contributo degli ioni alla corrente della sonda è inferiore a quello degli elettroni di un fattore di Equation 10. Questo fattore è di circa 108 nel caso del plasma di argon.

C'è un punto di transizione acuto in cui la corrente di elettroni passa da esponenziale a costante, noto come "ginocchio". La polarizzazione della sonda al ginocchio può essere approssimata come potenziale plasmatico. Nell'esperimento reale, questo ginocchio non è mai affilato, ma arrotondato a causa dell'effetto di carica spaziale della sonda, cioè l'espansione della guaina che circonda la sonda, e anche per la contaminazione della sonda e il rumore del plasma13.

La tecnica della sonda di Langmuir si basa sulla corrente di raccolta, mentre la tecnica della sonda emissiva si basa sull'emissione di corrente. Le sonde emissive non misurano né la temperatura né la densità. Al contrario, forniscono misurazioni precise del potenziale del plasma e possono funzionare in una varietà di situazioni grazie al fatto che sono insensibili ai flussi di plasma. Le teorie e l'uso delle sonde emissive sono ampiamente discusse nella revisione tematica di Sheehan e Hershkowitz20, e nei riferimenti in essa contenuti.

Per la densità del plasma 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3, si raccomanda la tecnica del punto di flesso nel limite di emissione zero, il che significa prendere una serie di tracce I-V, ciascuna con diverse correnti di riscaldamento del filamento, trovando la tensione di polarizzazione del punto di flesso per ogni traccia I-V ed estrapolare i punti di flesso al limite di emissione zero per ottenere il potenziale del plasma, come mostrato nella Figura 2.

E' un'ipotesi comune che le tecniche di Langmuir e delle sonde emissive concordino nel plasma quasineutro, ma non siano d'accordo nella guaina, la regione del plasma in contatto con il confine in cui appare la carica spaziale. Lo studio si concentra sul potenziale del plasma vicino ai confini del plasma, nel plasma a bassa temperatura e bassa pressione, nel tentativo di testare questa ipotesi comune. Per confrontare le misure di potenziale sia con la sonda di Langmuir che con la sonda emissiva, il potenziale del plasma viene determinato anche applicando la tecnica del punto di flesso alla sonda di Langmuir I-V, come mostrato nella Figura 3. È generalmente accettato1 che il potenziale del plasma si trova trovando la tensione di polarizzazione della sonda alla quale la derivata seconda della corrente raccolta si differenzia rispetto alla tensione di polarizzazione, Equation 11cioè il picco della curva dI/dV , rispetto alla tensione di polarizzazione della sonda. La Figura 3 mostra come si trova questo massimo in dI/dV, il punto di flesso della caratteristica corrente-tensione.

Le sonde Langmuir (raccoglitrici) e le sonde emissive (emittenti) hanno caratteristiche I-V diverse, che dipendono anche dalla geometria della punta della sonda, come mostrato nella Figura 4. L'effetto di carica spaziale della sonda deve essere considerato prima della fabbricazione della sonda. Negli esperimenti, per le sonde planari di Langmuir, abbiamo usato un disco planare di tantalio da 1/4". Potremmo raccogliere più corrente e ottenere segnali più grandi con un disco più grande. Tuttavia, affinché le analisi di cui sopra si applichino, l'area della sonda, Ap deve essere mantenuta più piccola dell'area di perdita di elettroni della camera, Aw, soddisfacendo21 la disuguaglianza Equation 12. Per la sonda cilindrica di Langmuir, abbiamo utilizzato un filo di tungsteno di 0,025 mm di spessore e 1 cm di lunghezza per la sonda cilindrica di Langmuir e dello stesso spessore per il filo di tungsteno per la sonda emissiva. È importante notare che per le sonde cilindriche di Langmuir, per i parametri plasmatici di questi esperimenti, il raggio della punta della sonda, rp, è molto più piccolo della sua lunghezza, Lp, e più piccolo della lunghezza di Debye, λD; ovvero, Equation 13, e Equation 14. In questo intervallo di parametri, applicando la teoria del Moto Orbitale Limitato e lo sviluppo di Lacrambonise22 per il caso di elettroni e ioni termici, troviamo che per tensioni di polarizzazione della sonda uguali o superiori al potenziale di plasma, la corrente di elettroni raccolti può essere parametrizzata da una funzione della forma Equation 15, dove l'esponente Equation 16. Il punto importante qui è che per valori di questo esponente inferiori all'unità, il metodo del punto di flesso per determinare il potenziale plasmatico, come descritto nel paragrafo precedente, si applica anche alle sonde cilindriche di Langmuir.

