Summary
この研究の主な目的は、ラングミュアプローブや発光プローブに馴染みのない研究グループが、特にプラズマ境界付近で、それらをプラズマ診断として利用しやすくすることです。そのために、すぐに手に入る材料や消耗品からプローブを構築する方法を紹介します。
Abstract
ラングミュアプローブは、1920年代初頭にラングミュアによって発明されて以来、粒子フラックス(すなわち、電子フラックスとイオンフラックス)とその局所的な空間濃度、電子温度、および静電プラズマポテンシャル測定の主要な診断として、実験的なプラズマ物理学研究で長い間使用されてきました。エミッシブプローブは、プラズマポテンシャルの測定に使用されます。この研究で展示されているプロトコルは、プラズマ放電を閉じ込めて維持できる真空チャンバーで使用するために、これらのプローブがどのように構築されるかを実証するのに役立ちます。これには、本質的に電気フィードスルーであり、回転および移動可能なものを構築するための真空技術が含まれます。確かに、ラングミュアプローブシステム一式を購入することもできますが、ユーザーがかなりのコスト削減で構築することもでき、同時に特定の実験での使用により直接的に適合させることもできます。2つの診断技術を比較し、それらの相対的な長所と短所を評価するために、これらの実験では、プラズマ中に浸された負に偏った電極によって作成される、プラズマ本体からプラズマ境界のシース領域までの静電プラズマポテンシャルをマッピングするラングミュアプローブと発光プローブの使用について説明します。ラングミュアプローブは、プラズマ密度と電子温度を最も正確に測定できるという利点がありますが、発光プローブは、シース領域を含むプラズマ全体の静電プラズマポテンシャルをより正確に測定できます。
Introduction
1920年代にラングミュアが発見した新しい物質状態であるプラズマの媒体のような振る舞いにさかのぼる、プラズマ物理学研究の最初の1世紀の間に、ラングミュアプローブはプラズマパラメータの最も重要な診断であったことが証明されています。これは、その適用範囲が極めて広いことが一因である1。人工衛星2,3,4が遭遇するプラズマ、トカマクに閉じ込められたプラズマの末端での半導体処理実験5,6,7,89,10,11、および広範囲の基礎プラズマ物理学実験において、ラングミュアプローブは、10 8≤ e の範囲にわたるプラズマ密度と温度を測定するために使用されてきました。≤1019 m-3 と 10-3≤Te≤102eV です。同時に1920年代には、現在彼にちなんで名付けられたプローブと発光プローブ12を発明しました。発光プローブは現在、主にプラズマポテンシャルの診断に使用されています。ラングミュアプローブのように広範囲のプラズマパラメータを測定することはできませんが、プラズマポテンシャル、または静電空間ポテンシャルと呼ばれることもある測定に関しては、幅広い有用性の診断です。例えば、発光プローブは、ラングミュアプローブが何も測定できない真空中でも、空間ポテンシャルを正確に測定することができます。
ラングミュアプローブの基本設定は、プラズマ中に電極を埋め込み、集めた電流を測定するというものです。得られた電流-電圧(I-V)特性は、電子温度Te、電子密度ne、プラズマポテン シャルφ13などのプラズマパラメータを解釈するために使用することができる。マクスウェルプラズマの場合、収集された電子電流I e (正と見なされる) とプローブ バイアス VB の関係は14 として表すことができます。
ここで、Ie0 は電子飽和電流、
ここで、Sはプローブの収集面積、 
はバルク電子密度、eは電子電荷、Teは 電子温度、meは 電子質量です。電子電流に対するI-V特性の理論的関係を 図1A と 図1Bの2つに示します。なお、式(1a,b)はバルク電子にのみ適用されます。しかし、ラングミュアプローブ電流は荷電粒子の流れを検出できるため、一次電子、電子線、イオン線などの存在下で調整する必要があります。詳細については、Hershkowitz14 を参照してください。
ここでは、マクスウェル電子エネルギー分布関数(EEDF)の理想的なケースを取り上げます。もちろん、非理想性が生じる状況はたくさんありますが、これらはこの作品の主題ではありません。例えば、材料加工のエッチングおよび堆積プラズマシステム(通常はRFが生成および持続される)では、プラズマ中に揮発性化学ラジカルを生成する分子ガス原料と、負に帯電したイオンを含む複数のイオン種があります。プラズマは電気陰性になり、すなわち、準中性プラズマ中の負電荷のかなりの部分を負イオンの形で有する。分子が中性でイオンを持つプラズマでは、電子と分子種の間の非弾性衝突は電流-電圧特性にディップ15 を生じさせ、電子に対して冷たいマイナスイオンの存在は、プラズマポテンシャルの近傍に著しい歪み16 を生じさせるが、もちろんこれらはすべて非マクスウェルの特徴である。本論文で取り上げた研究の実験は、このような非マクスウェル効果のない単一イオン種希ガス(アルゴン)DC放電プラズマで行われました。しかし、バイマクスウェルEEDFは、通常、チャンバー壁からの二次電子放出17 の存在によって引き起こされるこれらの放電に見られます。高温電子のこの成分は、通常、低温電子温度の数倍であり、密度の1%未満であり、通常、バルク電子の密度および温度と容易に区別できます。
