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Construção de Sondas Langmuir e Sondas Emissivas para Medições de Potencial de Plasma em Plasmas de Baixa Pressão e Baixa 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

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.

Abstract

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.

Introduction

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 física de plasmas, sondas de Langmuir têm sido usadas para medir densidades e temperaturas de plasma abrangendo as faixas de 10 a 8≤n e≤1019 m-3 e 10-3≤Te≤102eV , respectivamente. Simultaneamente, na década de 1920, inventou a sonda que hoje leva seu nome e a sonda emissiva12. A sonda emissiva é agora usada principalmente como um diagnóstico do potencial plasmático. Embora não possa medir a amplitude dos parâmetros plasmáticos que a sonda de Langmuir consegue, ela também é um diagnóstico de ampla utilidade quando se trata da medição do potencial plasmático, ou, como às vezes é chamado, do potencial espacial eletrostático. Por exemplo, a sonda emissiva pode medir com precisão potenciais espaciais mesmo no vácuo, onde as sondas Langmuir são incapazes de medir qualquer coisa.

A configuração básica da sonda Langmuir consiste em colocar um eletrodo no plasma e medir a corrente coletada. As características de corrente-tensão (I-V) resultantes podem ser usadas para interpretar parâmetros do plasma, como temperatura eletrônica Te, densidade eletrônica ne potencial de plasma φ13. Para um plasma maxwelliano, a relação entre a corrente eletrônica coletada Ie (considerada positiva) e o viés da sonda VB pode ser expressa como14:

Equation 1

onde Ie0 é a corrente de saturação eletrônica,

Equation 2

e onde S é a área de coleta da sonda, Equation 9 é a densidade eletrônica a granel, e é a carga do elétron, Te é a temperatura do elétron, me é a massa do elétron. A relação teórica das características de I-V para a corrente eletrônica é ilustrada de duas maneiras na Figura 1A e na Figura 1B. Note, Eq. (1a,b) só se aplica a elétrons em massa. No entanto, as correntes de sonda de Langmuir podem detectar fluxos de partículas carregadas, e ajustes devem ser feitos na presença de elétrons primários, feixes de elétrons, feixes de íons etc. Veja Hershkowitz14 para mais detalhes.

A discussão aqui retoma o caso ideal das funções Maxwellianas de distribuição de energia de elétrons (EEDF). É claro que há muitas circunstâncias em que surgem não-idealidades, mas estas não são o objeto deste trabalho. Por exemplo, em sistemas de processamento de materiais de corrosão e deposição de plasma, tipicamente gerados e sustentados por RF, existem estoques de alimentação de gás molecular que produzem radicais químicos voláteis no plasma, e várias espécies de íons, incluindo íons carregados negativamente. O plasma torna-se eletronegativo, ou seja, tem uma fração significativa da carga negativa no plasma quasineutro na forma de íons negativos. Em plasma com neutros moleculares e íons, colisões inelásticas entre elétrons e as espécies moleculares podem produzir quedas15 nas características de corrente-voltagem, e a presença de íons negativos frios, frios em relação aos elétrons, pode produzir distorções significativas16 nas proximidades do potencial plasmático, todas as quais, naturalmente, são características não-maxwellianas. Prosseguimos os experimentos no trabalho discutido neste trabalho em uma única espécie de íon gás nobre (argônio) plasma de descarga DC, livre desses tipos de efeitos não-maxwellianos. No entanto, um EEDF bi-Maxwelliano é tipicamente encontrado nessas descargas, causado pela presença de emissão de elétrons secundários17 das paredes da câmara. Este componente de elétrons mais quentes é tipicamente alguns múltiplos da temperatura do elétron frio, e menos de 1% da densidade, tipicamente facilmente distinguido da densidade eletrônica e temperatura do volume.

À medida que VB se torna mais negativo que φ, os elétrons são parcialmente repelidos pelo potencial negativo da superfície da sonda, e a inclinação do ln(Ie) vs. VB é e/Te, ou seja. 1/TeV onde TeV é a temperatura do elétron em eV, como mostrado na Figura 1B. Depois que TeV é determinado, a densidade plasmática pode ser derivada como:

