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Construcción de sondas Langmuir y sondas emisivas para mediciones de potencial de plasma en plasmas de baja presión y baja 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

El objetivo principal de este trabajo es facilitar a los grupos de investigación que no están familiarizados con las sondas de Langmuir y las sondas emisivas su uso como diagnóstico de plasma, especialmente cerca de los límites del plasma. Para ello, demostramos cómo construir las sondas a partir de materiales y suministros fácilmente disponibles.

Abstract

Las sondas de Langmuir se han utilizado durante mucho tiempo en la investigación experimental de la física del plasma como el diagnóstico principal de los flujos de partículas (es decir, flujos de electrones e iones) y sus concentraciones espaciales locales, para las temperaturas de los electrones y para las mediciones del potencial del plasma electrostático, desde su invención por Langmuir a principios de la década de 1920. Las sondas emisivas se utilizan para medir los potenciales de plasma. Los protocolos expuestos en este trabajo sirven para demostrar cómo se pueden construir estas sondas para su uso en una cámara de vacío en la que se puede confinar y mantener una descarga de plasma. Esto implica técnicas de vacío para construir lo que es esencialmente un paso eléctrico, uno que es giratorio y traducible. Ciertamente, se pueden comprar sistemas completos de sondas Langmuir, pero también pueden ser construidos por el usuario con un considerable ahorro de costos y, al mismo tiempo, adaptarse más directamente a su uso en un experimento en particular. Describimos el uso de sondas Langmuir y sondas emisivas en el mapeo del potencial de plasma electrostático desde el cuerpo del plasma hasta la región de la vaina de un límite de plasma, que en estos experimentos es creado por un electrodo de polarización negativa sumergido dentro del plasma, con el fin de comparar las dos técnicas de diagnóstico y evaluar sus ventajas y debilidades relativas. Aunque las sondas de Langmuir tienen la ventaja de medir la densidad del plasma y la temperatura de los electrones con mayor precisión, las sondas emisivas pueden medir los potenciales electrostáticos del plasma con mayor precisión en todo el plasma, hasta la región de la vaina.

Introduction

Durante este primer siglo de investigación en física del plasma, que data de los descubrimientos de Langmuir en la década de 1920 sobre el comportamiento de un nuevo estado de la materia, el plasma, la sonda Langmuir ha demostrado haber sido el diagnóstico más importante de los parámetros del plasma. Esto es cierto, en parte, debido a su extraordinario rango de aplicabilidad1. En el plasma encontrado por los satélites 2,3,4, en experimentos de procesamiento de semiconductores,5,6,7,8 en los bordes del plasma confinado en tokamaks,9,10,11 y en una amplia gama de experimentos básicos de física del plasma, se han utilizado sondas de Langmuir para medir densidades y temperaturas de plasma que abarcan los rangos de 10 8≤ne≤1019 m-3 y 10-3≤Te≤102eV , respectivamente. Simultáneamente, en la década de 1920, inventó la sonda que ahora lleva su nombre y la sonda emisiva12. La sonda emisiva se utiliza ahora principalmente como diagnóstico del potencial plasmático. Aunque no puede medir la amplitud de los parámetros del plasma que puede medir la sonda Langmuir, también es un diagnóstico de amplia utilidad cuando se trata de la medición del potencial del plasma, o, como a veces se le llama, el potencial espacial electrostático. Por ejemplo, la sonda emisiva puede medir con precisión los potenciales espaciales incluso en el vacío, donde las sondas Langmuir son incapaces de medir nada.

La configuración básica de la sonda Langmuir consiste en colocar un electrodo en el plasma y medir la corriente recolectada. Las características de corriente-voltaje (I-V) resultantes se pueden utilizar para interpretar parámetros de plasma como la temperatura de los electrones Te, la densidad de electrones ne y el potencial del plasma φ13. Para un plasma maxwelliano, la relación entre la corriente de electrones recolectada Ie (tomada como positiva) y el sesgo de la sonda VB se puede expresar como14:

Equation 1

donde Ie0 es la corriente de saturación de electrones,

Equation 2

y donde S es el área colectora de la sonda, Equation 9 es la densidad de electrones a granel, e es la carga del electrón, Te es la temperatura del electrón, me es la masa del electrón. La relación teórica de las características I-V para la corriente de electrones se ilustra de dos maneras en la Figura 1A y la Figura 1B. Tenga en cuenta que la Ec. (1a,b) solo se aplica a los electrones a granel. Sin embargo, las corrientes de la sonda Langmuir pueden detectar flujos de partículas cargadas, y se deben realizar ajustes en presencia de electrones primarios, haces de electrones o haces de iones, etc. Véase Hershkowitz14 para más detalles.