VBがφよりも負になるにつれて、電子はプローブ表面の負の電位によって部分的に反発され、ln(Ie)対VBの傾きはe / Te、すなわちです。図1Bに示すように、1/TeV(TeVは電子温度(単位:eV)です。TeVが決定されると、プラズマ密度は次のように導出できます。
イオン電流は、電子電流とは異なる方法で導き出されます。イオンは、電子の質量と比較して質量>>が比較的大きいため、「冷たい」と想定されるため、弱電離プラズマでは、イオンは壁面温度にある中性ガス原子とかなり良好な熱平衡状態にあります。イオンは、VBがφであればプローブシースによってはじかれ≥VBがφであれば収集<。収集されたイオン電流は、負にバイアスされたプローブではほぼ一定ですが、プローブへの電子束は、プラズマ電位よりも負のプローブバイアス電圧では減少します。電子飽和電流はイオン飽和電流よりもはるかに大きいため、プローブによって収集される総電流は減少します。プローブバイアスが負になるにつれて、上記の式(1a)で説明したように、電子温度が低温または高温であるため、収集される電流の低下は大きくなったり小さくなったりします。この近似におけるイオン電流の式は次のとおりです。
どこ
そして
プローブによって収集された一定のイオンフラックスは、プローブのプレシースに沿った加速によりランダムな熱イオンフラックスを超え、したがってイオンはイオン熱速度19ではなく、ボーム速度18、ubでプローブのシースエッジに到達することに注意してください。そして、イオンはプレシースが準中性であるため、電子に等しい密度を持っています。Eqn.5 と Eqn.2 のイオン飽和電流と電子飽和電流を比較すると、プローブ電流に対するイオンの寄与は、電子のそれよりも の係数
で小さいことがわかります。この係数は、アルゴンプラズマの場合、約108です。
電子電流が指数関数的に一定になる「膝」と呼ばれる急激な遷移点があります。膝のプローブバイアスは、プラズマ電位として近似できます。実際の実験では、この膝は決して鋭くはなく、プローブの空間電荷効果、つまりプローブを取り巻くシースの膨張、およびプローブの汚染、およびプラズマノイズのために丸みを帯びています13。
ラングミュアプローブ法は集光電流に基づいていますが、エミッシブプローブ法は電流の放出に基づいています。エミッシブプローブは、温度も密度も測定しません。代わりに、正確なプラズマポテンシャル測定を提供し、プラズマの流れの影響を受けないため、さまざまな状況で動作できます。発光プローブの理論と使用法は、Sheehan と Hershkowitz20 によるトピックレビューで完全に議論されており、その中での参考文献も記載されています。
プラズマ密度 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3 の場合、ゼロエミッションの限界における変曲点法が推奨され、これは、それぞれが異なるフィラメント加熱電流を持つ一連の I-V トレースを取り、各 I-V トレースの変曲点バイアス電圧を求め、変曲点をゼロエミッションの限界まで外挿してプラズマ電位を得ることを意味します。 図2に示すように。
ラングミュアと発光プローブの手法は、準中性プラズマでは一致するが、シース(空間電荷が現れる境界と接触するプラズマの領域)では一致しないというのが一般的な仮定である。この研究は、低温低圧プラズマにおけるプラズマ境界付近のプラズマポテンシャルに着目し、この一般的な仮定を検証しようとしています。ラングミュアプローブとエミッシブプローブの両方による電位測定を比較するために、図3に示すように、ラングミュアプローブI-Vに変曲点技術を適用してプラズマポテンシャルも決定します。プラズマ電位は、収集した電流の2次微分がバイアス電圧に対して微分したプローブバイアス電圧、
つまりプローブバイアス電圧に対してdI/dV曲線のピークを見つけることによって求められることが一般に認められています1。図3は、このdI/dV単位の最大値(電流-電圧特性の変曲点)がどのように求められるかを示しています。
ラングミュアプローブ(集光)と発光プローブ(発光)は、図4に示すように、プローブチップの形状によっても異なるI-V特性を持っています。プローブを製造する前に、プローブの空間電荷効果を考慮する必要があります。実験では、平面ラングミュアプローブに、1/4インチの平面タンタル円盤を使用しました。より大きなディスクでより多くの電流を収集し、より大きな信号を得ることができます。しかし、上記の分析を適用するためには、プローブの面積Apは、チャンバーの電子損失面積Awよりも小さく保たれなければならず、21の不等式