Equation 3

A corrente iônica é derivada de forma diferente da corrente eletrônica. Os íons são assumidos como "frios" devido à sua massa relativamente grande, Mi >> me, em comparação com a do elétron, assim, em um plasma fracamente ionizado, os íons estão em equilíbrio térmico bastante bom com os átomos de gás neutro, que estão na temperatura da parede. Os íons são repelidos pela bainha da sonda se VB ≥ φ e coletados se VB < φ. A corrente iônica coletada é aproximadamente constante para sondas com viés negativo, enquanto o fluxo de elétrons para a sonda diminui para tensões de polarização da sonda mais negativas do que o potencial plasmático. Como a corrente de saturação eletrônica é muito maior do que a corrente de saturação de íons, a corrente total coletada pela sonda diminui. À medida que o viés da sonda se torna cada vez mais negativo, a queda na corrente coletada é grande ou pequena, pois a temperatura do elétron é fria ou quente, como descrito acima na Eq. (1a). A equação para a corrente iônica nesta aproximação é:

Equation 4

onde

Equation 5

e

Equation 6

Observamos que o fluxo constante de íons coletado pela sonda excede o fluxo de íons térmicos aleatórios devido à aceleração ao longo da pressaude da sonda e, assim, os íons atingem a borda da bainha da sonda à velocidade de Bohm18, uB, ao invés da velocidade térmica do íon19. E os íons têm uma densidade igual aos elétrons, já que a pressaude é quase neutra. Comparando a corrente de saturação de íons e elétrons em Eqn.5 e 2, observamos que a contribuição de íons para a corrente de sonda é menor do que a dos elétrons por um fator de Equation 10. Este fator é de cerca de 108 no caso do plasma de argônio.

Existe um ponto de transição nítido onde a corrente de elétrons passa de exponencial para uma constante, conhecida como "joelho". O viés de sonda no joelho pode ser aproximado como potencial plasmático. No experimento real, esse joelho nunca é afiado, mas arredondado devido ao efeito espaço-carga da sonda, ou seja, a expansão da bainha ao redor da sonda, e também à contaminação da sonda e ao ruído do plasma13.

A técnica da sonda de Langmuir é baseada na corrente de coleta, enquanto a técnica da sonda emissiva é baseada na emissão de corrente. As sondas emissivas não medem nem temperatura nem densidade. Em vez disso, eles fornecem medições precisas do potencial de plasma e podem operar sob uma variedade de situações devido ao fato de que eles são insensíveis aos fluxos de plasma. As teorias e o uso de sondas emissivas são amplamente discutidos na revisão tópica de Sheehan e Hershkowitz20, e suas referências.

Para a densidade plasmática 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3, recomenda-se a técnica do ponto de inflexão no limite de emissão zero, o que significa tomar uma série de traços I-V, cada um com diferentes correntes de aquecimento do filamento, encontrando a tensão de polarização do ponto de inflexão para cada traço I-V, e extrapolar os pontos de inflexão para o limite de emissão zero para obter o potencial de plasma, como mostra a Figura 2.

É uma suposição comum que as técnicas de Langmuir e sonda emissiva concordam no plasma quasineutro, mas discordam na bainha, a região do plasma em contato com o limite em que a carga espacial aparece. O estudo se concentra no potencial plasmático próximo aos limites do plasma, em plasma de baixa temperatura e baixa pressão, em um esforço para testar essa suposição comum. Para comparar as medidas de potencial pela sonda de Langmuir e pela sonda emissiva, o potencial plasmático também é determinado pela aplicação da técnica do ponto de inflexão à sonda de Langmuir I-V, como mostrado na Figura 3. É geralmente aceito1 que o potencial plasmático é encontrado encontrando-se a tensão de polarização da sonda na qual a segunda derivada da corrente coletada se diferencia em relação à tensão de polarização, Equation 11ou seja, o pico da curva dI/dV , com relação à tensão de polarização da sonda. A Figura 3 demonstra como se encontra esse máximo em dI/dV, ponto de inflexão da característica corrente-tensão.