La discusión aquí toma el caso ideal de las funciones de distribución de energía de electrones (EEDF) de Maxwell. Por supuesto, hay muchas circunstancias en las que surgen las no-idealidades, pero éstas no son el tema de este trabajo. Por ejemplo, en los sistemas de plasma de grabado y deposición de procesamiento de materiales, generalmente generados y sostenidos por RF, hay materias primas de gas molecular que producen radicales químicos volátiles en el plasma y múltiples especies de iones, incluidos iones cargados negativamente. El plasma se vuelve electronegativo, es decir, tiene una fracción significativa de la carga negativa en el plasma cuasineutro en forma de iones negativos. En el plasma con neutros moleculares e iones, las colisiones inelásticas entre los electrones y las especies moleculares pueden producir caídas15 en las características corriente-voltaje, y la presencia de iones negativos fríos, fríos en relación con los electrones, puede producir distorsiones significativas16 en la vecindad del potencial del plasma, todas las cuales, por supuesto, son características no maxwellianas. Llevamos a cabo los experimentos en el trabajo discutido en este artículo en un plasma de descarga de CC de gas noble (argón) de una sola especie de iones, libre de este tipo de efectos no maxwellianos. Sin embargo, en estas descargas se encuentra típicamente un EEDF bi-Maxwelliano, causado por la presencia de emisión secundaria de electrones17 de las paredes de la cámara. Este componente de los electrones más calientes suele ser un par de múltiplos de la temperatura del electrón frío y menos del 1% de la densidad, normalmente fácilmente distinguible de la densidad y la temperatura de los electrones a granel.

A medida que VB se vuelve más negativo que φ, los electrones son parcialmente repelidos por el potencial negativo de la superficie de la sonda, y la pendiente del ln(Ie) frente a VB es e/Te, es decir. 1/TeV donde TeV es la temperatura del electrón en eV, como se muestra en la Figura 1B. Una vez que se determina TeV , la densidad plasmática se puede derivar como:

Equation 3

La corriente iónica se deriva de manera diferente a la corriente de electrones. Se supone que los iones son "fríos" debido a su masa relativamente grande, Mi >> me, en comparación con la del electrón, por lo tanto, en un plasma débilmente ionizado, los iones están en un equilibrio térmico bastante bueno con los átomos de gas neutro, que están a la temperatura de la pared. Los iones son repelidos por la vaina de la sonda si VB ≥ φ y recogidos si VB < φ. La corriente de iones recolectada es aproximadamente constante para las sondas con polarización negativa, mientras que el flujo de electrones a la sonda disminuye para los voltajes de polarización de la sonda más negativos que el potencial del plasma. Dado que la corriente de saturación de electrones es mucho mayor que la corriente de saturación de iones, la corriente total recogida por la sonda disminuye. A medida que el sesgo de la sonda se vuelve cada vez más negativo, la caída en la corriente recolectada es grande o pequeña a medida que la temperatura del electrón es fría o caliente, como se describió anteriormente en la Ec. (1a). La ecuación para la corriente iónica en esta aproximación es:

Equation 4

Dónde

Equation 5

y

Equation 6

Observamos que el flujo iónico constante recogido por la sonda excede el flujo iónico térmico aleatorio debido a la aceleración a lo largo de la prevaina de la sonda y, por lo tanto, los iones alcanzan el borde de la vaina de la sonda a la velocidad de Bohm18, uB, en lugar de la velocidad térmica iónica19. Y los iones tienen una densidad igual a la de los electrones, ya que la vaina es cuasineutra. Comparando la corriente de saturación de iones y electrones en las Ec.5 y 2, observamos que la contribución de iones a la corriente de la sonda es menor que la de los electrones por un factor de Equation 10. Este factor es de aproximadamente 108 en el caso del plasma de argón.

Hay un punto de transición brusco en el que la corriente de electrones pasa de exponencial a constante, conocida como "rodilla". El sesgo de la sonda en la rodilla se puede aproximar como el potencial plasmático. En el experimento real, esta rodilla nunca es afilada, sino redondeada debido al efecto de carga espacial de la sonda, es decir, la expansión de la vaina que rodea a la sonda, y también a la contaminación de la sonda y el ruido del plasma13.

La técnica de la sonda de Langmuir se basa en la corriente de recogida, mientras que la técnica de la sonda emisiva se basa en la emisión de corriente. Las sondas emisivas no miden ni la temperatura ni la densidad. En cambio, proporcionan mediciones precisas del potencial de plasma y pueden operar en una variedad de situaciones debido al hecho de que son insensibles a los flujos de plasma. Las teorías y el uso de las sondas emisivas se discuten ampliamente en la revisión temática de Sheehan y Hershkowitz20, y las referencias en ella.

Para la densidad del plasma 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3, se recomienda la técnica del punto de inflexión en el límite de emisión cero, lo que significa tomar una serie de trazas I-V, cada una con diferentes corrientes de calentamiento del filamento, encontrando el voltaje de polarización del punto de inflexión para cada traza I-V, y extrapolar los puntos de inflexión al límite de emisión cero para obtener el potencial del plasma, como se muestra en la Figura 2.