を満たす。円筒形のラングミュアプローブには、円筒形のラングミュアプローブに厚さ0.025mm、長さ1cmのタングステンワイヤーを使用し、発光プローブには同じ太さのタングステンワイヤーを使用しました。円筒形のラングミュアプローブの場合、これらの実験のプラズマパラメータでは、プローブチップの半径rpは、その長さLPよりもはるかに小さく、デバイ長λDよりも小さいことに注意することが重要です。つまり、 
、 、 です
。この範囲のパラメータでは、軌道運動制限理論とラフランボワーズの開発22を熱電子とイオンの場合に適用すると、プラズマポテンシャル以上のプローブバイアス電圧の場合、収集された電子電流は、次の形式の
関数によってパラメータ化される可能性があることがわかります。
.ここで重要な点は、この指数の値がユニティよりも小さい場合、上記の段落で説明したように、プラズマポテンシャルを決定するための変曲点法が円筒形のラングミュアプローブにも適用されることです。
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Protocol
1. ラングミュアプローブとエミッシブプローブを真空チャンバーに収める
- Planar Langmuirプローブ(詳細は 図5 を参照)
- 直径1/4インチのステンレス鋼管をプローブシャフトとし、一方の端を希望の90°の角度に曲げます。
- プローブがチャンバーの長さの半分以上を軸方向にカバーできるように、曲がっていない側を長さにカットします。
- シャフトの曲がっていない側を真鍮チューブに通し、SS-4-UT-A-8アダプターとB-810-6ユニオンチューブフィッティングを組み合わせて取り付けます。
- 1/2インチの真鍮製チューブを、B-810-1-ORスウェージロック・インターフェースを介してカスタマイズしたフランジから引き出し、プローブ・シャフトを軸方向でサポートします。
- 図6に示すように、プローブ・シャフトの曲がっていない方の端を、B-400-1-ORスウェージロック・フィッティングを介してBNCハウジングに接続します。
- 図7に示すように、金でコーティングされたニッケルワイヤーを2本のシングルボアアルミナチューブ(直径1/8インチと3/16インチ)に通し、太い方をプローブシャフトの内側に取り付けます。
- 金でコーティングされたニッケルワイヤの一端を、プローブシャフトの端にあるBNCフィードスルーのピンにはんだ付けされた被覆除去ワイヤにスポット溶接します。
- プローブシャフトとの短絡を防ぐために、剥がしたワイヤーとの接合部がアルミナチューブ内に収まるように、金被覆ワイヤーを切断します。
- タンタルシートを打ち抜いて、平面のラングミュアプローブチップ(直径1/4インチ)を作成します。
- 金でコーティングされたニッケルワイヤのもう一方の端をプローブ先端の端にスポット溶接し、プローブ先端を境界プレートの軸に垂直に設定します。
- シース内部で測定を行う際に、プローブの本体が境界プレートに触れないように、プローブの先端を少し前方に配置します。
- すべての接合部をセラミックペースト(例:Sauereisen Cement No. 31)で密封し、プローブ回路の部品をプラズマから絶縁します。ヒートガンを使用して、セラミックジョイントを5〜10分間焼きます。
- マルチメータを使用して、プローブチップとBNCコネクタ間の抵抗を測定します。導通が実証されれば、プローブを真空チャンバーに入れる準備が整います。
- 円筒形のエミッシブプローブの構築(詳細は 図8 を参照)
- 手順1.1.1-1.1.4に従い、同じプローブシャフトで手順1.1.5-1.1.7を2回繰り返しますが、シングルボアチューブの代わりに1/8インチの2ボアアルミナチューブを使用します。
- 直径0.025mmのタングステン線を約1cmにカットします。
- タングステンフィラメントを金でコーティングされたワイヤにスポット溶接します。
- すべての接合部をセラミックペーストで密封し、セラミックペーストがタングステンフィラメントに付着しないようにします。
- 2つのBNC端間の導通を確認します。
2.プラズマを生成する
- チャンバーにガスを入れる前に、イオンゲージをオンにしてベース圧力を確認してください。圧力が10〜6Torr の低い範囲にある場合は、バラトロンゲージのゼロ調整を続行します。それ以外の場合は、システムの漏れを確認します。ニードルバルブの位置とシャットオフ値は、それぞれ開と閉です。
- プラスチック製のドライバーを使用して、数値が±0.01mTorrの間で浮くまでバラトロンディスプレイを調整します。
- ニードルバルブを閉じて、閉じた位置に静かに固定します。
- シャットオフバルブを開きます。バラトロンの読み取り値に圧力変化がないことを確認してください。