As sondas Langmuir (coletoras) e emissivas (emissoras) possuem características I-V diferentes, que também dependem da geometria da ponta da sonda, como mostra a Figura 4. O efeito de carga espacial da sonda deve ser considerado antes da fabricação da sonda. Nos experimentos, para as sondas planares de Langmuir, utilizou-se um disco planar de tântalo de 1/4". Poderíamos coletar mais corrente e obter sinais maiores com um disco maior. No entanto, para que as análises acima sejam aplicadas, a área da sonda, Ap deve ser mantida menor que a área de perda de elétrons da câmara, Aw, satisfazendo21 a desigualdade Equation 12. Para a sonda cilíndrica de Langmuir, utilizou-se um fio de Tungstênio de 0,025 mm de espessura e 1 cm de comprimento para a sonda cilíndrica de Langmuir e a mesma espessura para o fio de Tungstênio para a sonda emissiva. É importante notar que para sondas cilíndricas de Langmuir, para os parâmetros plasmáticos desses experimentos, o raio da ponta da sonda, rp, é muito menor que seu comprimento, Lp, e menor que o comprimento de Debye, λD; isto é, Equation 13e Equation 14. Nesta faixa de parâmetros, aplicando a teoria de Orbital Motion Limited e o desenvolvimento de Laframboise22 para o caso de elétrons e íons térmicos, verificamos que para tensões de polarização de sonda iguais ou maiores que o potencial plasmático, a corrente eletrônica coletada pode ser parametrizada por uma função da forma Equation 15, onde o expoente Equation 16. O ponto importante aqui é que, para valores desse expoente menores que a unidade, o método do ponto de inflexão para determinação do potencial plasmático, como descrito no parágrafo acima, também se aplica às sondas cilíndricas de Langmuir.

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Protocol

1. Construção de sondas Langmuir e sondas emissivas para caber em uma câmara de vácuo

  1. Sonda planar Langmuir (veja a Figura 5 para obter mais detalhes)
    1. 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°.
    2. Corte o lado não dobrado em um comprimento para que a sonda possa cobrir axialmente mais da metade do comprimento da câmara.
    3. 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.
    4. Use um tubo de latão de 1/2" que se estende para fora dos flanges personalizados através de uma interface de swagelok B-810-1-OR para fornecer suporte axial para o eixo da sonda.
    5. Conecte a extremidade não dobrada do eixo da sonda à carcaça do BNC através de um encaixe de swagelok B-400-1-OR, conforme mostrado na Figura 6.
    6. Encaixe o fio de níquel revestido a ouro através de dois tubos de alumina de furo único (1/8" e 3/16" de diâmetro) com o mais espesso encaixado dentro do eixo da sonda, como mostrado na Figura 7.
    7. Solda pontualmente uma extremidade do fio de níquel revestido a ouro em um pedaço de fio descascado, que é soldado no pino da alimentação BNC na extremidade do eixo da sonda.
    8. Corte o fio revestido a ouro para que a junta com o fio descascado se encaixe dentro do tubo de alumina para evitar curto-circuito com o eixo da sonda.
    9. Perfure uma folha de tântalo para fazer uma ponta plana da sonda de Langmuir (1/4" de diâmetro)
    10. Solda pontualmente a outra extremidade do fio de níquel revestido a ouro na borda da ponta da sonda e ajuste a ponta da sonda para ser normal ao eixo da placa limite.
    11. Posicione a ponta da sonda um pouco para a frente para que o corpo da sonda não toque a placa limite durante as medições dentro da bainha.
    12. Sele todas as juntas com pasta cerâmica (por exemplo, Cimento Sauereisen No. 31) para isolar os componentes do circuito da sonda do plasma. Use uma pistola de calor para assar as juntas cerâmicas por 5-10 min.
    13. Use um multímetro para medir a resistência entre a ponta da sonda e o conector BNC. Se a continuidade for demonstrada, a sonda está pronta para ser colocada na câmara de vácuo.
  2. Construindo uma sonda emissiva cilíndrica (consulte a Figura 8 para obter mais detalhes)
    1. Siga o passo 1.1.1-1.1.4 e repita o passo 1.1.5-1.1.7 no mesmo eixo da sonda duas vezes, com exceção de usar um tubo de alumina de dois furos de 1/8", em vez de um tubo de furo único.
    2. Corte o fio de tungstênio de 0,025 mm de diâmetro para cerca de 1 cm.
    3. Solda pontualmente o filamento de tungstênio em fios revestidos de ouro.
    4. Sele todas as juntas com pasta cerâmica e certifique-se de que a pasta cerâmica não entre no filamento de tungstênio.
    5. Verifique a continuidade entre duas extremidades do BNC.