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Protocol

1. Costruzione di sonde Langmuir e sonde emissive da inserire in una camera a vuoto

  1. Sonda di Langmuir planare (vedere la Figura 5 per maggiori dettagli)
    1. Prendi un tubo in acciaio inossidabile da 1/4" di diametro come albero della sonda e piega un'estremità all'angolo di 90° desiderato.
    2. Tagliare il lato non piegato a una lunghezza tale che la sonda possa coprire assialmente più della metà della lunghezza della camera.
    3. Inserire il lato non piegato dell'albero attraverso il tubo di ottone tramite un adattatore SS-4-UT-A-8 in combinazione con un raccordo per tubo di raccordo B-810-6.
    4. Utilizzare un tubo di ottone da 1/2" che si estende dalle flange personalizzate attraverso un'interfaccia swagelok B-810-1-OR per fornire supporto assiale all'albero della sonda.
    5. Collegare l'estremità non piegata dell'albero della sonda all'alloggiamento BNC tramite un raccordo swagelok B-400-1-OR, come mostrato nella Figura 6.
    6. Inserire il filo di nichel rivestito in oro attraverso due tubi di allumina a foro singolo (1/8" e 3/16" di diametro) con quello più spesso che si inserisce all'interno dell'albero della sonda, come mostrato nella Figura 7.
    7. Saldare a punti un'estremità del filo di nichel rivestito d'oro su un pezzo di filo spellato, che viene saldato sul perno del passante BNC all'estremità dell'albero della sonda.
    8. Tagliare il filo rivestito d'oro a misura in modo che il giunto con il filo spellato si inserisca all'interno del tubo di allumina per evitare cortocircuiti con l'albero della sonda.
    9. Perforare un foglio di tantalio per creare una punta della sonda Langmuir planare (1/4" di diametro)
    10. Saldare a punti l'altra estremità del filo di nichel rivestito d'oro sul bordo della punta della sonda e impostare la punta della sonda in modo che sia normale all'asse della piastra di delimitazione.
    11. Posizionare la punta della sonda un po' in avanti in modo che il corpo della sonda non tocchi la piastra di delimitazione durante le misurazioni all'interno della guaina.
    12. Sigillare tutti i giunti con pasta ceramica (ad es. cemento Sauereisen n. 31) per isolare i componenti del circuito della sonda dal plasma. Usa una pistola termica per cuocere le fughe in ceramica per 5-10 minuti.
    13. Utilizzare un multimetro per misurare la resistenza tra la punta della sonda e il connettore BNC. Se viene dimostrata la continuità, la sonda è pronta per essere inserita nella camera a vuoto.
  2. Costruzione di una sonda emissiva cilindrica (vedere la Figura 8 per maggiori dettagli)
    1. Seguire i passaggi 1.1.1-1.1.4 e ripetere i passaggi 1.1.5-1.1.7 sullo stesso albero della sonda due volte, ad eccezione dell'utilizzo di un tubo in allumina a due fori da 1/8", invece di uno a foro singolo.
    2. Tagliare il filo di tungsteno di 0,025 mm di diametro a circa 1 cm.
    3. Saldare a punti il filamento di tungsteno su fili rivestiti d'oro.
    4. Sigillare tutte le fughe con pasta ceramica e assicurarsi che la pasta ceramica non penetri nel filamento di tungsteno.
    5. Controllare la continuità tra due estremità BNC.