- ニードルバルブのノブをゆっくりと回して、圧力が実験の要件に達するまでガスをチャンバーに放出します。典型的な使用圧力は10-5 ~2 x 10-3 Torrです。作動ガスには、アルゴン、キセノン、クリプトン、酸素などがあります。
- 関西電力の電圧電源をオンにし、電圧を-60ボルトに設定して、アルゴンの最大イオン化断面積に十分な電子エネルギーを供給します。フィラメントの加熱電源をオンにし、放電電流が必要な値を読み取るまでレベルをゆっくりと調整します。放電電流は、最初の数分で急速に低下する傾向があります。放電が安定するまで、約30分間電流レベルを調整し続けます
- 電圧供給を境界プレートに接続し、バイアスを目的のレベルに調整します。
3.測定を行う
メモ:ラングミュアプローブとエミッシブプローブのI-Vトレースは、Labviewプログラムによって制御される16ビットDAQボードによって集録されます。ユーザーによってデータの取得に関する好みが異なるため、ここでは詳細を示しません。ただし、プローブの使用方法に関するプロトコルがあります。
- 負荷ラインを例にとると、プローブとその測定回路の間にすべての接続が行われ、チャンバー内でプラズマ放電のないI-Vトレースを取得します(UW-MadisonとUSDのセットアップについては、 図9、 図10 、 図11 を参照)。
- ラングミュアプローブ
- プローブを積極的にバイアスして大きな電子電流を収集し、プローブの先端を清掃します(きれいなプローブは汚れたプローブよりも鋭い「膝」を示すため、このステップは重要です)。
- 可変電源と50オームでプローブに電流を流し、チップを加熱して、プラズマ中のプローブ表面にすぐに付着する不純物の層を蒸発させ、プローブの表面抵抗率を高めます。
- バイアスをゆっくりと正に増やしてプラズマポテンシャルを超え、プローブが電子飽和電流を流し始めるようにします。
- 可能性を高め続ける。プローブの先端がチェリーレッドに光っているのを見ると、プローブはきれいです。プラズマ中のプローブ先端を真空ビューポートで見る必要があります。
- プローブのバイアスを変化させるときは、注意して警戒してください。プローブが熱くなりすぎると、プローブの先端自体が歪む可能性があり、先端に穴が開いたり、蒸発したり、脱落したりするなど、さらに悪いことが起こる可能性があります。ワイヤーが溶けて絶縁が失われる可能性があります。
- プローブをデータ収集および制御回路(ラボごとに異なる部分)に取り付け、プローブに印加される電圧をスイープすると同時に、プローブによって引き出される電流を測定します。I-Vトレースを保存します。
- プローブをデータ収集および制御回路(ラボごとに異なる部分)に取り付け、プローブに印加される電圧をスイープすると同時に、プローブによって引き出される電流を測定します。I-Vトレースを保存します。
- プローブを積極的にバイアスして大きな電子電流を収集し、プローブの先端を清掃します(きれいなプローブは汚れたプローブよりも鋭い「膝」を示すため、このステップは重要です)。
- エミッシブプローブ
- ステップ 3.2.2 をエミッシブプローブのデータ取得および制御回路で繰り返します。
4. データ分析
- ラングミュアプローブ(詳細については、 図12、 図13 を参照)。
- 合計I-V特性から負荷線を差し引きます。
- イオン飽和電流を合わせ、残りのI-V特性から差し引きます。
- 電流の自然対数を取り、プローブ電圧に対してプロットします。
- 遷移領域と飽和電流の線形近似を別々に取ります。
- 遷移領域の傾きの逆数を取り、電子温度値を取得します。
- 2 本の近似線が交差する交点に電流を流すことで プラズマ密度を 式 3 に算出する。
- 変曲点法をラングミュアプローブトレースに適用し、プラズマ電位を決定します。
- エミッシブプローブ( 図2を参照)。
- 個々のI-V特性について手順4.1.1-4.1.2を繰り返し、各トレースを平滑化します。
- 各I-Vトレースを微分し、適切な平滑化を適用します。
- 平滑化された各 dI/dV (変曲点) のピークを特定します。
- 変曲点に線形フィットを適用します。
- 適合線のゼロ交差位置を特定して、プラズマ電位を取得します。
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Representative Results
ラングミュアプローブは、流れや捕集する粒子の運動エネルギーに敏感であることが知られており、これまでは、シースを除いて、プラズマポテンシャルの有効な測定値が得られると考えられてきました。しかし、ラングミュアプローブと発光プローブによって測定されたプラズマポテンシャルの直接比較は、プラズマ側のシースと直接接触するプラズマの準中性プレシース領域において、ラングミュアプローブはプラズマポテンシャルの正確な測定を提供しないことを示しました23。4種類のラングミュアプローブで測定したプラズマバルクからシースへのプラズマポテンシャルを、4種類の中性圧でエミッシブプローブで測定したプラズマポテンシャルと比較しました。ラングミュアプローブは4つの異なる構成で構築され( 図14参照)、jは1から4までの整数であるLPj とラベル付けされました。円筒形のラングミュアプローブは、LP1、LP2 、両面ラングミュアプローブ、LP3は、セラミックペーストで密封された境界プレートに面した面の平面ラングミュアプローブ、LP4 は、セラミックプレートで覆われた境界プレートの反対側を向いた面の平面ラングミュアプローブの略です。ラングミュアプローブとエミッシブプローブの電位測定の比較を 図15に示します。