2. Gerar plasma

  1. Ligue o manômetro de íons para verificar a pressão base antes de colocar gás na câmara. Prossiga com o zeramento do medidor baratron se a pressão estiver na faixa baixa de 10-6 Torr. Caso contrário, verifique o vazamento no sistema. As posições da válvula da agulha e do valor de desligamento são abertas e fechadas, respectivamente.
  2. Use uma chave de fenda de plástico para calibrar o display baratron até que o número flutue entre ±0,01 mTorr.
  3. Feche a válvula da agulha de modo a que fique suavemente assentada numa posição fechada.
  4. Abra a válvula de desligamento. Verifique se não há alteração de pressão na leitura do baratron.
  5. Gire lentamente o botão da válvula da agulha para liberar o gás na câmara até que a pressão atinja o requisito para o experimento. A pressão de trabalho típica deriva de 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr. Os gases de trabalho incluíram argônio, xenônio, criptônio, oxigênio, etc.
  6. Ligue a fonte de alimentação de tensão KEPCO e ajuste a tensão para -60 Volts para fornecer energia eletrônica suficiente para a seção transversal de ionização máxima do argônio. Ligue a fonte de alimentação de aquecimento para os filamentos e ajuste lentamente o nível até que a corrente de descarga leia o valor necessário. A corrente de descarga tende a cair rapidamente nos primeiros minutos. Continue ajustando o nível de corrente por cerca de 30 minutos até que a descarga se estabilize
  7. Conecte a fonte de tensão à placa de contorno e ajuste o viés para o nível desejado.

3. Faça medições

NOTA: Os traços I-V para sondas Langmuir e sondas emissivas são adquiridos por uma placa DAQ de 16 bits controlada por um programa Labview. Os detalhes não são apresentados aqui, uma vez que diferentes usuários têm preferências diferentes para obter os dados. No entanto, há um protocolo de como usar as sondas.

  1. Pegue a linha de carga: obtenha um traço I-V sem qualquer descarga de plasma na câmara com todas as conexões feitas entre a sonda e seu circuito de medição (veja a Figura 9, Figura 10 & Figura 11 para a configuração UW-Madison e USD).
  2. Sondas Langmuir
    1. Limpe a ponta da sonda (esta etapa é crítica, pois uma sonda limpa exibe um "joelho" mais afiado do que uma sonda suja) enviesando a sonda positivamente para coletar uma grande corrente de elétrons.
      1. Desenhe uma corrente através da sonda com uma fonte de alimentação variável e 50 Ohms até o solo da máquina para aquecer a ponta de modo a evaporar a camada de impurezas que se prende imediatamente à superfície da sonda no plasma e aumentar a resistividade superficial da sonda.
      2. Aumentar lentamente o viés positivamente para superar o potencial plasmático, permitindo que a sonda comece a desenhar a corrente de saturação eletrônica.
      3. Continuar a aumentar o potencial; Uma vez que se vê a ponta da sonda brilhando vermelho cereja, a sonda está limpa. É necessário ter uma visão da ponta da sonda no plasma através de um visor a vácuo.
      4. Tenha cuidado e vigilância ao variar o viés na sonda. Se a sonda esquentar demais, a própria ponta da sonda pode ficar deformada, e coisas piores podem acontecer, como a ponta pode ter furos, pode evaporar, pode cair; os fios podem derreter e perder seu isolamento, e assim por diante.
      5. Conecte a sonda ao circuito de aquisição e controle de dados (esta é a parte que irá variar de laboratório para laboratório) e proceda à varredura da tensão aplicada à sonda enquanto mede simultaneamente a corrente puxada pela sonda. Salve o rastreamento I-V.
    2. Conecte a sonda ao circuito de aquisição e controle de dados (esta é a parte que irá variar de laboratório para laboratório) e proceda à varredura da tensão aplicada à sonda enquanto mede simultaneamente a corrente puxada pela sonda. Salve o rastreamento I-V.
  3. Sondas emissivas
    1. Repita a etapa 3.2.2 com o circuito de aquisição de dados e controle da sonda emissiva.

4. Análise dos dados

  1. Sondas Langmuir (Consulte a Figura 12, Figura 13 para obter mais detalhes).
    1. Subtrair a linha de carga da característica I-V total.
    2. Ajustar a corrente de saturação de íons e subtrair as demais características de I-V.
    3. Pegue o registro natural da corrente e plote-o contra a tensão da sonda.
    4. Tome ajustes lineares da região de transição e da corrente de saturação separadamente.
    5. Pegue o inverso da inclinação da região de transição e obtenha o valor da temperatura do elétron.
    6. Obter a densidade do plasma conectando a corrente no cruzamento onde as duas linhas ajustadas se cruzam na Eq.3.
    7. Aplicar a técnica do ponto de inflexão no traço da sonda de Langmuir e determinar o potencial plasmático.
  2. Sonda Emissiva (consulte a Figura 2).
    1. Repita o passo 4.1.1-4.1.2 para características individuais de I-V e, em seguida, suavize cada traço.
    2. Diferencie cada traço I-V e aplique a suavização apropriada.
    3. Localize o pico de cada dI/dV suavizado (ponto de inflexão).
    4. Aplique um ajuste linear aos pontos de inflexão.
    5. Obter o potencial de plasma localizando o cruzamento zero da linha ajustada.