Es una suposición común que las técnicas de Langmuir y de sonda emisiva concuerdan en el plasma cuasineutro, pero no están de acuerdo en la vaina, la región del plasma en contacto con el límite en el que aparece la carga espacial. El estudio se centra en el potencial plasmático cerca de los límites del plasma, en plasma de baja temperatura y baja presión, en un esfuerzo por probar esta suposición común. Para comparar las mediciones potenciales tanto de la sonda Langmuir como de la sonda emisiva, el potencial plasmático también se determina aplicando la técnica del punto de inflexión a la sonda Langmuir I-V, como se muestra en la Figura 3. Generalmente se acepta1 que el potencial de plasma se encuentra encontrando el voltaje de polarización de la sonda al que se diferencia la segunda derivada de la corriente recolectada con respecto al voltaje de polarización, Equation 11es decir, el pico de la curva dI/dV , con respecto al voltaje de polarización de la sonda. La Figura 3 muestra cómo se encuentra este máximo en dI/dV, el punto de inflexión de la característica corriente-voltaje.

Las sondas Langmuir (colectoras) y las sondas emisivas (emisoras) tienen diferentes características I-V, que también dependen de la geometría de la punta de la sonda, como se muestra en la Figura 4. El efecto de carga espacial de la sonda debe considerarse antes de la fabricación de la sonda. En los experimentos, para las sondas planas de Langmuir, utilizamos un disco plano de tantalio de 1/4". Podríamos recolectar más corriente y obtener señales más grandes con un disco más grande. Sin embargo, para que los análisis anteriores se apliquen, el área de la sonda, Ap debe mantenerse más pequeña que el área de pérdida de electrones de la cámara, Aw, satisfaciendo21 la desigualdad Equation 12. Para la sonda cilíndrica Langmuir, utilizamos un alambre de tungsteno de 0,025 mm de espesor y 1 cm de largo para la sonda cilíndrica Langmuir y un mismo grosor para el alambre de tungsteno para la sonda emisiva. Es importante tener en cuenta que para las sondas cilíndricas de Langmuir, para los parámetros de plasma de estos experimentos, el radio de la punta de la sonda, rp, es mucho menor que su longitud, Lp, y menor que la longitud de Debye, λD; es decir, Equation 13, y Equation 14. En este rango de parámetros, aplicando la teoría del Movimiento Orbital Limitado y el desarrollo de Laframboise de la misma22 para el caso de electrones e iones térmicos, encontramos que para voltajes de polarización de sonda iguales o mayores que el potencial de plasma, la corriente de electrones recolectada puede ser parametrizada por una función de la forma Equation 15, donde el exponente Equation 16. El punto importante aquí es que para valores de este exponente menores que la unidad, el método del punto de inflexión para determinar el potencial plasmático, como se describe en el párrafo anterior, también se aplica a las sondas cilíndricas de Langmuir.

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Protocol

1. Construcción de sondas Langmuir y sondas emisivas para que quepan en una cámara de vacío

  1. Sonda plana de Langmuir (consulte la Figura 5 para obtener más detalles)
    1. Tome un tubo de acero inoxidable de 1/4" de diámetro como eje de la sonda y doble un extremo al ángulo deseado de 90°.
    2. Corte el lado no doblado a una longitud para que la sonda pueda cubrir axialmente más de la mitad de la longitud de la cámara.
    3. Coloque el lado no doblado del eje a través del tubo de latón mediante un adaptador SS-4-UT-A-8 en combinación con un accesorio de tubo de unión B-810-6.
    4. Utilice un tubo de latón de 1/2" que se extienda fuera de las bridas personalizadas a través de una interfaz swagelok B-810-1-OR para proporcionar soporte axial para el eje de la sonda.
    5. Conecte el extremo no doblado del eje de la sonda a la carcasa BNC a través de un accesorio swagelok B-400-1-OR, como se muestra en la Figura 6.
    6. Coloque el alambre de níquel recubierto de oro a través de dos tubos de alúmina de un solo orificio (1/8" y 3/16" de diámetro) con el más grueso dentro del eje de la sonda, como se muestra en la Figura 7.
    7. Suelde por puntos un extremo de alambre de níquel recubierto de oro en un trozo de alambre pelado, que se suelda en el pasador del paso BNC en el extremo del eje de la sonda.
    8. Corte el alambre recubierto de oro a la longitud tal que la unión con el cable pelado encaje dentro del tubo de alúmina para evitar cortocircuitos con el eje de la sonda.
    9. Perfore una lámina de tantalio para hacer una punta de sonda Langmuir plana (1/4" de diámetro)
    10. Suelde por puntos el otro extremo del alambre de níquel recubierto de oro en el borde de la punta de la sonda y ajuste la punta de la sonda para que sea normal al eje de la placa delimitadora.
    11. Coloque la punta de la sonda un poco hacia adelante para que el cuerpo de la sonda no toque la placa delimitadora mientras toma medidas dentro de la funda.
    12. Selle todas las juntas con pasta cerámica (por ejemplo, cemento Sauereisen n.º 31) para aislar los componentes del circuito de la sonda del plasma. Use una pistola de calor para hornear las juntas de cerámica durante 5-10 minutos.
    13. Utilice un multímetro para medir la resistencia entre la punta de la sonda y el conector BNC. Si se demuestra la continuidad, la sonda está lista para ser colocada en la cámara de vacío.
  2. Construcción de una sonda emisiva cilíndrica (consulte la Figura 8 para obtener más detalles)
    1. Siga los pasos 1.1.1-1.1.4 y repita los pasos 1.1.5-1.1.7 en el mismo eje de la sonda dos veces, con la excepción de usar un tubo de alúmina de 1/8", de dos orificios en lugar de uno de un solo orificio.
    2. Corta el alambre de tungsteno de 0,025 mm de diámetro a aproximadamente 1 cm.
    3. Suelde por puntos el filamento de tungsteno en alambres recubiertos de oro.
    4. Selle todas las juntas con pasta cerámica y asegúrese de que la pasta cerámica no entre en contacto con el filamento de tungsteno.
    5. Compruebe la continuidad entre dos extremos BNC.

