Hovedformålet med dette arbejde er at gøre det lettere for forskergrupper, der ikke er bekendt med Langmuir-sonder og emissive sonder, at bruge dem som plasmadiagnostik, især nær plasmagrænser. Det gør vi ved at demonstrere, hvordan man bygger sonderne af let tilgængelige materialer og forsyninger.
Langmuir-sonder har længe været brugt i eksperimentel plasmafysikforskning som den primære diagnostik for partikelfluxer (dvs. elektron- og ionfluxer) og deres lokale rumlige koncentrationer, for elektrontemperaturer og for elektrostatiske plasmapotentialemålinger, siden Langmuir opfandt den i begyndelsen af 1920’erne. Emissive sonder anvendes til måling af plasmapotentialer. De protokoller, der er udstillet i dette arbejde, tjener til at demonstrere, hvordan disse sonder kan bygges til brug i et vakuumkammer, hvor en plasmaudladning kan begrænses og opretholdes. Dette indebærer vakuumteknikker til opbygning af, hvad der i bund og grund er en elektrisk gennemføring, en der er drejelig og oversættelig. Ganske vist kan komplette Langmuir-sondesystemer købes, men de kan også bygges af brugeren med betydelige omkostningsbesparelser og samtidig tilpasses mere direkte til deres anvendelse i et bestemt eksperiment. Vi beskriver brugen af Langmuir-sonder og emissive sonder til kortlægning af det elektrostatiske plasmapotentiale fra plasmakroppen op til kappeområdet af en plasmagrænse, som i disse eksperimenter er skabt af en negativt forudindtaget elektrode nedsænket i plasmaet for at sammenligne de to diagnostiske teknikker og vurdere deres relative fordele og svagheder. Selvom Langmuir-sonder har den fordel, at de måler plasmadensiteten og elektrontemperaturen mest nøjagtigt, kan emissive sonder måle elektrostatiske plasmapotentialer mere præcist i hele plasmaet, op til og med kappeområdet.
I løbet af dette første århundrede af plasmafysikforskning, der stammer fra Langmuirs opdagelser i 1920’erne af den medielignende opførsel af en ny tilstand af stof, plasma, har Langmuir-sonden vist sig at have været den vigtigste enkeltstående diagnostik af plasmaparametre. Dette gælder til dels på grund af dets ekstraordinære anvendelsesområde1. I plasma, der er stødt på satellitter 2,3,4, i halvlederbehandlingseksperimenter,5,6,7,8 ved kanterne af plasma indesluttet i tokamakker,9,10,11 og i en lang række grundlæggende plasmafysiske eksperimenter er Langmuir-sonder blevet brugt til at måle plasmatætheder og temperaturer, der spænder over intervallerne 10 8≤ne≤1019 m-3 og 10-3≤Te≤102eV . Samtidig i 1920’erne opfandt han sonden, der nu er opkaldt efter ham, og den udsendende sonde12. Den emissive sonde bruges nu primært som en diagnostisk plasmapotentiale. Selvom det ikke kan måle bredden af plasmaparametre, som Langmuir-sonden kan, er det også en diagnostisk af bred nytteværdi, når det kommer til måling af plasmapotentiale eller, som det undertiden kaldes, det elektrostatiske rumpotentiale. For eksempel kan den emissive sonde nøjagtigt måle rumpotentialer selv i et vakuum, hvor Langmuir-sonder ikke er i stand til at måle noget.
Den grundlæggende opsætning af Langmuir-sonden består i at sætte en elektrode ind i plasmaet og måle den opsamlede strøm. De resulterende strømspændingsegenskaber (I-V) kan anvendes til at fortolke plasmaparametre såsom elektrontemperatur Te, elektrondensitet ne og plasmapotentiale φ13. For et Maxwellsk plasma kan forholdet mellem opsamlet elektronstrøm Ie (taget for at være positiv) og sondebias VB udtrykkes som14:
hvor Ie0 er elektronmætningsstrømmen,
og hvor S er sondens indsamlingsområde, er bulkelektrondensiteten, e er elektronladningen, Te er elektrontemperaturen, me er elektronmassen. Det teoretiske forhold mellem I-V-karakteristika for elektronstrømmen illustreres på to måder i figur 1A og figur 1B. Bemærk, at Eq. (1a,b) kun gælder for bulkelektroner. Langmuir-sondestrømme kan imidlertid detektere strømme af ladede partikler, og justeringer skal foretages i nærvær af primære elektroner, elektronstråler eller ionstråler osv. Se Hershkowitz14 for flere detaljer.