プリシースでは、イオンがシース構造を成立させるために境界に向かって流れ、イオン流速はゼロからボーム速度18,20,21の範囲であることはよく知られている。我々は、プラズマポテンシャルの測定に用いたラングミュアプローブがプレシースで正確な結果をもたらすかどうかを実験的に調べようとしました(実験設定については図16Cを参照)。温度、密度、デバイ長、チャイルド・ラングミュア鞘長などのプラズマパラメータは、プラズマの大部分のLP2による測定値から計算され、表1に示されています。前述したように、ラングミュアプローブの異なる設計を試し、片面または両面が絶縁され、ディスクの両面が導通するプローブが試されました。我々は、すべてのラングミュアプローブ測定値をプラズマポテンシャルの発光プローブ測定値と比較した。その結果、すべてのラングミュアプローブが、プレシース内の発光プローブで測定したプラズマポテンシャルから逸脱したプラズマポテンシャルを測定し、エミッシブプローブで測定したプラズマポテンシャルに対して正の差があることを発見しました。この差はシースエッジに近づくにつれて拡大し、多くの電子温度の値に成長します。この違いは、境界から 3 または 4 シースの厚さの距離で明らかになります。代表的な結果を図15A-Cに示す。この違いは重要な結果です。これは、一般的に考えられている仮定が一般的には当てはまらないことを示しています。
図1:平面ラングミュアプローブによって収集された電子電流。バルク電子のみが温度TeVで熱力学的平衡状態にあり、(A)線形および(B)対数として垂直軸でプロットされていることを考慮した理想的な電子電流(Ie)対プローブバイアス(VB)。なお、このデータはプローブ電流からイオン電流を差し引いて取得するものです。プラズマポテンシャルはφで示されます。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:エミッシブプローブ電流 - 電圧特性と変曲点技術。 A)リニアスケールのエミッシブプローブによるI-Vトレースのサンプルセットと 、B)平滑化されたdI/dV曲線。 C)プラズマポテンシャルは、ゼロエミッションの限界の変曲点を取ることによって決定されます この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:プラズマポテンシャル測定のためのラングミュアプローブの電流-電圧特性と屈曲法。 A)ラングミュアプローブI-VトレースからB)変曲点法によるプラズマポテンシャルを決定 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:平面、円筒形、球形のラングミュアプローブチップのシース膨張特性(捕集と放出の場合)。 A)収集プローブとB)異なる先端形状(平面、円筒形、球形)の発光プローブの正規化されたI-V特性。この図は、Sheehan and Hershkowitz20 から変更されています。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:平面ラングミュアプローブチップの機械的回路図。 タングステンまたはタンタルチップは、セラミックチューブを超えて露出したワイヤ(金メッキニッケルワイヤ)にスポット溶接されます。セラミックパストは、セラミックチューブをステンレス鋼チューブに固定します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:ラングミュアプローブ本体。 部品番号と寸法で示されているラングミュアプローブ本体は、真空チャンバーの壁、同軸ケーブルコネクタ(ここには示されていません、 補足図6を参照)、およびプローブシャフトに対するスライド式回転可能な真空シール用に設計されています。すべてのチューブ継手は、材料表に記載されています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図7:ラングミュアプローブチップの製造とプローブシャフトへの接続図。 A)平面ラングミュアプローブの背面図と B)側面図。プローブの先端は、金でコーティングされたニッケルワイヤーにスポット溶接されており、2本のアルミナチューブを通し、太い方のチューブを金属シャフトに取り付けます。すべての接合部はセラミックペーストで密封されています。