2. Generar plasma

  1. Encienda el medidor de iones para verificar la presión base antes de poner gas en la cámara. Proceda con la puesta a cero del manómetro de baratron si la presión está en el rango bajo de 10-6 Torr. De lo contrario, verifique la fuga en el sistema. Las posiciones de la válvula de aguja y el valor de cierre son abierto y cerrado, respectivamente.
  2. Utilice un destornillador de plástico para calibrar la pantalla del baratron hasta que el número flote entre ±0,01 mTorr.
  3. Cierre la válvula de aguja para que quede suavemente asentada en una posición cerrada.
  4. Abra la válvula de cierre. Compruebe que no haya ningún cambio de presión en la lectura del baratron.
  5. Gire lentamente la perilla de la válvula de aguja para liberar el gas en la cámara hasta que la presión alcance el requisito para el experimento. La presión de trabajo típica vástago de 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr. Los gases de trabajo han incluido argón, xenón, criptón, oxígeno, etc.
  6. Encienda la fuente de alimentación de voltaje KEPCO y ajuste el voltaje a -60 voltios para proporcionar suficiente energía de electrones para la sección transversal de ionización máxima del argón. Encienda la fuente de alimentación de calefacción para los filamentos y ajuste lentamente el nivel hasta que la corriente de descarga lea el valor requerido. La corriente de descarga tiende a disminuir rápidamente en los primeros minutos. Siga ajustando el nivel de corriente durante unos 30 minutos hasta que la descarga se estabilice
  7. Conecte el suministro de voltaje a la placa delimitadora y ajuste la polarización al nivel deseado.

3. Toma medidas

NOTA: Las trazas I-V para las sondas Langmuir y las sondas emisivas son adquiridas por una placa DAQ de 16 bits controlada por un programa Labview. Los detalles no se presentan aquí, ya que los diferentes usuarios tienen diferentes preferencias para tomar los datos. Sin embargo, existe un protocolo sobre cómo usar las sondas.

  1. Tome la línea de carga: obtenga una traza I-V sin ninguna descarga de plasma en la cámara con todas las conexiones realizadas entre la sonda y su circuito de medición (consulte la Figura 9, la Figura 10 y la Figura 11 para la configuración UW-Madison y USD).
  2. Sondas Langmuir
    1. Limpie la punta de la sonda (este paso es crítico, ya que una sonda limpia exhibe una "rodilla" más afilada que una sonda sucia) polarizando la sonda positivamente para recolectar una gran corriente de electrones.
      1. Extraiga una corriente a través de la sonda con una fuente de alimentación variable y 50 ohmios a tierra de la máquina para calentar la punta y evaporar la capa de impurezas que se adhiere inmediatamente a la superficie de la sonda en el plasma y aumentar la resistividad superficial de la sonda.
      2. Aumente lentamente el sesgo positivo para superar el potencial de plasma, lo que permite que la sonda comience a extraer la corriente de saturación de electrones.
      3. Continuar elevando el potencial; Una vez que uno ve que la punta de la sonda brilla de color rojo cereza, la sonda está limpia. Es necesario tener una vista de la punta de la sonda en el plasma a través de una ventana de visualización de vacío.
      4. Tenga cuidado y esté atento al variar el sesgo de la sonda. Si se permite que la sonda se caliente demasiado, la punta de la sonda podría deformarse y pueden suceder cosas peores, como que la punta tenga agujeros, se evapore, se caiga; Los cables podrían derretirse y perder su aislamiento, y así sucesivamente.
      5. Conecte la sonda al circuito de adquisición y control de datos (esta es la parte que variará de un laboratorio a otro) y proceda a barrer el voltaje aplicado a la sonda mientras mide simultáneamente la corriente consumida por la sonda. Guarde el seguimiento I-V.
    2. Conecte la sonda al circuito de adquisición y control de datos (esta es la parte que variará de un laboratorio a otro) y proceda a barrer el voltaje aplicado a la sonda mientras mide simultáneamente la corriente consumida por la sonda. Guarde el seguimiento I-V.
  3. Sondas emisivas
    1. Repita el paso 3.2.2 con el circuito de adquisición y control de datos de la sonda emisiva.