2. Generare plasma

  1. Accendere il manometro ionico per controllare la pressione di base prima di immettere il gas nella camera. Procedere con l'azzeramento del manometro baratron se la pressione è compresa tra 10 e 6 Torr. In caso contrario, controllare la perdita nel sistema. Le posizioni della valvola a spillo e il valore di chiusura sono rispettivamente aperto e chiuso.
  2. Utilizzare un cacciavite di plastica per calibrare il display baratron fino a quando il numero non oscilla tra ±0,01 mTorr.
  3. Chiudere la valvola a spillo in modo che sia delicatamente posizionata in posizione chiusa.
  4. Aprire la valvola di intercettazione. Verificare che non vi siano variazioni di pressione sulla lettura del baratron.
  5. Ruotare lentamente la manopola della valvola a spillo per rilasciare il gas nella camera fino a quando la pressione non raggiunge il requisito per l'esperimento. La pressione di esercizio tipica deriva da 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr. I gas di lavoro hanno incluso argon, xeno, kripton, ossigeno ecc.
  6. Accendere l'alimentatore KEPCO e impostare la tensione a -60 Volt per fornire energia elettronica sufficiente per la massima sezione d'urto di ionizzazione dell'argon. Accendere l'alimentazione di riscaldamento per i filamenti e regolare lentamente il livello fino a quando la corrente di scarica non legge il valore richiesto. La corrente di scarica tende a diminuire rapidamente nei primi minuti. Continuare a regolare il livello di corrente per circa 30 minuti fino a quando la scarica non si stabilizza
  7. Collegare l'alimentazione di tensione alla piastra perimetrale e regolare la polarizzazione al livello desiderato.

3. Prendi le misure

NOTA: Le tracce I-V per le sonde Langmuir e le sonde emissive vengono acquisite da una scheda DAQ a 16 bit controllata da un programma Labview. I dettagli non sono presentati qui poiché utenti diversi hanno preferenze diverse per l'acquisizione dei dati. Tuttavia, esiste un protocollo per l'utilizzo delle sonde.

  1. Prendi la linea di carico: ottieni una traccia I-V senza alcuna scarica di plasma nella camera con tutti i collegamenti effettuati tra la sonda e il suo circuito di misura (vedi Figura 9, Figura 10 e Figura 11 per la configurazione UW-Madison e USD).
  2. Sonde Langmuir
    1. Pulire la punta della sonda (questo passaggio è fondamentale, poiché una sonda pulita mostra un "ginocchio" più affilato di una sonda sporca) polarizzando positivamente la sonda per raccogliere una grande corrente di elettroni.
      1. Prelevare una corrente attraverso la sonda con alimentazione variabile e 50 Ohm alla macchina macinata per riscaldare la punta in modo da far evaporare lo strato di impurità che si attacca immediatamente alla superficie della sonda nel plasma e aumentare la resistività superficiale della sonda.
      2. Aumentare lentamente la polarizzazione in modo positivo per superare il potenziale del plasma, consentendo alla sonda di iniziare ad assorbire la corrente di saturazione degli elettroni.
      3. Continuare ad aumentare il potenziale; Una volta che si vede la punta della sonda illuminarsi di rosso ciliegia, la sonda è pulita. È necessario avere una visione della punta della sonda nel plasma attraverso una finestra a vuoto.
      4. Prestare attenzione e vigilanza mentre si varia la polarizzazione della sonda. Se si lascia che la sonda si surriscaldi, la punta della sonda stessa potrebbe deformarsi e possono accadere cose peggiori, come la punta che potrebbe avere dei buchi, potrebbe evaporare, potrebbe cadere; I fili potrebbero sciogliersi e perdere il loro isolamento, e così via.
      5. Collegare la sonda al circuito di acquisizione e controllo dei dati (questa è la parte che varierà da laboratorio a laboratorio) e procedere allo sweep della tensione applicata alla sonda misurando contemporaneamente la corrente assorbita dalla sonda. Salvare la traccia I-V.
    2. Collegare la sonda al circuito di acquisizione e controllo dei dati (questa è la parte che varierà da laboratorio a laboratorio) e procedere allo sweep della tensione applicata alla sonda misurando contemporaneamente la corrente assorbita dalla sonda. Salvare la traccia I-V.
  3. Sonde emissive
    1. Ripetere il passaggio 3.2.2 con il circuito di acquisizione dati e controllo della sonda emissiva.

4. Analisi dei dati

  1. Sonde Langmuir (vedere la Figura 12, la Figura 13 per maggiori dettagli).
    1. Sottrarre la linea di carico dalla caratteristica I-V totale.
    2. Adattare la corrente di saturazione ionica e sottrarre le restanti caratteristiche I-V.
    3. Prendi il log naturale della corrente e traccialo rispetto alla tensione della sonda.
    4. Prendere separatamente gli adattamenti lineari della regione di transizione e della corrente di saturazione.
    5. Prendiamo l'inverso della pendenza della regione di transizione e otteniamo il valore della temperatura dell'elettrone.
    6. Ottenere la densità del plasma inserendo la corrente all'incrocio in cui le due linee adattate si incrociano in Eq.3.
    7. Applicare la tecnica del punto di flesso alla traccia della sonda di Langmuir e determinare il potenziale plasmatico.
  2. Sonda emissiva (fare riferimento alla Figura 2).
    1. Ripetere i passaggi 4.1.1-4.1.2 per le singole caratteristiche I-V, quindi smussare ogni traccia.
    2. Differenziare ogni traccia I-V e applicare la levigatura appropriata.
    3. Individua il picco di ciascun dI/dV (punto di flesso) smussato.
    4. Applicare un adattamento lineare ai punti di flesso.
    5. Ottenere il potenziale di plasma individuando il passaggio per lo zero della linea adattata.