Diskussionen her tager det ideelle tilfælde af Maxwells elektronenergifordelingsfunktioner (EEDF) op. Selvfølgelig er der mange omstændigheder, hvor ikke-idealiteter opstår, men disse er ikke genstand for dette arbejde. For eksempel er der i materialebehandlingsætsnings- og aflejringsplasmasystemer, typisk RF-genereret og opretholdt, molekylære gastilførselslagre, der producerer flygtige kemiske radikaler i plasmaet, og flere ionarter, herunder negativt ladede ioner. Plasmaet bliver elektronegativt, det vil sige at have en signifikant brøkdel af den negative ladning i det kvasineutrale plasma i form af negative ioner. I plasma med molekylære neutrale og ioner kan uelastiske kollisioner mellem elektroner og molekylarterne producere dips15 i strømspændingsegenskaberne, og tilstedeværelsen af kolde negative ioner, kolde i forhold til elektronerne, kan producere signifikante forvrængninger16 i nærheden af plasmapotentialet, som alle naturligvis er ikke-Maxwellske træk. Vi retsforfulgte eksperimenterne i det arbejde, der diskuteres i dette papir i en enkelt ionart ædelgas (argon) DC-udladningsplasma, fri for denne slags ikke-Maxwellske virkninger. Imidlertid findes en bi-Maxwellsk EEDF typisk i disse udledninger, forårsaget af tilstedeværelsen af sekundær elektronemission17 fra kammervæggene. Denne komponent af varmere elektroner er typisk et par multipla af den kolde elektrontemperatur og mindre end 1% af densiteten, typisk let at skelne fra bulkelektrondensiteten og temperaturen.
Da VB bliver mere negativ end φ, frastødes elektroner delvist af sondeoverfladens negative potentiale, og hældningen af ln (Ie) vs. VB er e / Te, dvs. 1/TeV , hvor TeV er elektrontemperaturen i eV, som vist i figur 1B. Efter bestemmelse af TeV kan plasmadensiteten udledes som:
Ionstrøm er afledt anderledes end elektronstrøm. Ioner antages at være “kolde” på grund af deres relativt store masse, Mi >> me, sammenlignet med elektronens, således at ionerne i et svagt ioniseret plasma er i ret god termisk ligevægt med de neutrale gasatomer, som er ved vægtemperaturen. Ioner frastødes af sondeskeden, hvis VB ≥ φ og opsamles, hvis VB < φ. Den opsamlede ionstrøm er omtrent konstant for negativt forspændte sonder, mens elektronfluxen til sonden falder for sondebiasspændinger, der er mere negative end plasmapotentialet. Da elektronmætningsstrømmen er meget større end ionmætningsstrømmen, falder den samlede strøm, der opsamles af sonden. Da sondebias bliver mere og mere negativ, er faldet i opsamlet strøm stort eller lille, da elektrontemperaturen er kold eller varm, som beskrevet ovenfor i ækv. (1a). Ligningen for ionstrøm i denne tilnærmelse er:
hvor
og
Vi bemærker, at konstant ionflux indsamlet af sonden overstiger den tilfældige termiske ionflux på grund af acceleration langs sondens presheath, og dermed når ioner sondens kappekant ved Bohm-hastigheden18, uB, snarere end ionens termiske hastighed19. Og ionerne har en densitet svarende til elektronerne, da presheath er kvasineutral. Ved at sammenligne ion- og elektronmætningsstrømmen i Eqn.5 og 2 observerer vi, at ionbidraget til sondestrømmen er mindre end elektronernes med en faktor på . Denne faktor er ca. 108 i tilfælde af argonplasma.
Der er et skarpt overgangspunkt, hvor elektronstrømmen går fra eksponentiel til en konstant, kendt som “knæet”. Sondebias ved knæet kan approksimeres som plasmapotentialet. I det virkelige eksperiment er dette knæ aldrig skarpt, men afrundet på grund af sondens rumladningseffekt, det vil sige udvidelsen af kappen, der omgiver sonden, og også sondeforurening og plasmastøj13.
Langmuir-sondeteknikken er baseret på opsamlingsstrøm, mens den emissive sondeteknik er baseret på udsendelse af strøm. Emissive sonder måler hverken temperatur eller densitet. I stedet giver de præcise plasmapotentialemålinger og kan fungere under forskellige situationer, fordi de er ufølsomme over for plasmastrømme. Teorierne og brugen af emissive sonder diskuteres fuldt ud i den aktuelle gennemgang af Sheehan og Hershkowitz20 og referencer deri.