4. Análisis de datos

  1. Sondas Langmuir (consulte la Figura 12, Figura 13 para obtener más detalles).
    1. Reste la línea de carga de la característica I-V total.
    2. Ajuste la corriente de saturación de iones y reste de las características I-V restantes.
    3. Tome el registro natural de corriente y represúrelo contra el voltaje de la sonda.
    4. Tome los ajustes lineales de la región de transición y la corriente de saturación por separado.
    5. Tome la inversa de la pendiente de la región de transición y obtenga el valor de temperatura del electrón.
    6. Obtenga la densidad del plasma conectando la corriente en el cruce donde las dos líneas ajustadas se cruzan entre sí en la Ec.3.
    7. Aplicar la técnica del punto de inflexión a la traza de la sonda Langmuir y determinar el potencial plasmático.
  2. Sonda emisiva (consulte la Figura 2).
    1. Repita los pasos 4.1.1-4.1.2 para las características I-V individuales y, a continuación, alise cada trazo.
    2. Diferencie cada trazo I-V y aplique el suavizado adecuado.
    3. Localice el pico de cada dI/dV suavizado (punto de inflexión).
    4. Aplique un ajuste lineal a los puntos de inflexión.
    5. Obtener el potencial de plasma localizando el cruce por cero de la línea ajustada.

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Representative Results

Hasta ahora se ha considerado que las sondas de Langmuir, conocidas por ser sensibles a los flujos y a la energía cinética de las partículas que recogen, proporcionan una medición válida del potencial del plasma, excepto en vainas. Sin embargo, las comparaciones directas de los potenciales plasmáticos medidos por las sondas de Langmuir y las sondas emisivas han demostrado que en la región cuasineutral de la prevaina del plasma inmediatamente en contacto con la vaina del lado del plasma, las sondas de Langmuir no proporcionan mediciones precisas del potencial plasmático23. Se compararon los potenciales de plasma de plasma a granel en la vaina medidos por cuatro tipos diferentes de sondas de Langmuir con los medidos por una sonda emisiva para cuatro presiones neutras diferentes. Las sondas de Langmuir se construyeron en cuatro configuraciones diferentes (véase la Figura 14) y se etiquetaron como LPj , siendo j un número entero de 1 a 4. La sonda cilíndrica Langmuir es LP1, LP2 , la sonda Langmuir de doble cara, LP3, la sonda Langmuir plana con el lado que mira hacia la placa delimitadora sellada con pasta cerámica, y LP4 representa la sonda Langmuir plana con el lado opuesto a la placa delimitadora cubierta por una placa de cerámica. La comparación entre las sondas de Langmuir y las mediciones de potencial de la sonda emisiva se muestra en la Figura 15.

Es bien sabido que en la prevaina, los iones fluyen hacia el límite para establecer la estructura de la vaina, y que la velocidad del flujo de iones oscila entre cero y la velocidad de Bohm 18,20,21. Intentamos averiguar experimentalmente (véase la Figura 16C para la configuración experimental) si las sondas Langmuir utilizadas para medir los potenciales de plasma dan resultados precisos en la vaina. En la Tabla 1 se muestran parámetros plasmáticos como la temperatura, la densidad, las longitudes de Debye y las longitudes de la vaina de Child-Langmuir, calculadas a partir de mediciones por LP2 en la mayor parte del plasma. Como se mencionó anteriormente, probamos diferentes diseños de sondas Langmuir, unas que eran aislantes en un lado u otro, así como que conducían en ambas caras del disco. Comparamos todas las mediciones de la sonda Langmuir con las mediciones de la sonda emisiva del potencial plasmático. Encontramos que todas las sondas de Langmuir midieron potenciales de plasma que se desviaron de los medidos por sondas emisivas en la funda, con una diferencia que es positiva en relación con el potencial de plasma medido por sondas emisivas. La diferencia se amplía con la proximidad al borde de la vaina, creciendo a un valor de muchas temperaturas de electrones. La diferencia se hace evidente a una distancia de tres o cuatro espesores de vaina del límite. Los resultados representativos se muestran en la Figura 15A-C. Esta diferencia es un resultado importante. Esto muestra que la suposición comúnmente aceptada no es generalmente el caso.