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Representative Results

Le sonde di Langmuir, note per essere sensibili ai flussi e all'energia cinetica delle particelle che raccolgono, sono state finora considerate in grado di fornire una valida misura del potenziale plasmatico, tranne che nelle guaine. Ma confronti diretti dei potenziali plasmatici misurati dalle sonde di Langmuir e dalle sonde emissive hanno dimostrato che nella regione della preguaina quasi neutra del plasma immediatamente a contatto con la guaina sul lato del plasma, le sonde di Langmuir non forniscono misurazioni accurate del potenziale plasmatico23. I potenziali di plasma dalla massa di plasma nella guaina misurati da quattro diversi tipi di sonde di Langmuir sono stati confrontati con quelli misurati da una sonda emissiva per quattro diverse pressioni neutre. Le sonde di Langmuir sono state costruite in quattro diverse configurazioni (vedi Figura 14) e sono state etichettate come LPj dove j è un numero intero compreso tra 1 e 4. La sonda di Langmuir cilindrica è LP1, LP2 , la sonda di Langmuir a doppia faccia, LP3, la sonda di Langmuir planare con il lato rivolto verso la piastra di confine sigillata da pasta ceramica e LP4 sta per la sonda di Langmuir planare con il lato rivolto lontano dalla piastra di confine coperta da piastra di ceramica. Il confronto tra le sonde di Langmuir e le misure del potenziale di sonda emissiva è mostrato nella Figura 15.

È ben noto che nella preguaina, gli ioni fluiscono verso il contorno per impostare la struttura della guaina, e che la velocità del flusso ionico varia da zero alla velocità di Bohm 18,20,21. Abbiamo cercato di scoprire sperimentalmente (vedi Figura 16C per la configurazione sperimentale) se le sonde di Langmuir utilizzate per misurare i potenziali plasmatici danno risultati accurati nella preguaina. I parametri del plasma come la temperatura, la densità, le lunghezze di Debye e le lunghezze della guaina di Child-Langmuir, calcolati dalle misurazioni di LP2 nella maggior parte del plasma, sono mostrati nella Tabella 1. Come accennato in precedenza, abbiamo provato diversi tipi di sonde Langmuir, sia che isolassero da un lato o dall'altro, sia che conducessero su entrambe le facce del disco. Abbiamo confrontato tutte le misure della sonda di Langmuir con le misure della sonda emissiva del potenziale plasmatico. Abbiamo scoperto che tutte le sonde di Langmuir misuravano potenziali di plasma che si discostavano da quelli misurati dalle sonde emissive nella guaina, con una differenza che è positiva rispetto al potenziale di plasma misurato dalle sonde emissive. La differenza si allarga con la vicinanza al bordo della guaina, crescendo fino a un valore di molte temperature dell'elettrone. La differenza diventa evidente a una distanza di tre o quattro spessori della guaina dal confine. I risultati rappresentativi sono mostrati nella Figura 15A-C. Questa differenza è un risultato importante. Ciò dimostra che l'ipotesi comunemente accettata non è generalmente il caso.

