प्लाज्मा भौतिकी अनुसंधान की इस पहली शताब्दी के दौरान, 1920 के दशक में लैंगमुइर की खोजों से डेटिंग, पदार्थ की एक नई अवस्था, प्लाज्मा के व्यवहार की तरह, लैंगमुइर जांच प्लाज्मा मापदंडों का एकमात्र सबसे महत्वपूर्ण निदान साबित हुई है। यह आंशिक रूप से सच है, क्योंकि इसकी असाधारण श्रेणी की प्रयोज्यता¹. उपग्रहों द्वारा सामना किए गए प्लाज्मा ^2,3,4 में, अर्धचालक प्रसंस्करण प्रयोगों में, ^5,6,7,8 टोकामक, ^9,10,11 में सीमित प्लाज्मा के किनारों पर और बुनियादी प्लाज्मा भौतिकी प्रयोगों की विस्तृत श्रृंखला में, लैंगमुइर जांच का उपयोग प्लाज्मा घनत्व और तापमान को मापने के लिए किया गया है जो रेंज 10⁸≤एन_ई≤10^{19 उ-3} तथा ^10-3≤ज्_म≤10²मट , क्रमशः। इसके साथ ही 1920 के दशक में, उन्होंने अब उनके नाम पर जांच और उत्सर्जक जांच¹² का आविष्कार किया। उत्सर्जक जांच अब मुख्य रूप से प्लाज्मा क्षमता के निदान के रूप में उपयोग की जाती है। यद्यपि यह प्लाज्मा मापदंडों की चौड़ाई को माप नहीं सकता है जो लैंगमुइर जांच कर सकता है, यह भी व्यापक उपयोगिता का निदान है जब यह प्लाज्मा क्षमता के माप की बात आती है, या, जैसा कि कभी-कभी कहा जाता है, इलेक्ट्रोस्टैटिक अंतरिक्ष क्षमता। उदाहरण के लिए, उत्सर्जक जांच एक वैक्यूम में भी अंतरिक्ष क्षमता को सटीक रूप से माप सकती है, जहां लैंगमुइर जांच कुछ भी मापने में असमर्थ हैं।

लैंगमुइर जांच के मूल सेटअप में प्लाज्मा में एक इलेक्ट्रोड डालना और एकत्रित वर्तमान को मापना शामिल है। परिणामी वर्तमान-वोल्टेज (I-V) विशेषताओं का उपयोग प्लाज्मा मापदंडों जैसे इलेक्ट्रॉन तापमान टी_ई, इलेक्ट्रॉन घनत्व एन_ई, और प्लाज्मा क्षमता ^{φ 13} की व्याख्या करने के लिए किया जा सकता है। मैक्सवेलियन प्लाज्मा के लिए, एकत्रित इलेक्ट्रॉन धारा I_e (सकारात्मक होने के लिए लिया गया) और जांच पूर्वाग्रह V_B के बीच संबंध^{को 14} के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:

जहाँ I_e0 इलेक्ट्रॉन संतृप्ति धारा है,

और जहां एस जांच का संग्रह क्षेत्र है, थोक इलेक्ट्रॉन घनत्व है, ई इलेक्ट्रॉन चार्ज है, टी_ई इलेक्ट्रॉन तापमान है, एम_ई इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान है। इलेक्ट्रॉन धारा के लिए I-V विशेषताओं के सैद्धांतिक संबंध को चित्र 1A और चित्र 1B में दो तरीकों से चित्रित किया गया है। ध्यान दें, समीकरण (1a,b) केवल स्थूल इलेक्ट्रॉनों पर लागू होता है। हालांकि, लैंगमुइर जांच धाराएं आवेशित कणों के प्रवाह का पता लगा सकती हैं, और प्राथमिक इलेक्ट्रॉनों, इलेक्ट्रॉन बीम या आयन बीम आदि की उपस्थिति में समायोजन किया जाना चाहिए। अधिक जानकारी के लिए हर्शकोविट्ज़¹⁴ देखें।