Figure 1
Figura 1: Corriente de electrones recogida por sondas planas de Langmuir. Corriente de electrones ideal (Ie) frente a polarización de la sonda (VB) considerando que solo los electrones a granel están presentes en equilibrio termodinámico a temperatura TeV y se representan con ejes verticales como (A) lineal y (B) logarítmico. Tenga en cuenta que estos datos se adquieren restando la corriente iónica de la corriente de la sonda. El potencial plasmático está indicado por φ. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Corriente de la sonda emisiva: características de voltaje y técnicas de punto de inflexión. A) Un conjunto de muestras de trazas I-V mediante sonda emisiva en la escala lineal y B) curvas dI/dV suavizadas. C) El potencial de plasma se determina tomando el punto de inflexión en el límite de emisión cero Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Característica corriente-voltaje de la sonda Langmuir y técnica de inflexión para la medición del potencial de plasma. Potencial de plasma determinado a partir de la traza I-V de la sonda A) Langmuir por B) método del punto de inflexión Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Características de expansión de la vaina para puntas de sonda Langmuir planas, cilíndricas y esféricas para el caso de recolección y emisión. Características I-V normalizadas para las sondas colectoras A) y B) las sondas emisoras con diferentes geometrías de punta (plana, cilíndrica y esférica). Esta cifra ha sido modificada a partir de Sheehan y Hershkowitz20. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Esquema mecánico de la punta de la sonda plana de Langmuir. Una punta de tungsteno o tantalio se suelda por puntos en el alambre (alambre de níquel chapado en oro) expuesto más allá de la tubería de cerámica. El pasado cerámico sujeta el tubo cerámico al tubo de acero inoxidable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Cuerpo de la sonda Langmuir. El cuerpo de la sonda Langmuir, que se muestra con números de pieza y dimensiones, está diseñado para sellos de vacío en la pared de la cámara de vacío, en el conector del cable coaxial (no se muestra aquí, consulte la Figura 6 del suplemento) y un sello de vacío giratorio y deslizante contra el eje de la sonda. Todos los accesorios de tubo se enumeran en la tabla de materiales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Vistas de la fabricación de la punta de la sonda Langmuir y la conexión al eje de la sonda. A) Vista posterior y B) vista lateral de la sonda plana de Langmuir. La punta de la sonda está soldada por puntos al alambre de níquel recubierto de oro que pasa a través de dos tubos de alúmina, con el más grueso instalado en el eje de metal. Todas las juntas están selladas con pasta cerámica.

Figure 8
Figura 8: Esquema de la punta de la sonda emisiva. Similar a la fabricación de sondas Langmuir, el filamento (alambre de tungsteno) se suelda por puntos al alambre de níquel chapado en oro que sobresale del pequeño tubo de cerámica que cubre cada tallo. El pasado cerámico cubre el alambre de níquel expuesto y la soldadura por puntos, y sujeta la tubería de cerámica entre sí y a la tubería de acero inoxidable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9: Circuitos de medición de la sonda Langmuir en la Universidad de Wisconsin-Madison. A) Un circuito de medición simplificado para una sonda Langmuir, B) La placa DAQ y DAC hecha a medida utilizada en UW-Madison, y C) su diagrama de circuito. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 10
Figura 10: Circuitos de medición de la sonda Langmuir en USD. La fuente de alimentación del amplificador operacional bipolar (fuente de alimentación de 4 cuadrantes) y el circuito casero para interactuar con DAQ de 16 bits controlado por scripts de computadora, utilizados en el USD. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 11
Figura 11: Circuitos de medición de sondas emisivas en UW-Madison y USD. (A) Un diagrama de circuito de medición simplificado para la sonda emisiva, junto con (B) un diagrama de bloques para el circuito de calefacción utilizado para las sondas emisivas tanto en UW-Madison como en USD. El circuito de calefacción se describe con más detalle en Yan S-L et al.26, de donde se adapta esta figura. La línea punteada indica la caja del circuito de la sonda emisiva, que tiene dos entradas, una para el voltaje de calentamiento y otra para el voltaje de barrido, y dos salidas, para los cables BNC que se conectan a la sonda emisiva. Un circuito de interfaz entre el circuito de calefacción y el DAQ utilizado en USD, en (C). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 12
Figura 12: La diferencia entre la corriente de la sonda y la corriente de electrones recogida por una sonda plana de Langmuir. A) Muestra de corriente recolectada vs. sesgo de sonda. La corriente de saturación de iones se ajusta linealmente de -85 V a -65 V. B) Traza I-V después de restar la corriente de iones Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 13
Figura 13: Corrientes de electrones recogidas trazadas en escalas semilogarítmicas que permiten mediciones de temple y densidad de electrones. A) una traza I-V típica en una escala semilogarítmica obtenida por una sonda Langmuir de disco plano de 1/4" B) ajuste lineal de la región de transición. La temperatura del electrón se determina como 2,16 eV a partir del ajuste entre -1,9 y -2,2 V. La densidad del plasma se determina conectando el valor de la corriente en el cruce en la Ec.3. De esta manera, se determina que el potencial plasmático VP es de aproximadamente -0,4 V ubicando la "rodilla", que es el lugar donde se cruzan dos líneas de ajuste. En la figura 3 se muestra un método más preciso para medir el potencial plasmático. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 14
Figura 14: Detalle de la sonda Langmuir de punta múltiple. A) vista frontal y B) vista superior de la sonda Langmuir de múltiples puntas. El sistema (de izquierda a derecha) consta de una sonda Langmuir cilíndrica, una sonda Langmuir plana de 2 lados, la sonda Langmuir plana cubierta por pasta cerámica en la parte delantera, la sonda Langmuir plana cubierta en la parte posterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 15
Figura 15: Resultados que comparan varias sondas Langmuir con mediciones de sondas emisivas del potencial plasmático cerca de un límite de plasma. Los perfiles de potencial de plasma para cuatro configuraciones diferentes de sonda Langmuir, y para una sonda emisiva, se muestran para cuatro presiones neutras diferentes; (A) 0,1 mTorr - (D) 1,0 mTorr. La placa delimitadora que creó la estructura de la vaina en el plasma estaba sesgada a -100 voltios. La corriente de descarga se mantuvo en 1,0 amperios. Este panel de figuras es una adaptación de la Ref. 23. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 16
Figura 16: Esquema de bombeo de la cámara de vacío, confinamiento magnético y configuración del diseño experimental. El esquema de A) el sistema de vacío y B) la sección transversal de la cámara multidipolar que muestra filas de imanes que ayudan a confinar los electrones emitidos térmicamente, que se muestran en C) que se aceleran a la pared de la cámara para crear colisiones de ionización con los átomos de gas neutro, para hacer y confinar el plasma. Esta figura fue en parte adaptada de la 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

Tabla 1: Parámetros de plasma para los experimentos descritos en la ref. 23, presión neutra, temperatura y densidad de electrones, longitud de Debye y longitud de Child-Langmuir.