Figure 1
Figura 1: Corrente di elettroni raccolta dalle sonde planari di Langmuir. Corrente ideale dell'elettrone (Ie) in funzione della polarizzazione della sonda (VB) considerando che solo gli elettroni di massa sono presenti in equilibrio termodinamico alla temperatura TeV e tracciati con assi verticali come (A) lineare e (B) logaritmico. Si noti che questi dati vengono acquisiti sottraendo la corrente ionica dalla corrente della sonda. Il potenziale plasmatico è indicato da φ. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Corrente della sonda emissiva - caratteristiche di tensione e tecniche del punto di flesso. A) Un set di campioni di tracce I-V mediante sonda emissiva nella scala lineare e B) curve dI/dV smussate. C) Il potenziale di plasma è determinato prendendo il punto di flesso nel limite di emissione zero Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Caratteristica corrente-tensione della sonda di Langmuir e tecnica di inflessione per la misura del potenziale plasma. Potenziale plasmatico determinato dalla traccia I-V della sonda di Langmuir A) con il metodo del punto di flesso B) Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Caratteristiche di espansione della guaina per punte di sonda Langmuir planari, cilindriche e sferiche per il caso di raccolta ed emissione. Caratteristiche I-V normalizzate per le sonde di raccolta A) e B) le sonde emettitrici con diverse geometrie di punta (planari, cilindriche e sferiche). Questa cifra è stata modificata da Sheehan e Hershkowitz20. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Schema meccanico della punta della sonda di Langmuir planare. Una punta di tungsteno o tantalio è saldata a punti sul filo (filo di nichel placcato oro) esposto oltre il tubo di ceramica. La pasta in ceramica fissa il tubo in ceramica al tubo in acciaio inossidabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Corpo della sonda di Langmuir. Mostrato con numeri di parte e dimensioni, il corpo della sonda Langmuir è progettato per guarnizioni a vuoto sulla parete della camera a vuoto, sul connettore del cavo coassiale (non mostrato qui, vedere la Figura 6 del supplemento) e una tenuta a vuoto scorrevole e ruotabile contro l'albero della sonda. Tutti i raccordi per tubi sono elencati nella tabella dei materiali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Viste della fabbricazione della punta della sonda Langmuir e del collegamento all'albero della sonda. A) Vista posteriore e B) Vista laterale della sonda planare di Langmuir. La punta della sonda è saldata a punti al filo di nichel rivestito d'oro che passa attraverso due tubi di allumina con quello più spesso inserito nell'asta metallica. Tutti i giunti sono sigillati con pasta ceramica.

Figure 8
Figura 8: Schema della punta della sonda emissiva. Simile alla fabbricazione della sonda Langmuir, il filamento (filo di tungsteno) è saldato a punti al filo di nichel placcato oro che sporge dal piccolo tubo di ceramica che copre ogni stelo. La pasta ceramica copre il filo di nichel esposto e la saldatura a punti e fissa il tubo ceramico insieme e al tubo in acciaio inossidabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9: Circuiti di misura della sonda di Langmuir presso l'UW-Madison. A) Un circuito di misura semplificato per una sonda Langmuir, B) Il DAQ e la scheda DAC costruiti su misura utilizzati alla UW-Madison e C) il suo schema elettrico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 10
Figura 10: Circuiti di misura della sonda di Langmuir in USD. L'alimentatore dell'amplificatore operazionale bipolare (alimentatore a 4 quadranti) e il circuito costruito in casa per interfacciarsi con DAQ a 16 bit controllato da script informatici, utilizzato al USD. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 11
Figura 11: Circuiti di misura delle sonde emissive presso UW-Madison e USD. (A) Uno schema del circuito di misura semplificato per la sonda emissiva, insieme a (B) uno schema a blocchi per il circuito di riscaldamento utilizzato per le sonde emissive sia a UW-Madison che a USD. Il circuito di riscaldamento è descritto più dettagliatamente in Yan S-L et al.26, da cui è adattata questa figura. La linea tratteggiata indica la scatola del circuito della sonda emissiva, che ha due ingressi, uno per la tensione di riscaldamento e uno per la tensione di sweep, e due uscite, per i cavi BNC che si collegano alla sonda emissiva. Un circuito di interfaccia tra il circuito di riscaldamento e il DAQ utilizzato in USD, in (C). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 12
Figura 12: La differenza tra la corrente della sonda e la corrente degli elettroni raccolti da una sonda planare di Langmuir. A) Campione di corrente raccolta rispetto alla polarizzazione della sonda. La corrente di saturazione ionica è allineata linearmente da -85 V a -65 V. B) Traccia I-V dopo la sottrazione della corrente ionica Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 13
Figura 13: Correnti di elettroni raccolte tracciate su scale semi-logaritmiche che consentono misure di tempra e densità degli elettroni. A) una tipica traccia I-V in scala semi-logaritmica ottenuta da una sonda di Langmuir a disco planare da 1/4" B) fitting lineare della regione di transizione. La temperatura dell'elettrone è determinata come 2,16 eV dal raccordo tra -1,9 e -2,2 V. La densità del plasma è determinata inserendo il valore della corrente all'incrocio in Eq.3. Il potenziale plasmatico VP è determinato in questo modo a circa -0,4 V localizzando il "ginocchio", che è la posizione in cui si incrociano due linee di adattamento. Un metodo più accurato per misurare il potenziale plasmatico è stato mostrato nella figura 3. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 14
Figura 14: Dettaglio della sonda Langmuir multi-punta. A) vista frontale e B) vista dall'alto della sonda Langmuir multi-punta. Il sistema (da sinistra a destra) è costituito da una sonda di Langmuir cilindrica, una sonda di Langmuir planare a 2 lati, la sonda di Langmuir planare ricoperta di pasta ceramica nella parte anteriore, la sonda di Langmuir planare rivestita nella parte posteriore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 15
Figura 15: Risultati che confrontano varie sonde di Langmuir con misure di sonde emissive del potenziale di plasma vicino a un confine di plasma. I profili di potenziale al plasma per quattro diverse configurazioni di sonda Langmuir e per una sonda emissiva vengono visualizzati per quattro diverse pressioni neutre; (A) 0,1 mTorr - (D) 1,0 mTorr. La piastra di delimitazione che ha creato la struttura della guaina nel plasma era polarizzata a -100 Volt. La corrente di scarica è stata mantenuta a 1,0 Amp. Questo pannello di figure è adattato dalla Ref. 23. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 16
Figura 16: Schema di pompaggio della camera a vuoto, confinamento magnetico e impostazione del progetto sperimentale. Lo schema di A) sistema di vuoto e B) sezione d'urto della camera multidipolo mostra file di magneti che aiutano a confinare gli elettroni emessi termionicamente, che sono mostrati in C) che vengono accelerati alla parete della camera in modo da creare collisioni di ionizzazione con gli atomi di gas neutro, per creare e confinare il plasma. Questa figura è stata in parte adattata dalla ref. 23.