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Representative Results

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 plasmático23. Os potenciais plasmáticos do volume de plasma para a bainha medidos por quatro tipos diferentes de sondas de Langmuir foram comparados com os medidos por uma sonda emissiva para quatro diferentes pressões neutras. As sondas de Langmuir foram construídas em quatro configurações diferentes (ver Figura 14) e foram rotuladas como LPj com j sendo um inteiro de 1 a 4. A sonda de Langmuir cilíndrica é LP1, LP2 , a sonda Langmuir dupla face, LP3, a sonda Langmuir planar com o lado voltado para a placa limite selado por pasta cerâmica, e LP4 representa a sonda Langmuir plana com o lado voltado para longe da placa limite coberta por placa cerâmica. A comparação entre as medidas das sondas de Langmuir e do potencial de sonda emissiva é mostrada na Figura 15.

Sabe-se que, na presheath, os íons fluem em direção ao limite para configurar a estrutura da bainha, e que a velocidade do fluxo iônico varia de zero à velocidade de Bohm 18,20,21. Tentamos descobrir experimentalmente (ver Figura 16C para a montagem experimental) se as sondas de Langmuir usadas para medir potenciais plasmáticos fornecem resultados precisos na pressaúde. Parâmetros plasmáticos como temperatura, densidade, comprimento de Debye e comprimento da bainha de Child-Langmuir, calculados a partir de medidas por LP2 na maior parte do plasma, são mostrados na Tabela 1. Como mencionado acima, tentamos diferentes desenhos de sondas Langmuir, aquelas que eram isolantes de um lado ou de outro, bem como que estavam conduzindo em ambas as faces do disco. Comparamos todas as medidas da sonda de Langmuir com as medidas da sonda emissiva do potencial plasmático. Observamos que todas as sondas de Langmuir mediram potenciais plasmáticos que se desviaram daquele medido por sondas emissivas na pressaúde, com uma diferença positiva em relação ao potencial plasmático medido por sondas emissivas. A diferença aumenta com a proximidade da borda da bainha, crescendo para um valor de muitas temperaturas eletrônicas. A diferença torna-se aparente a uma distância de três ou quatro espessuras da bainha da fronteira. Resultados representativos são mostrados na Figura 15A-C. Essa diferença é um resultado importante. Isso mostra que a suposição comumente sustentada não é geralmente o caso.

Figure 1
Figura 1: Corrente eletrônica coletada por sondas planas de Langmuir. Corrente eletrônica ideal (I,e) versus viés de sonda (V,B), considerando que apenas elétrons volumosos estão presentes em equilíbrio termodinâmico à temperatura T, eV e plotados com eixos verticais como (A) linear e (B) logarítmico. Observe que esses dados são adquiridos subtraindo-se a corrente de íons da corrente de sonda. O potencial plasmático é indicado por φ. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Corrente de sonda emissiva - características de tensão e técnicas de ponto de inflexão. A) Um conjunto amostral de traços I-V por sonda emissiva na escala linear e B) curvas dI/dV suavizadas. C) O potencial do plasma é determinado tomando o ponto de inflexão no limite de emissão zero Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Característica corrente-tensão da sonda de Langmuir e técnica de inflexão para mensuração do potencial plasmático. Potencial plasmático determinado a partir do traço I-V da sonda de Langmuir por B) método do ponto de inflexão Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Características de expansão da bainha para pontas de sonda Langmuir planas, cilíndricas e esféricas para o caso de coleta e emissão. Características I-V normalizadas para as sondas coletoras A) e B) para as sondas emissoras com diferentes geometrias de ponta (plana, cilíndrica e esférica). Este valor foi modificado de Sheehan e Hershkowitz20. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Esquema mecânico da ponta da sonda de Langmuir plana. Uma ponta de tungstênio ou tântalo é soldada pontualmente no fio (fio de níquel banhado a ouro) exposto além da tubulação cerâmica. O passado cerâmico prende o tubo cerâmico ao tubo de aço inoxidável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Corpo da sonda de Langmuir. Mostrado com números de peça e dimensões, o corpo da sonda Langmuir é projetado para vedações a vácuo na parede da câmara de vácuo, no conector do cabo coaxial (não mostrado aqui, consulte a Figura 6 do suplemento) e um selo de vácuo deslizante e rotativo contra o eixo da sonda. Todos os acessórios para tubos estão listados na tabela de materiais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Vistas da fabricação da ponta da sonda Langmuir e conexão ao eixo da sonda. A) Vista traseira e B) vista lateral da sonda planar de Langmuir. A ponta da sonda é soldada pontualmente ao fio de níquel revestido a ouro que passa por dois tubos de alumina com o mais espesso instalado no eixo metálico. Todas as juntas são seladas com pasta cerâmica.