Figura suplementaria 1: Filamentos para emisión termoiónica. A) La matriz de filamentos calefactores y B) la configuración del cable en la puerta de la cámara. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Figura complementaria 2: Alambre de soporte de la placa delimitadora. Vista lateral de la configuración de la placa delimitadora desde la ventana gráfica de vacío. Debido a la descarga del rayo láser soldada a la placa, la placa es pesada y necesita soporte desde arriba para mantener su orientación. El ángulo de la placa delimitadora está controlado por la longitud del cable. El cable en sí está conectado a un eje de sonda Langmuir vacío admitido desde una brida en la parte superior de la cámara. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Figura suplementaria 3: Suministro de polarización de la placa delimitadora. Configuración de suministro de polarización para la placa límite, utilizada para proporcionar una polarización negativa que conduce a una estructura de vaina en el plasma que rodea la placa límite. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Figura complementaria 4: Accesorios de tubo para un sello de vacío giratorio y traducible contra el eje de la sonda. Los accesorios para tubos que vienen con juntas tóricas están fácilmente disponibles y se pueden usar para sellos de vacío giratorios y traducibles contra un tubo cilíndrico pulido. Se pueden mejorar con un mecanizado ligero para aumentar el diámetro interior en el lado opuesto a la cámara de vacío. Es útil pedir un accesorio de latón. Las férulas para tubos de 1/4" se utilizan para separar 2 juntas tóricas que encajan en el orificio y se comprimen con la tuerca del extremo del cajón y el empujador, lo que permite que el tubo se tuerza y se traslade axialmente mientras se mantiene el sello de vacío. Las juntas tóricas están ligeramente engrasadas con grasa de vacío. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Figura complementaria 5: Sondas Langmuir para mediciones en el eje, pero que entran en la cámara de vacío fuera del eje. Sonda Langmuir para cámaras más pequeñas antes de todas las juntas selladas con cerámica. Se inserta un tubo de alúmina de un solo orificio en el eje de la sonda hasta que toca fondo. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Figura complementaria 6: Esquema de sellado al vacío BNC. A) Se utiliza un paso de BNC a KF sellado al vacío para completar el sello de vacío de la sonda (también se pueden comprar conectores BNC dobles y cuádruples). B) Se puede usar un accesorio roscado de tubo a tubería de latón para conectarse a un accesorio KF que complete el accesorio como se muestra. También tenga en cuenta que los pasamuros BNC a KF están disponibles con conectores BNC 2 y 4. Las bridas personalizadas para sondas emisivas que requieren 2 conectores BNC, como las que se usan en UW-Madison, se pueden evitar si se desea. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Figura complementaria 7: La diferencia entre subir o bajar las corrientes de calentamiento, consecutivamente. Técnica de punto de inflexión hasta el límite de cero emisiones por A) calentamiento alto a bajo y B) calentamiento bajo a alto. La presión es de 0,25 mTorr, la posición de la sonda está a 30 mm de la placa delimitadora, que está polarizada a -90 voltios. Los puntos de inflexión de alto a bajo calentamiento tienen menos dispersión alrededor de la línea instalada. Haga clic aquí para descargar esta figura.

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Discussion

Las sondas de Langmuir se utilizan para medir el flujo de partículas en un rango extraordinariamente amplio de densidades y temperaturas de plasma, desde plasmas espaciales en los que la densidad de electrones es de unas pocas partículas de 106 m-3 hasta la región de borde de los plasmas de fusión donde la densidad de electrones es más bien de unas pocas veces 1020 m-3. Además, se han diagnosticado temperaturas de electrones entre 0,1 y unos pocos cientos de eV con sondas de Langmuir. Las sondas Langmuir se utilizan a menudo para medir la densidad y la temperatura del plasma. Encontrar el potencial de plasma electrostático está íntimamente relacionado con la obtención de esas dos mediciones. Las sondas emisivas, por otro lado, se utilizan normalmente únicamente para medir el potencial del plasma, y se utilizan en una gama aún más amplia de parámetros del plasma. Este trabajo describe en detalle cómo construir y utilizar tanto las sondas de Langmuir como las sondas emisivas en un entorno de laboratorio en el que se utiliza una cámara de vacío para crear y confinar el plasma de interés, y discute las limitaciones críticas para el uso de las sondas de Langmuir con respecto a su uso en la medición precisa de los potenciales de plasma cerca de los límites del plasma donde se forman las vainas y las prevainas.