Pn (mTorr) Te (eV) ne (1014 m-3) λdebye (m) dCL (m)
0.1 4,0 ± 0,1 3 ± 2 0.00086 0.0076
0.25 1,9 ± 0,1 10 ± 2 0.0003 0.0051
0.5 1,3 ± 0,1 22 ± 2 0.00018 0.0041
1 1,0 ± 0,1 39 ± 2 0.0001 0.003

Tabella 1: Parametri del plasma per gli esperimenti descritti in rif. 23, pressione neutra, temperatura e densità degli elettroni, lunghezza di Debye e lunghezza di Child-Langmuir.

Figura 1 supplementare: Filamenti per emissione termoionica. A) L'array di filamenti riscaldanti e B) la configurazione del filo sullo sportello della camera. Clicca qui per scaricare questa figura.

Figura 2 supplementare: Cavo di supporto della piastra perimetrale. Vista laterale dell'impostazione della piastra di delimitazione dalla finestra a vuoto. A causa dello scarico del raggio laser saldato sulla piastra, la piastra è pesante e necessita di un supporto dall'alto per mantenere il suo orientamento. L'angolo della piastra di delimitazione è controllato dalla lunghezza del filo. Il filo stesso è collegato a un albero della sonda Langmuir vuoto ammesso da una flangia sulla parte superiore della camera. Clicca qui per scaricare questa figura.

Figura 3 supplementare: Alimentazione della polarizzazione della piastra di delimitazione. Configurazione dell'alimentazione del bias per la piastra limite, utilizzata per fornire una polarizzazione negativa che porta a una struttura di guaina nel plasma che circonda la piastra limite. Clicca qui per scaricare questa figura.

Figura 4 supplementare: Raccordi per tubi per una tenuta a vuoto girevole e traducibile contro l'albero della sonda. I raccordi per tubi dotati di O-ring sono prontamente disponibili e possono essere utilizzati per guarnizioni sottovuoto girevoli e traslabili contro un tubo cilindrico lucidato. Possono essere migliorati con lavorazioni leggere per aumentare il diametro interno sul lato opposto alla camera a vuoto. È utile ordinare un raccordo in ottone. Le ghiere per tubi da 1/4" vengono utilizzate per separare 2 O-ring inseriti nel foro e compressi con il dado terminale Cajon e lo spintore, consentendo al tubo di torcersi e traslare assialmente mantenendo la tenuta del vuoto. Gli O-ring sono leggermente ingrassati con grasso sottovuoto. Clicca qui per scaricare questa figura.

