Bouw van langmuir-sondes en emitterende sondes voor plasmapotentiaalmetingen in plasma's met lage druk en lage temperatuur

Summary

Het belangrijkste doel van dit werk is om het voor onderzoeksgroepen die niet bekend zijn met Langmuir-sondes en emittieve sondes gemakkelijker te maken om ze te gebruiken als plasmadiagnostiek, vooral in de buurt van plasmagrenzen. We doen dit door te demonstreren hoe we de sondes kunnen bouwen van gemakkelijk verkrijgbare materialen en benodigdheden.

Abstract

Langmuir-sondes worden al lang gebruikt in experimenteel plasmafysica-onderzoek als de primaire diagnose voor deeltjesfluxen (d.w.z. elektronen- en ionenfluxen) en hun lokale ruimtelijke concentraties, voor elektronentemperaturen en voor elektrostatische plasmapotentiaalmetingen, sinds de uitvinding door Langmuir in de vroege jaren 1920. Emitterende sondes worden gebruikt voor het meten van plasmapotentialen. De protocollen die in dit werk worden tentoongesteld, dienen om te demonstreren hoe deze sondes kunnen worden gebouwd voor gebruik in een vacuümkamer waarin een plasma-ontlading kan worden opgesloten en in stand kan worden gehouden. Dit omvat vacuümtechnieken voor het bouwen van wat in wezen een elektrische doorvoer is, een die draaibaar en vertaalbaar is. Zeker, complete Langmuir-sondesystemen kunnen worden gekocht, maar ze kunnen ook door de gebruiker worden gebouwd tegen aanzienlijke kostenbesparingen en tegelijkertijd directer worden aangepast aan hun gebruik in een bepaald experiment. We beschrijven het gebruik van Langmuir-sondes en emittieve sondes bij het in kaart brengen van de elektrostatische plasmapotentiaal van het plasmalichaam tot aan het omhulselgebied van een plasmagrens, die in deze experimenten wordt gecreëerd door een negatief bevooroordeelde elektrode ondergedompeld in het plasma, om de twee diagnostische technieken te vergelijken en hun relatieve voor- en nadelen te beoordelen. Hoewel Langmuir-sondes het voordeel hebben dat ze de plasmadichtheid en elektronentemperatuur het meest nauwkeurig meten, kunnen emitterende sondes elektrostatische plasmapotentialen nauwkeuriger meten in het hele plasma, tot en met het omhulselgebied.

Introduction

Tijdens deze eerste eeuw van plasmafysica-onderzoek, daterend uit de ontdekkingen van Langmuir in de jaren 1920 van het mediumachtige gedrag van een nieuwe toestand van materie, plasma, is de Langmuir-sonde de belangrijkste diagnose van plasmaparameters gebleken. Dit is gedeeltelijk waar, vanwege de buitengewone^{toepassingsmogelijkheden 1}. In plasma dat door satellieten^wordt aangetroffen ^2,3,4, in halfgeleiderverwerkingsexperimenten,5,6,7,8 aan de randen van plasma opgesloten

Protocol

1. Langmuir-sondes en emitterende sondes bouwen om in een vacuümkamer te passen

1. Planar Langmuir-sonde (zie figuur 5 voor meer details)
   1. Neem een roestvrijstalen buis met een diameter van 1/4" als sondeschacht en buig het ene uiteinde in de gewenste hoek van 90°.
   2. Snijd de ongebogen kant op een lengte zodat de sonde axiaal meer dan de helft van de kamerlengte kan bedekken.
   3. Monteer de ongebogen zijde van de as door de messing buis door een SS-4-UT-A-8 adapter in combinatie met een B-810-6 wartelbuisfitting.
   4. Gebruik een 1/2" messing buis die uit de aangepaste flenzen steekt door een B-810-1-OR ....

Results

Langmuir-sondes, waarvan bekend is dat ze gevoelig zijn voor stromingen en voor de kinetische energie van de deeltjes die ze verzamelen, werden tot nu toe beschouwd als geldige metingen van de plasmapotentiaal, behalve in omhulsels. Maar directe vergelijkingen van plasmapotentialen gemeten door Langmuir-sondes en emittieve sondes hebben aangetoond dat in het quasineutrale voormantelgebied van het plasma dat onmiddellijk in contact komt met de omhulsel aan de plasmazijde, Langmuir-sondes geen nauwkeurige metingen van de p.......

Discussion

Langmuir-sondes worden gebruikt voor deeltjesfluxmetingen in een buitengewoon breed scala aan plasmadichtheden en temperaturen, van ruimteplasma's waarin de elektronendichtheid slechts enkele deeltjes 10^{6 m-3} is tot het randgebied van fusieplasma's waar de elektronendichtheid meer lijkt op een paar keer 10^{20 m-3}. Bovendien zijn elektronentemperaturen tussen 0,1 en een paar honderd eV's gediagnosticeerd met Langmuir-sondes. Langmuir-sondes worden vaak gebruikt om de plasmadichth.......

Materials

List of materials used in this article

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