Figure 8
Figura 8: Esquemático de ponta de sonda emissiva. Semelhante à fabricação da sonda Langmuir, o filamento (fio de tungstênio) é soldado pontualmente ao fio de níquel banhado a ouro que se projeta do pequeno tubo cerâmico que cobre cada talo. A cerâmica cobre o fio de níquel exposto e a solda pontual, e prende o tubo cerâmico e ao tubo de aço inoxidável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: Circuitos de medição da sonda Langmuir na UW-Madison. A) Um circuito de medição simplificado para uma sonda Langmuir, B) A placa DAQ e DAC personalizada usada na UW-Madison, e C) seu diagrama de circuito. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 10
Figura 10: Circuitos de medição da sonda Langmuir em USD. A fonte de alimentação do amplificador operacional bipolar (fonte de alimentação de 4 quadrantes) e o circuito construído em casa para interface com DAQ de 16 bits controlado por scripts de computador, usado no USD. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 11
Figura 11: Circuitos de medição de sonda emissiva em UW-Madison e USD. (A) Um diagrama de circuito de medição simplificado para a sonda emissiva, juntamente com (B) um diagrama de blocos para o circuito de aquecimento usado para sondas emissivas em UW-Madison e USD. O circuito de aquecimento é descrito mais detalhadamente em Yan S-L et al.26, a partir do qual esta figura é adaptada. A linha pontilhada indica a caixa do circuito da sonda emissiva, que possui duas entradas, uma para a tensão de aquecimento e outra para a tensão de varredura, e duas saídas, para cabos BNC que se conectam à sonda emissiva. Um circuito de interface entre o circuito de aquecimento e o DAQ usado em USD, em (C). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 12
Figura 12: Diferença entre a corrente da sonda e a corrente eletrônica coletada por uma sonda planar de Langmuir. A) Amostra de corrente coletada vs. viés de sonda. A corrente de saturação de íons é encaixada linearmente de -85 V a -65 V. B) Traço de I-V após a corrente de íons subtraída Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 13
Figura 13: Correntes de elétrons coletadas plotadas em escalas semi-log permitindo medições de têmpera e densidade de elétrons. A) um traço I-V típico em escala semilogarítmica obtido por uma sonda de Langmuir de disco planar de 1/4" B) ajuste linear da região de transição. A temperatura do elétron é determinada como 2,16 eV a partir do ajuste entre -1,9 e -2,2 V. A densidade do plasma é determinada conectando o valor da corrente no cruzamento com a Eq.3. O potencial plasmático VP é determinado desta forma como sendo de cerca de -0,4 V localizando o "joelho", que é o local onde duas linhas de ajuste se cruzam. Um método mais preciso de mensuração do potencial plasmático foi mostrado na figura 3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 14
Figura 14: Detalhe da sonda Langmuir de várias pontas. A) vista frontal e B) vista superior da sonda Langmuir de várias pontas. O sistema (da esquerda para a direita) consiste de uma sonda de Langmuir cilíndrica, uma sonda de Langmuir planar de 2 lados, a sonda planar de Langmuir coberta por pasta cerâmica na frente, a sonda planar de Langmuir coberta na parte de trás. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 15
Figura 15: Resultados comparando várias sondas Langmuir com medidas de sonda emissiva do potencial plasmático próximo a um limite de plasma. Perfis de potencial de plasma para quatro diferentes configurações de sonda Langmuir, e para uma sonda emissiva, são exibidos para quatro pressões neutras diferentes; (A) 0,1 mTorr - (D) 1,0 mTorr. A placa limite que criou a estrutura da bainha no plasma foi enviesada a -100 Volts. A corrente de descarga foi mantida em 1,0 Amp. Este painel de figuras é adaptado da Ref. 23. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 16
Figura 16: Esquema de bombeamento da câmara de vácuo, confinamento magnético e projeto experimental. O esquema de A) sistema de vácuo e B) seção transversal da câmara multidipolar mostrando fileiras de ímãs que ajudam a confinar elétrons emitidos termionicamente, que são mostrados em C) sendo acelerados para a parede da câmara de modo a criar colisões de ionização com os átomos de gás neutro, para fazer e confinar o plasma. Este valor foi parcialmente adaptado da 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

Tabela 1: Parâmetros do plasma para os experimentos descritos na ref. 23, pressão neutra, temperatura e densidade eletrônica, comprimento de Debye e comprimento de Child-Langmuir.