Figura 5 supplementare: Sonde di Langmuir per misure in asse, ma che entrano nella camera a vuoto fuori asse. Sonda Langmuir per camere più piccole prima di tutti i giunti sigillati con ceramica. Un tubo di allumina a foro singolo viene inserito nell'albero della sonda fino a quando non tocca il fondo. Clicca qui per scaricare questa figura.

Figura 6 supplementare: Schema di tenuta sottovuoto BNC. A) Un passante da BNC a KF sigillato sottovuoto viene utilizzato per completare la tenuta del vuoto per la sonda (è possibile acquistare anche connettori BNC doppi e quadrupli). B) È possibile utilizzare un raccordo filettato tubo-tubo in ottone per il collegamento a un raccordo KF che completa l'attacco come mostrato. Si noti inoltre che i passanti da BNC a KF sono disponibili con 2 e 4 connettori BNC. Se lo si desidera, è possibile evitare flange personalizzate per sonde emissive che richiedono 2 connettori BNC, come quelle utilizzate presso UW-Madison. Clicca qui per scaricare questa figura.

Figura supplementare 7: La differenza tra l'aumento o l'abbassamento delle correnti di riscaldamento, consecutivamente. Tecnica del punto di flesso al limite di zero emissioni da A) riscaldamento da alto a basso e B) riscaldamento da basso ad alto. La pressione è di 0,25 mTorr, la posizione della sonda è a 30 mm dalla piastra perimetrale, che è polarizzata a -90 Volt. I punti di flesso da riscaldamento alto a basso hanno una minore diffusione intorno alla linea adattata. Clicca qui per scaricare questa figura.

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Discussion

Le sonde di Langmuir sono utilizzate per misure di flusso di particelle in una gamma straordinariamente ampia di densità e temperature del plasma, dai plasmi spaziali in cui la densità elettronica è di poche particelle 106 m-3 alla regione limite dei plasmi di fusione in cui la densità elettronica è più simile a poche volte 1020 m-3. Inoltre, temperature degli elettroni comprese tra 0,1 e qualche centinaio di eV sono state diagnosticate con le sonde di Langmuir. Le sonde Langmuir sono spesso utilizzate per misurare la densità e la temperatura del plasma. Trovare il potenziale elettrostatico del plasma è intimamente correlato all'ottenimento di queste due misurazioni. Le sonde emissive, d'altra parte, sono tipicamente utilizzate esclusivamente per misurare il potenziale del plasma e sono utili in una gamma ancora più ampia di parametri del plasma. Questo lavoro descrive in dettaglio come costruire e utilizzare sia le sonde di Langmuir che le sonde emissive in un ambiente di laboratorio in cui una camera a vuoto viene utilizzata per creare e confinare il plasma di interesse, e discute le limitazioni critiche all'uso delle sonde di Langmuir per quanto riguarda il loro uso nella misurazione accurata dei potenziali di plasma vicino ai confini del plasma dove si formano guaine e preguaine.

Fasi più rigorose dell'analisi delle tracce I-V della sonda emissiva per ottenere il potenziale plasmatico utilizzando il metodo del punto di flesso nel limite di emissione zero sono discusse da Smith et al.27. L'utente controlla digitalmente il numero di correnti di riscaldamento, di cui una deve essere zero, e raccoglie una caratteristica I-V proprio come quella descritta per le sonde Langmuir, per ogni corrente di riscaldamento. Confrontando il ramo ionico delle caratteristiche I-V per il 'cold sweep', cioè per la corrente di riscaldamento nulla, con tutte le altre caratteristiche (con correnti di riscaldamento positive), si può dedurre alla conversione analogica Ic, corrente raccolta, e Ie, corrente di emissione, rispettivamente.  Le caratteristiche I-V vengono smussate e differenziate, quindi anche la curva dI/dV viene smussata e tracciata rispetto a VB. Le tensioni di polarizzazione dei massimi delle curve dI/dV , che sono i punti di flesso delle tracce I-V, vengono calcolate e quindi utilizzate per tracciare il rapporto Ie/Ic vs. Vinfl (tensione di polarizzazione della sonda nel punto di flesso). Questo grafico è adattato con un'estrapolazione lineare alla tensione di polarizzazione in cui Ie/Ic va a zero, e questa tensione di polarizzazione determina Φ. Questa procedura è talvolta chiamata "punto di inflessione nella tecnica del limite di emissione zero".