यहां चर्चा मैक्सवेलियन इलेक्ट्रॉन ऊर्जा वितरण कार्यों (ईईडीएफ) के आदर्श मामले को लेती है। बेशक, ऐसी कई परिस्थितियां हैं जिनमें गैर-आदर्शताएं उत्पन्न होती हैं, लेकिन ये इस काम का विषय नहीं हैं। उदाहरण के लिए, सामग्री प्रसंस्करण नक़्क़ाशी और जमाव प्लाज्मा सिस्टम में, आमतौर पर आरएफ उत्पन्न और निरंतर, आणविक गैस फ़ीड स्टॉक होते हैं जो प्लाज्मा में वाष्पशील रासायनिक कणों का उत्पादन करते हैं, और नकारात्मक चार्ज आयनों सहित कई आयन प्रजातियां होती हैं। प्लाज्मा विद्युतीय हो जाता है, अर्थात, नकारात्मक आयनों के रूप में क्वासिन्यूट्रल प्लाज्मा में नकारात्मक चार्ज का एक महत्वपूर्ण अंश होता है। आणविक न्यूट्रल और आयनों के साथ प्लाज्मा में, इलेक्ट्रॉनों और आणविक प्रजातियों के बीच inelastic टकराव वर्तमान वोल्टेज विशेषताओं में डुबकी¹⁵ का उत्पादन कर सकते हैं, और ठंड नकारात्मक आयनों की उपस्थिति, इलेक्ट्रॉनों के सापेक्ष ठंड, प्लाज्मा क्षमता के आसपास के^{क्षेत्र में महत्वपूर्ण} विकृतियों का उत्पादन कर सकते हैं, जो सभी निश्चित रूप से गैर मैक्सवेलियन विशेषताएं हैं. हमने इस पत्र में चर्चा किए गए कार्यों में प्रयोगों पर मुकदमा चलाया एक आयन प्रजाति महान गैस (आर्गन) डीसी डिस्चार्ज प्लाज्मा, इन प्रकार के गैर-मैक्सवेलियन प्रभावों से मुक्त। हालांकि, एक द्वि-मैक्सवेलियन ईईडीएफ आमतौर पर इन निर्वहनों में पाया जाता है, जो कक्ष की दीवारों से माध्यमिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन¹⁷ की उपस्थिति के कारण होता है। गर्म इलेक्ट्रॉनों का यह घटक आमतौर पर ठंडे इलेक्ट्रॉन तापमान के कुछ गुणक होते हैं, और घनत्व के 1% से कम होते हैं, आमतौर पर थोक इलेक्ट्रॉन घनत्व और तापमान से आसानी से अलग होते हैं।

चूंकि वी_बी φ से अधिक नकारात्मक हो जाता है, इलेक्ट्रॉनों को जांच सतह की नकारात्मक क्षमता द्वारा आंशिक रूप से प्रतिकर्षित किया जाता है, और एलएद (आई_ई) बनाम वी_बी की ढलान ई / 1/T_eV जहां T_eV eV में इलेक्ट्रॉन तापमान है, जैसा कि चित्र 1B में दिखाया गया है। T_eV निर्धारित होने के बाद, प्लाज्मा घनत्व इस प्रकार प्राप्त किया जा सकता है:

आयन धारा इलेक्ट्रॉन धारा से अलग तरीके से प्राप्त होती है। इलेक्ट्रॉन की तुलना में आयनों को उनके अपेक्षाकृत बड़े द्रव्यमान, M_i >> m_e के कारण “ठंडा” माना जाता है, इस प्रकार, एक कमजोर आयनित प्लाज्मा में, आयन तटस्थ गैस परमाणुओं के साथ काफी अच्छे थर्मल संतुलन में होते हैं, जो दीवार के तापमान पर होते हैं। यदि V_B φ ≥ है तो जांच म्यान द्वारा आयनों को प्रतिकर्षित किया जाता है और यदि V_B φ < तो एकत्र किया जाता है। एकत्रित आयन वर्तमान नकारात्मक पक्षपाती जांच के लिए लगभग स्थिर है, जबकि जांच के लिए इलेक्ट्रॉन प्रवाह प्लाज्मा क्षमता की तुलना में अधिक नकारात्मक जांच पूर्वाग्रह वोल्टेज के लिए घट जाती है। चूंकि इलेक्ट्रॉन संतृप्ति धारा आयन संतृप्ति धारा से बहुत बड़ी होती है, इसलिए जांच द्वारा एकत्र की गई कुल धारा कम हो जाती है। जैसे-जैसे जांच बायस उत्तरोत्तर ऋणात्मक होता जाता है, एकत्रित धारा में गिरावट बहुत कम या अधिक होती है क्योंकि इलेक्ट्रॉन का ताप ठंडा या गर्म होता है, जैसा कि ऊपर समीकरण (1a) में वर्णित है। इस सन्निकटन में आयन धारा के लिए समीकरण है:

कहां

और

हम ध्यान दें कि जांच द्वारा एकत्र निरंतर आयन प्रवाह जांच के presheath के साथ त्वरण के कारण यादृच्छिक थर्मल आयन प्रवाह से अधिक है और इस प्रकार आयनों बोहम गति¹⁸, यू_बी पर जांच के म्यान किनारे तक पहुँचने के बजाय आयन थर्मल गति¹⁹. और आयनों का घनत्व इलेक्ट्रॉनों के बराबर होता है क्योंकि प्रीशीथ क्वासिन्यूट्रल होता है। समीकरण 5 और 2 में आयन और इलेक्ट्रॉन संतृप्ति धारा की तुलना करने पर, हम देखते हैं कि जांच धारा में आयन का योगदान इलेक्ट्रॉनों की तुलना में कम है। आर्गन प्लाज्मा के मामले में यह कारक लगभग 108 है।

एक तेज संक्रमण बिंदु है जहां इलेक्ट्रॉन धारा घातीय से एक स्थिर तक जाती है, जिसे “घुटने” के रूप में जाना जाता है। घुटने पर जांच पूर्वाग्रह को प्लाज्मा क्षमता के रूप में अनुमानित किया जा सकता है। असली प्रयोग में, इस घुटने तेज कभी नहीं है, लेकिन जांच के अंतरिक्ष प्रभारी प्रभाव, कि है, जांच के आसपास म्यान के विस्तार के कारण गोल, और भी संदूषण की जांच करने के लिए, और प्लाज्मा शोर¹³.

लैंगमुइर जांच तकनीक संग्रह वर्तमान पर आधारित है, जबकि उत्सर्जक जांच तकनीक वर्तमान के उत्सर्जन पर आधारित है। उत्सर्जक जांच न तो तापमान और न ही घनत्व को मापती है। इसके बजाय वे सटीक प्लाज्मा संभावित माप प्रदान करते हैं और इस तथ्य के कारण विभिन्न स्थितियों में काम कर सकते हैं कि वे प्लाज्मा प्रवाह के प्रति असंवेदनशील हैं। शीहान और हर्शकोविट्ज़²⁰ द्वारा सामयिक समीक्षा में उत्सर्जक जांच के सिद्धांतों और उपयोग पर पूरी तरह से चर्चा की गई है, और उसमें संदर्भ।

प्लाज्मा घनत्व 10¹¹ ≤ n_e ≤ 10^{18 m-3} के लिए, शून्य उत्सर्जन की सीमा में विभक्ति बिंदु तकनीक की सिफारिश की जाती है, जिसका अर्थ है I-V निशान की श्रृंखला लेना, प्रत्येक अलग-अलग फिलामेंट हीटिंग धाराओं के साथ, प्रत्येक I-V ट्रेस के लिए विभक्ति बिंदु पूर्वाग्रह वोल्टेज ढूंढना, और प्लाज्मा क्षमता प्राप्त करने के लिए शून्य उत्सर्जन की सीमा तक विभक्ति बिंदुओं को एक्सट्रपलेशन करना, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।