Figura suplementar 1: Filamentos para emissão termiônica. A) A matriz de filamentos de aquecimento e B) a configuração do fio na porta da câmara. Clique aqui para baixar esta figura.

Figura suplementar 2: Fio de suporte da placa limite. Vista lateral da configuração da placa de contorno a partir do visor de vácuo. Por causa do despejo de feixe de laser soldado na placa, a placa é pesada e precisa de apoio de cima para manter sua orientação. O ângulo da placa limite é controlado pelo comprimento do fio. O fio em si é preso a um eixo de sonda Langmuir vazio admitido a partir de uma flange no topo da câmara. Clique aqui para baixar esta figura.

Figura suplementar 3: Fornecimento de viés de placa limite. Configuração da fonte de viés para a placa limite, usada para fornecer um viés negativo levando a uma estrutura de bainha no plasma ao redor da placa limite. Clique aqui para baixar esta figura.

Figura Suplementar 4: Conexões de tubo para uma vedação de vácuo rotativa e traduzível contra o eixo da sonda. As conexões de tubo que vêm com anéis O estão prontamente disponíveis e podem ser usadas para vedações de vácuo rotativas e traduzíveis contra um tubo cilíndrico polido. Eles podem ser melhorados com usinagem leve para aumentar o diâmetro interno no lado oposto à câmara de vácuo. É útil encomendar um encaixe de latão. As ponteiras para tubos de 1/4" são usadas para separar 2 anéis O encaixados no furo e comprimidos com a porca e o empurrador da extremidade Cajon, permitindo que o tubo torça e traduza axialmente, mantendo a vedação a vácuo. Os O-rings são levemente untados com graxa a vácuo. Clique aqui para baixar esta figura.

Figura complementar 5: Sondas de Langmuir para medições no eixo, mas que entram na câmara de vácuo fora do eixo. Sonda Langmuir para câmaras menores antes de todas as juntas seladas com cerâmica. Um tubo de alumina de furo único é inserido no eixo da sonda até que ele se afunde. Clique aqui para baixar esta figura.

Figura suplementar 6: Esquema de vedação a vácuo BNC. A) Um BNC selado a vácuo feedthrough é usado para completar o selo de vácuo para a sonda (conectores BNC duplos e quádruplos também podem ser comprados). B) Um encaixe de tubo de latão para rosca de tubo pode ser usado para se conectar a um encaixe KF que completa a fixação conforme mostrado. Observe também que as alimentações BNC para KF estão disponíveis com 2 e 4 conectores BNC. Flanges personalizados para sondas emissivas que exigem 2 conectores BNC, como os usados na UW-Madison, podem ser evitados se desejado. Clique aqui para baixar esta figura.

Figura Suplementar 7: Diferença entre elevar ou baixar as correntes de aquecimento, consecutivamente. Técnica do ponto de inflexão até o limite de emissão zero por A) alto a baixo aquecimento e B) baixo a alto aquecimento. A pressão é de 0,25 mTorr, a posição da sonda está a 30 mm da placa limite, que é enviesada a -90 Volts. Os pontos de inflexão de alto a baixo aquecimento têm menos espalhados ao redor da linha montada. Clique aqui para baixar esta figura.

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Discussion

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 Langmuir são frequentemente usadas para medir a densidade e temperatura do plasma. O achado do potencial eletrostático plasmático está intimamente relacionado à obtenção dessas duas medidas. As sondas emissivas, por outro lado, são tipicamente usadas apenas para medir o potencial plasmático, e são úteis em uma gama ainda maior de parâmetros plasmáticos. Este trabalho descreve em detalhes como construir e usar as sondas de Langmuir e as sondas emissivas em um ambiente de laboratório no qual uma câmara de vácuo é usada para criar e confinar o plasma de interesse, e discute limitações críticas ao uso de sondas de Langmuir com relação ao seu uso na medição de potenciais de plasma com precisão perto dos limites do plasma onde bainhas e presheaths se formam.