I passaggi critici per la costruzione di entrambe le sonde sono spiegati in dettaglio, in particolare attirando l'attenzione sulle guarnizioni a vuoto che consentono di ruotare e traslare gli alberi della sonda in modo che le punte delle sonde possano essere posizionate secondo le esigenze del ricercatore. Abbiamo indicato dove le parti adatte potrebbero essere acquistate da determinati fornitori e dove potrebbe essere necessaria la lavorazione interna. Abbiamo anche delineato le fasi di base dell'analisi, più come un processo di applicazione della teoria delle sonde che come una versione software-dipendente delle fasi di codifica computazionale, riconoscendo che ogni laboratorio può avere a disposizione diversi strumenti computazionali.

Le sonde di Langmuir, come per qualsiasi diagnostica, hanno importanti limitazioni, alcune delle quali sono centrali per le questioni di fisica che abbiamo perseguito in questo confronto delle tecniche di sonda, un confronto che può essere brevemente riassunto come segue: in plasmi a temperatura relativamente bassa, a bassa pressione, meno di 10 eV, meno di pochi decimi di Pa di pressione neutra, Le misure di potenziale della sonda di Langmuir planare e cilindrica differiscono dal potenziale reale del plasma nella guaina quasineutra. Ma hanno anche altre limitazioni. La tecnica della sonda di Langmuir è sensibile ai flussi di plasma e, a seconda che il flusso sia di segnale o di rumore, questa sensibilità può essere o meno una limitazione. Inoltre, ci possono essere problemi con l'emissione secondaria di elettroni, problemi con la collisionalità del plasma nel plasma a pressione più elevata, problemi con la ionizzazione se polarizzata troppo ampiamente, e così via. Le sonde emissive, naturalmente, non sono sensibili ai flussi di plasma, il che le rende superiori alle sonde di Langmuir nella misurazione del potenziale di plasma vicino ai confini, dove le guaine si formano in concomitanza con i flussi ionici al confine. Un'area di ricerca attiva riguardante le superfici emittenti al confine del plasma persegue la possibilità di guaine inverse28 che potrebbero formarsi se l'emissione è sufficientemente forte, e se il catodo virtuale che può formarsi attorno alla superficie di emissione può effettivamente intrappolare ioni. Ci sono alcune evidenze che suggeriscono che le guaine inverse29 potrebbero, dove si formano, far fluttuare le sonde emissive al di sopra del potenziale plasmatico locale. Recenti esperimenti con sonde emissive fortemente emettitrici in plasma a pressione più elevata (Pn > 3 mTorr) rispetto a quella degli esperimenti qui riportati in una certamisura corroborano questa visione. Tuttavia, per plasma a bassa pressione, bassa temperatura, con modeste correnti di riscaldamento, sembra che la tecnica del punto di flesso nel limite di zero emissioni non sia influenzata da questo tipo di fenomeni. Infine menzioniamo un'ultima limitazione comune ad entrambe le tecniche di sonda, vale a dire che se il plasma è troppo denso e caldo le sonde non possono sopravvivere meccanicamente13, portando ai limiti superiori citati nell'introduzione.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), attraverso grantDE-SC00114226, e dalla National Science Foundation attraverso le sovvenzioni PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 e PHY-1804240

Omaggio a Noah Hershkowitz:
Noah Hershkowitz ha dato contributi rivoluzionari alla fisica del plasma, guadagnandosi il rispetto e l'ammirazione dei suoi colleghi e studenti, sia come scienziato che come essere umano.  "La fisica", spiegò una volta, "è come un puzzle molto vecchio. Tutti i pezzi sono consumati. I loro bordi sono incasinati. Alcuni pezzi sono stati messi insieme nel modo sbagliato. In un certo senso si adattano, ma in realtà non sono nei posti giusti. Il gioco consiste nel metterli insieme nel modo giusto per scoprire come funziona il mondo.  È morto il 13 novembre 2020, all'età di 79 anni.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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Li, P., Hershkowitz, N., Severn, G. Building Langmuir Probes and Emissive Probes for Plasma Potential Measurements in Low Pressure, Low Temperature Plasmas. J. Vis. Exp. (171), e61804, doi:10.3791/61804 (2021).

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