For plasmadensitet 1011 ≤n e ≤ 1018 m-3 anbefales bøjningspunktteknikken i grænsen for nulemission, hvilket betyder at tage en række I-V-spor, hver med forskellige glødetrådopvarmningsstrømme, finde bøjningspunktets biasspænding for hvert I-V-spor og ekstrapolere bøjningspunkterne til grænsen på nulemission for at få plasmapotentialet, som vist i figur 2.
Det er en almindelig antagelse, at Langmuir og emissive sondeteknikker er enige i kvasineutralt plasma, men uenige i kappen, det område af plasmaet, der er i kontakt med grænsen, hvor rumladning forekommer. Undersøgelsen fokuserer på plasmapotentialet nær plasmagrænser i lavtemperatur, lavtryksplasma i et forsøg på at teste denne almindelige antagelse. For at sammenligne potentielle målinger med både Langmuir-sonde og emissiv sonde bestemmes plasmapotentialet også ved at anvende bøjningspunktteknik på Langmuir-sonde I-V, som vist i figur 3. Det accepteres generelt1 , at plasmapotentialet findes ved at finde sondebiasspændingen, hvor det andet derivat af den opsamlede strøm differentierede sig med hensyn til biasspændingen, , det vil sige toppen af dI / dV-kurven med hensyn til sondebiasspændingen. Figur 3 viser, hvordan dette maksimum i dI/dV, bøjningspunktet for strømspændingskarakteristikken, findes.
Langmuir-sonder (indsamling) og emissive sonder (emissionering) har forskellige I-V-egenskaber, som også afhænger af sondespidsens geometri, som vist i figur 4. Sondens rumladningseffekt skal overvejes inden sondefremstillingen. I eksperimenterne brugte vi til de plane Langmuir-sonder en 1/4″ plan Tantal-disk. Vi kunne indsamle mere strøm og få større signaler med en større disk. For at ovenstående analyser kan finde anvendelse, skal sondens areal, Ap , holdes mindre end kammerets elektrontabsareal, Aw, hvilket opfylder21 uligheden . Til den cylindriske Langmuir-sonde brugte vi en 0,025 mm tyk, 1 cm lang wolframtråd til den cylindriske Langmuir-sonde og en samme tykkelse til wolframtråden til den udsendende sonde. Det er vigtigt at bemærke, at for cylindriske Langmuir-sonder, for plasmaparametrene for disse eksperimenter, er sondespidsens radius, rp, meget mindre end dens længde, Lp, og mindre end Debye-længden, λD; det vil sige, og . I dette interval af parametre, der anvender Orbital Motion Limited teori og Laframboises udvikling af det22 for tilfælde af termiske elektroner og ioner, finder vi, at for sondebiasspændinger, der er lig med eller større end plasmapotentialet, kan den indsamlede elektronstrøm parameteriseres ved en funktion af formen , hvor eksponenten . Det vigtige punkt her er, at for værdier af denne eksponent mindre end enhed gælder bøjningspunktmetoden til bestemmelse af plasmapotentialet, som beskrevet i ovenstående afsnit, også for cylindriske Langmuir-sonder.
Langmuir-sonder anvendes til partikelfluxmålinger i et ekstraordinært bredt udvalg af plasmatætheder og temperaturer, fra rumplasmaer, hvor elektrondensiteten kun er nogle få partikler 106 m-3 til kantområdet af fusionsplasmaer, hvor elektrondensiteten er mere som et par gange 1020 m-3. Desuden er elektrontemperaturer mellem 0,1 og et par hundrede eV blevet diagnosticeret med Langmuir-sonder. Langmuir-sonder bruges ofte til at måle plasmadensitet og temperatur. At finde d…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev delvist finansieret af US Department of Energy (DOE) gennem grantDE-SC00114226 og National Science Foundation gennem tilskud PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 og PHY-1804240
Hyldest til Noah Hershkowitz:
Noah Hershkowitz gjorde banebrydende bidrag til plasmafysik, mens han tjente respekt og beundring fra sine kolleger og studerende, både som videnskabsmand og menneske. “Fysik,” forklarede han engang, “er som et puslespil, der er virkelig gammelt. Alle stykkerne er slidt ned. Deres kanter er rodet op. Nogle af brikkerne er sat sammen på den forkerte måde. De passer på en måde, men de er faktisk ikke på de rigtige steder. Spillet er at sætte dem sammen på den rigtige måde for at finde ud af, hvordan verden fungerer. Han døde den 13. november 2020 i en alder af 79 år.
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 |