図8:エミッシブプローブチップの回路図。 ラングミュアプローブの製造と同様に、フィラメント(タングステン線)は、各茎を覆う小さなセラミックチューブから突き出た金メッキニッケル線にスポット溶接されます。陶磁器の過去は露出したニッケル ワイヤーおよびスポット溶接を覆い、陶磁器の管を一緒にそしてステンレス鋼の管に留めます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図9:UW-MadisonのLangmuirプローブ測定回路。 A)ラングミュアプローブ用の簡略化された測定回路、 B)UW-Madisonで使用されるカスタムビルドのDAQおよびDACボード、 およびC)その回路図。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図10:USDでのラングミュアプローブ測定回路 バイポーラオペアンプ電源(4象限電源)と自作回路は、コンピュータスクリプトによって制御される16ビットDAQと接続し、米ドルで使用されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図11:UW-MadisonとUSDのエミッシブプローブ測定回路。 (A)発光プローブの簡略測定回路図と、(B)UW-MadisonとUSDの両方で発光プローブに使用した加熱回路のブロック図。加熱回路は、Yan S-L et al.26に詳細に記述されており、この図はそこから適応されています。点線はエミッシブプローブ回路ボックスを示しており、加熱電圧用と掃引電圧用の2つの入力と、エミッシブプローブに接続するBNCケーブル用の2つの出力があります。(C)の加熱回路とUSDで使用されるDAQとの間のインターフェース回路。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図12:プローブ電流と平面ラングミュアプローブによって収集された電子電流の差。 A)収集した電流とプローブバイアスのサンプル。イオン飽和電流は、-85Vから-65Vまで直線的に適合します。 B)イオン電流を差し引いた後のI-Vトレース この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図13:収集した電子電流を半対数スケールにプロットし、電子の焼戻しと密度の測定を可能にしました。 A)1/4インチの平面ディスクLangmuirプローブによって得られたセミログスケールの典型的なI-Vトレース、B)遷移領域の線形フィッティング。電子温度は -1.9 V と -2.2 V のフィッティングから 2.16 eV と決定され、 プラズマ密度は 交差時の電流の値を Eq.3 に差し込むことで決定される。プラズマポテンシャルVP は、2本のフィッティングラインが交差する位置である「膝」の位置を特定することで、約-0.4Vになるようにこのように決定されます。プラズマ電位のより正確な測定方法を図3に示します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図14:マルチチップLangmuirプローブの詳細。 A)マルチチップラングミュアプローブの正面図と B)上面図。システム(左から右へ)は、円筒形のラングミュアプローブ、2面平面ラングミュアプローブ、前面がセラミックペーストで覆われた平面ラングミュアプローブ、背面が平面ラングミュアプローブで構成されています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図15:さまざまなラングミュアプローブと、プラズマ境界付近のプラズマポテンシャルのエミッシブプローブ測定を比較した結果。 4つの異なるラングミュアプローブ構成とエミッシブプローブのプラズマポテンシャルプロファイルは、4つの異なる中性圧力で表示されます。(A)0.1 mTorr-(D)1.0 mTorr。プラズマ中のシース構造を形成する境界板は、-100ボルトに偏っていました。放電電流は1.0アンペアに保たれました。この図のパネルは、文献23から引用したものです。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図16:真空チャンバーの排気方式、磁気閉じ込め、実験計画のセットアップ。 A)真空系とB)多双極子室の断面図は、熱的に放出された電子を閉じ込めるのに役立つ磁石の列を示しており、C)は中性ガス原子とのイオン化衝突を引き起こすためにチャンバー壁に加速され、プラズマを生成および閉じ込めます。この図は、文献23から一部引用したものです。
| Pn (mTorr) | Te (eV) | NE (1014 m-3) | λデバイ(m) | dCL (メートル) |
| 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 | 2±22日 | 0.00018 | 0.0041 |