यह एक आम धारणा है कि लैंगमुइर और उत्सर्जक जांच तकनीक क्वासिन्यूट्रल प्लाज्मा में सहमत हैं, लेकिन म्यान में असहमत हैं, सीमा के संपर्क में प्लाज्मा का क्षेत्र जिसमें अंतरिक्ष-चार्ज दिखाई देता है। अध्ययन इस आम धारणा का परीक्षण करने के प्रयास में कम तापमान, कम दबाव प्लाज्मा में, प्लाज्मा सीमाओं के पास प्लाज्मा क्षमता पर केंद्रित है। लैंगमुइर जांच और उत्सर्जक जांच दोनों द्वारा संभावित मापों की तुलना करने के लिए, प्लाज्मा क्षमता भी लैंगमुइर जांच आई-वी के लिए विभक्ति बिंदु तकनीक को लागू करके निर्धारित की जाती है, जैसा कि चित्र 3में दिखाया गया है। यह आम तौर^{पर स्वीकार किया} जाता है 1 कि प्लाज्मा क्षमता जांच बायस वोल्टेज का पता लगाकर पाई जाती है, जिस पर जांच पूर्वाग्रह वोल्टेज के संबंध में एकत्रित वर्तमान का दूसरा व्युत्पन्न, अर्थात, डीआई / चित्रा 3 दर्शाता है कि डीआई/डीवी में यह अधिकतम कैसे पाया जाता है, वर्तमान-वोल्टेज विशेषता का विभक्ति बिंदु।

लैंगमुइर जांच (संग्रह) और उत्सर्जक जांच (उत्सर्जन) में अलग-अलग आई-वी विशेषताएं हैं, जो जांच टिप की ज्यामिति पर भी निर्भर करती हैं, जैसा कि चित्र 4में दिखाया गया है। जांच निर्माण से पहले जांच के अंतरिक्ष-प्रभारी प्रभाव पर विचार किया जाना चाहिए। प्रयोगों में, प्लानर लैंगमुइर जांच के लिए, हमने 1/4 “प्लानर टैंटलम डिस्क का उपयोग किया। हम अधिक वर्तमान एकत्र कर सकते हैं और एक बड़ी डिस्क के साथ बड़े संकेत प्राप्त कर सकते हैं। हालांकि, उपरोक्त विश्लेषणों को लागू करने के लिए, जांच के क्षेत्र, ए_पी को कक्ष के इलेक्ट्रॉन हानि क्षेत्र से छोटा रखा जाना चाहिए, ए_{डब्ल्यू},^{असमानता} को संतुष्ट करता है। बेलनाकार लैंगमुइर जांच के लिए, हमने बेलनाकार लैंगमुइर जांच के लिए 0.025 मिमी मोटी, 1 सेमी लंबी टंगस्टन तार और उत्सर्जक जांच के लिए टंगस्टन तार के लिए एक समान मोटाई का उपयोग किया। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि बेलनाकार लैंगमुइर जांच के लिए, इन प्रयोगों के प्लाज्मा मापदंडों के लिए, जांच टिप की त्रिज्या, आर_पी, इसकी लंबाई से बहुत छोटी है, एल_पी, और डेबी लंबाई से छोटी है, λ_डी; वह है, , और . मापदंडों की इस श्रेणी में, ऑर्बिटल मोशन लिमिटेड सिद्धांत और लैफ्राम्बोइस के विकास को थर्मल इलेक्ट्रॉनों और आयनों के मामले के लिए^लागू करते हुए, हम पाते हैं कि प्लाज्मा क्षमता के बराबर या उससे अधिक जांच पूर्वाग्रह वोल्टेज के लिए, एकत्र किए गए इलेक्ट्रॉन वर्तमान को फॉर्म के एक फ़ंक्शन द्वारा पैरामीटर किया जा सकता है, जहां घातांक . यहां महत्वपूर्ण बिंदु यह है कि एकता से कम इस घातांक के मूल्यों के लिए, प्लाज्मा क्षमता का निर्धारण करने के लिए विभक्ति बिंदु विधि, जैसा कि ऊपर पैराग्राफ में वर्णित है, बेलनाकार लैंगमुइर जांच पर भी लागू होता है।