Etapas mais rigorosas de análise de traços de sonda emissiva I-V para obtenção do potencial plasmático utilizando o método do ponto de inflexão no limite de emissão zero são discutidas por Smith et al.27. O usuário controla digitalmente o número de correntes de aquecimento, uma das quais deve ser zero, e coleta uma característica I-V exatamente como a descrita para sondas Langmuir, para cada corrente de aquecimento. Comparando-se o ramo iônico das características I-V para a 'varredura a frio', ou seja, para corrente de aquecimento zero, com todas as outras características (com correntes de aquecimento positivas), pode-se deduzir para conversão analógica Ic, corrente coletada, e Ie, corrente de emissão, respectivamente.  As características I-V são suavizadas e diferenciadas, e então a curva dI/dV também é suavizada e plotada vs. VB. As tensões de polarização dos máximos das curvas dI/dV , que são os pontos de inflexão dos traços I-V, são calculadas e, em seguida, usadas para plotar a razão Ie/Ic vs. Vinfl (tensão de polarização da sonda no ponto de inflexão). Este gráfico é ajustado com uma extrapolação linear para a tensão de polarização onde Ie/Ic vai a zero, e esta tensão de polarização determina Φ. Este procedimento é por vezes chamado de "ponto de inflexão no limite da técnica de emissão zero".

As etapas críticas para a construção de ambas as sondas são explicadas em detalhes, chamando a atenção particularmente para as vedações a vácuo que permitem que os eixos da sonda sejam girados e traduzidos para que as pontas da sonda possam ser posicionadas conforme a necessidade do pesquisador. Indicamos onde as peças adequadas podem ser compradas por fornecedores específicos e onde a usinagem interna pode ser necessária. Também delineamos as etapas básicas da análise, mais como um processo de aplicação da teoria de sonda do que como uma versão dependente de software das etapas de codificação computacional, reconhecendo que cada laboratório pode ter diferentes ferramentas computacionais à sua disposição.

As sondas de Langmuir, como acontece com qualquer diagnóstico, têm limitações importantes, algumas das quais são centrais para as questões físicas que perseguimos nesta comparação de técnicas de sonda, uma comparação que pode ser resumida da seguinte forma: em temperatura relativamente baixa, plasmas de baixa pressão, menos de 10 eV, menos de alguns décimos de Pa de pressão neutra, as medidas planares e cilíndricas do potencial de Langmuir diferem do potencial plasmático verdadeiro na pressaude quasineutra. Mas eles também têm outras limitações. A técnica da sonda de Langmuir é sensível aos fluxos plasmáticos e, dependendo se o fluxo é sinal ou ruído, essa sensibilidade pode ou não ser uma limitação. Além disso, pode haver problemas com emissão de elétrons secundários, problemas com colisionalidade de plasma em plasma de pressão mais alta, problemas com ionização se enviesado muito amplamente, e assim por diante. As sondas emissivas, é claro, não são sensíveis aos fluxos de plasma, o que as torna superiores às sondas de Langmuir na medição do potencial plasmático perto de limites onde as bainhas se formam concomitantemente com fluxos de íons para a fronteira. Uma área ativa de pesquisa sobre superfícies emissoras no limite do plasma persegue a possibilidade de bainhas inversas28 que podem se formar se a emissão for suficientemente forte, e se o cátodo virtual que pode se formar ao redor da superfície emissora puder de fato aprisionar íons. Há algumas evidências que sugerem que bainhas inversas29 poderiam, onde se formam, fazer com que sondas emissivas flutuassem acima do potencial plasmático local. Experimentos recentes com sondas emissivas fortemente emissoras em plasma de maior pressão (Pn > 3 mTorr) do que os experimentos aqui relatados corroboram, em certa medida,30 essa visão. No entanto, para plasma de baixa pressão, baixa temperatura, com correntes de aquecimento modestas, parece que a técnica do ponto de inflexão no limite de emissão zero não é afetada por esse tipo de fenômeno. Finalmente, mencionamos uma última limitação comum às duas técnicas de sonda, a saber, que se o plasma é muito denso e quente as sondas não conseguem sobreviver mecanicamente13, levando aos limites superiores citados na introdução.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

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 errada. Eles meio que se encaixam, mas não estão nos lugares certos. O jogo é colocá-los juntos da maneira certa para descobrir como o mundo funciona.  Ele morreu em 13 de novembro de 2020, aos 79 anos.

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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