| 1 | 1.0 ± 0.1 | 39 ± 2 | 0.0001 | 0.003 |
表1:文献23に記載の実験のプラズマパラメータ、中性圧、電子温度と密度、デバイ長、チャイルド・ラングミュア長。
補足図1:熱電子放出用のフィラメント。A)加熱フィラメントアレイとB)チャンバードアのワイヤーセットアップ。この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2:境界プレート支持ワイヤー。 バキュームビューポートからの境界プレート設定の側面図。レーザービームダンプがプレートに溶接されているため、プレートは重く、その向きを維持するために上からのサポートが必要です。境界プレートの角度は、ワイヤの長さによって制御されます。ワイヤー自体は、チャンバー上部のフランジから差し込まれた空のラングミュアプローブシャフトに取り付けられています。 この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図3:境界プレートのバイアス電源。 境界プレートのバイアス供給セットアップは、境界プレートを取り囲むプラズマにシース構造をもたらす負のバイアスを提供するために使用されます。 この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図4:プローブシャフトに対する回転可能で並進可能な真空シール用のチューブ継手。 Oリングが付属するチューブ継手はすぐに入手でき、研磨された円筒形チューブに対する回転可能で移動可能な真空シールに使用できます。軽加工で改善し、真空チャンバーの反対側の内径を大きくすることができます。真鍮製のフィッティングを注文すると便利です。1/4インチチューブ用のフェルールは、ボアにフィットする2つのOリングを分離し、Cajonエンドナットとプッシャーで圧縮するために使用され、真空シールを維持しながらチューブを軸方向にねじったり並進させたりすることができます。Oリングには真空グリースが軽く塗布されています。 この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図5:軸上測定用のラングミュアプローブですが、軸外から真空チャンバーに入ります。 すべての接合部がセラミックで密封される前の小さなチャンバー用のラングミュアプローブ。単口径のアルミナチューブは、プローブシャフトが底を打つまで挿入されます。 この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図6:BNC真空シール方式。A)真空シールされたBNCからKFへのフィードスルーを使用して、プローブの真空シールを完成させます(ダブルおよびクワッドBNCコネクタも購入できます)。B)真鍮のチューブからパイプねじへの継手を使用して、図のように取り付けを完了するKF継手に接続できます。また、BNCからKFへのフィードスルーは、2つおよび4つのBNCコネクタで利用可能であることにも注意してください。UW-Madisonで使用されているような、2つのBNCコネクタを必要とするエミッシブプローブ用のカスタムフランジは、必要に応じて回避できます。この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図7:加熱電流を連続的に上げるか下げ るかの違い。変曲点技術は、A)高発熱から低発熱、B)低発熱から高発熱によるゼロエミッションの限界に達します。圧力は0.25mTorrで、プローブ位置は境界プレートから30mmで、-90ボルトにバイアスされています。高発熱から低発熱への変曲点は、適合線の周囲にあまり広がりません。 この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
ラングミュアプローブは、電子密度がわずか数粒子の宇宙プラズマ(106 m-3 )から、電子密度が数倍の1020 m-3の核融合プラズマの周辺領域まで、非常に広い範囲のプラズマ密度と温度の粒子束測定に使用されます。さらに、0.1から数百eVの電子温度がラングミュアプローブで診断されています。ラングミュアプローブは、プラズマの密度と温度を測定するためによく使用されます。静電プラズマポテンシャルを見つけることは、これら2つの測定値を得ることと密接に関連しています。一方、発光プローブは、通常、プラズマポテンシャルを測定するためだけに使用され、さらに広い範囲のプラズマパラメータで使用されます。この研究では、真空チャンバーを使用して目的のプラズマを作成および閉じ込める実験室環境で、ラングミュアプローブと発光プローブの両方を構築して使用する方法を詳細に説明し、シースとプレシースが形成されるプラズマ境界付近のプラズマポテンシャルを正確に測定するためのラングミュアプローブの使用に関するラングミュアプローブの使用に関する重要な制限について説明します。