Smith et al.27 discuten los pasos más rigurosos del análisis de las trazas I-V de la sonda emisiva para obtener el potencial del plasma utilizando el método del punto de inflexión en el límite de emisión cero.27. El usuario controla digitalmente el número de corrientes de calentamiento, una de las cuales debe ser cero, y recoge una característica I-V como la descrita para las sondas Langmuir, para cada corriente de calentamiento. Al comparar la rama iónica de las características I-V para el 'barrido en frío', es decir, para la corriente de calentamiento cero, con todas las demás características (con corrientes de calentamiento positivas), se puede deducir a conversión analógica Ic, corriente recolectada, e Ie, corriente de emisión, respectivamente.  Las características I-V se suavizan y diferencian, y luego la curva dI/dV también se suaviza y se traza frente a VB. Se calculan los voltajes de polarización de los máximos de las curvas dI/dV , que son los puntos de inflexión de las trazas I-V, y luego se utilizan para trazar la relación Ie/Ic frente a Vinfl (voltaje de polarización de la sonda en el punto de inflexión). Este gráfico se ajusta con una extrapolación lineal a la tensión de polarización donde Ie/Ic tiende a cero, y esta tensión de polarización determina Φ. Este procedimiento se denomina a veces la técnica del "punto de inflexión en el límite de emisión cero".

Los pasos críticos para la construcción de ambas sondas se explican en detalle, en particular llamando la atención sobre los sellos de vacío que permiten que los ejes de la sonda se giren y trasladen para que las puntas de la sonda puedan colocarse según sea necesario para el investigador. Hemos indicado dónde se pueden comprar las piezas adecuadas por parte de determinados proveedores y dónde puede ser necesario el mecanizado interno. También hemos esbozado los pasos básicos del análisis, más como un proceso de aplicación de la teoría de la sonda que como una versión dependiente del software de los pasos de codificación computacional, reconociendo que cada laboratorio puede tener diferentes herramientas computacionales a su disposición.

Las sondas de Langmuir, como ocurre con cualquier diagnóstico, tienen importantes limitaciones, algunas de las cuales son centrales para las cuestiones físicas que hemos abordado en esta comparación de técnicas de sonda, una comparación que puede resumirse brevemente de la siguiente manera: en plasmas de baja temperatura y baja presión, menos de 10 eV, menos de unas pocas décimas de Pa de presión neutra, Las mediciones de potencial de la sonda Langmuir plana y cilíndrica difieren del potencial real del plasma en la vaina cuasineutra. Pero también tienen otras limitaciones. La técnica de la sonda de Langmuir es sensible a los flujos de plasma, y dependiendo de si el flujo es señal o ruido, esta sensibilidad puede o no ser una limitación. Además, puede haber problemas con la emisión secundaria de electrones, problemas con la colisionalidad del plasma en plasma de alta presión, problemas con la ionización si está demasiado polarizado, etc. Las sondas emisivas, por supuesto, no son sensibles a los flujos de plasma, lo que las hace superiores a las sondas de Langmuir en la medición del potencial de plasma cerca de los límites, donde se forman vainas concomitantes con los flujos de iones hacia el límite. Un área activa de investigación con respecto a las superficies emisoras en el límite del plasma persigue la posibilidad de que se formen vainasinversas 28 si la emisión es lo suficientemente fuerte, y si el cátodo virtual que puede formarse alrededor de la superficie emisora puede atrapar iones. Hay alguna evidencia que sugiere que las vainas inversas29 podrían, cuando se forman, hacer que las sondas emisivas floten por encima del potencial de plasma local. Experimentos recientes con sondas emisivas fuertemente emisoras en plasma de mayor presión (Pn > 3 mTorr) que la de los experimentos aquí reportadoscorroboran en cierta medida este punto de vista. Sin embargo, para el plasma de baja presión y baja temperatura, con corrientes de calentamiento modestas, parece que la técnica del punto de inflexión en el límite de emisión cero no se ve afectada por este tipo de fenómenos. Por último, mencionamos una última limitación común a ambas técnicas de sonda, a saber, que si el plasma es demasiado denso y caliente, las sondas no pueden sobrevivir mecánicamente13, lo que lleva a los límites superiores citados en la introducción.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue parcialmente financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés), a través de la subvención DE-SC00114226, y la Fundación Nacional de Ciencias a través de las subvenciones PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 y PHY-1804240

Homenaje a Noah Hershkowitz:
Noah Hershkowitz hizo contribuciones innovadoras a la física del plasma, al tiempo que se ganó el respeto y la admiración de sus colegas y estudiantes, tanto como científico como ser humano.  "La física", explicó una vez, "es como un rompecabezas que es muy viejo. Todas las piezas están desgastadas. Sus bordes están desordenados. Algunas de las piezas se han juntado de manera incorrecta. Más o menos encajan, pero en realidad no están en los lugares correctos. El juego consiste en juntarlos de la manera correcta para descubrir cómo funciona el mundo.  Murió el 13 de noviembre de 2020 a los 79 años.

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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