発光プローブのI-Vトレースを分析して、ゼロエミッションの限界で変曲点法を使用してプラズマポテンシャルを取得するより厳密な手順が、Smithらによって説明されています27。ユーザーは、加熱電流の数(そのうちの1つはゼロでなければならない)をデジタル制御し、ラングミュアプローブで説明したようなI-V特性を各加熱電流に対して収集します。「コールドスイープ」、つまり加熱電流がゼロの場合のI-V特性のイオン分岐を、他のすべての特性(正の加熱電流の場合)と比較することにより、それぞれアナログ変換I.c(収集電流)とI-e(放出電流)を推定できます。 I-V特性を平滑化して微分し、 次にdI/dV 曲線も平滑化して、 対VBをプロットします。I-Vパターンの変曲点である dI/dV 曲線の最大値のバイアス電圧を計算し、それを使用して比Ie/Ic 対Vinfl (変曲点におけるプローブのバイアス電圧)をプロットします。このプロットは、Ie/Ic がゼロになるバイアス電圧への線形外挿で適合し、このバイアス電圧によってΦが決定されます。この手順は、「ゼロエミッション技術の限界の変曲点」と呼ばれることもあります。
両方のプローブを構築するための重要なステップが詳細に説明されており、特にプローブシャフトを回転および移動させて、研究者が必要に応じてプローブの先端を配置できるようにする真空シールに注意を向けています。特定のベンダーが適切な部品を購入できる場所と、社内で機械加工が必要な場所を示しました。また、分析の基本的なステップを概説しましたが、これは、計算コーディングステップのソフトウェア依存バージョンとしてではなく、プローブ理論の適用プロセスとしてであり、各ラボが自由に使える計算ツールが異なる可能性があることを認識しています。
ラングミュアプローブには、他の診断法にも当てはまるように、重要な制限があり、そのうちのいくつかは、このプローブ技術の比較で追求した物理学的問題の中心であり、比較は次のように簡単に要約できます。 比較的低温、低圧のプラズマでは、10 eV未満、中性圧力のPaの10分の1未満、 平面および円筒形のラングミュアプローブの電位測定は、準中性プレシースの真のプラズマ電位とは異なります。しかし、他にも制限があります。ラングミュアプローブ法はプラズマの流れに敏感であり、流れが信号かノイズかによって、この感度が制限になる場合とならない場合があります。さらに、二次電子放出の問題、高圧プラズマでのプラズマ衝突の問題、バイアスが広すぎる場合のイオン化の問題などが考えられます。もちろん、発光プローブはプラズマの流れに敏感ではないため、境界へのイオンの流れに付随してシースが形成される境界付近のプラズマポテンシャルの測定において、ラングミュアプローブよりも優れています。プラズマの境界における発光面に関する研究の活発な分野は、発光が十分に強く、発光面の周囲に形成できる仮想カソードが実際にイオンを捕捉できる場合に形成される可能性のある逆シース28 の可能性を追求している。逆鞘29 が形成されると、発光プローブが局所的なプラズマポテンシャルを超えて浮遊する可能性を示唆する証拠がいくつかある。今回報告された実験よりも高圧プラズマ(Pn > 3 mTorr)中で強く発光するプローブを用いた最近の実験は、この見解をある程度裏付けている30 。しかし、低圧、低温のプラズマでは、加熱電流が控えめなため、ゼロエミッションの限界における変曲点法は、この種の現象の影響を受けないようです。最後に、両方のプローブ技術に共通する最後の制限、すなわち、プラズマが高密度で高温の場合、プローブは機械的に生き残ることができず13、序論で引用した上限につながることについて言及します。
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Disclosures
著者は何も開示していません。
Acknowledgments
この研究の一部は、米国エネルギー省(DOE)の助成金DE-SC00114226と、全米科学財団の助成金PHY-1464741、PHY-1464838、PHY-1804654、およびPHY-1804240から資金提供を受けました
ノア・ハーシュコウィッツへのオマージュ:
ノア・ハーシュコウィッツは、プラズマ物理学に画期的な貢献をし、科学者として、また人間として、同僚や学生から尊敬と賞賛を得ました。 「物理学は、本当に古いジグソーパズルのようなものだ」と彼はかつて説明しました。すべての部品がすり減っています。エッジがめちゃくちゃです。いくつかのピースは間違った方法で組み立てられています。なんとなくは合っているのですが、実際には適切な場所にあるわけではありません。ゲームは、それらをまとめて、世界がどのように機能しているかを知ることです。 2020年11月13日、79歳で死去。
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 |
References
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