Hovedmålet med dette arbeidet er å gjøre det lettere for forskningsgrupper som ikke er kjent med Langmuir-sonder og emissive prober å bruke dem som plasmadiagnostikk, spesielt nær plasmagrenser. Vi gjør dette ved å demonstrere hvordan man bygger sondene fra lett tilgjengelige materialer og forsyninger.
Langmuir-sonder har lenge vært brukt i eksperimentell plasmafysikkforskning som den primære diagnostiske for partikkelflukser (dvs. elektron- og ionflukser) og deres lokale romlige konsentrasjoner, for elektrontemperaturer og for elektrostatiske plasmapotensielle målinger, siden oppfinnelsen av Langmuir tidlig på 1920-tallet. Emissive prober brukes til å måle plasmapotensialer. Protokollene som vises i dette arbeidet tjener til å demonstrere hvordan disse probene kan bygges for bruk i et vakuumkammer der en plasmautladning kan begrenses og opprettholdes. Dette innebærer vakuumteknikker for å bygge det som egentlig er en elektrisk gjennommating, en som er roterbar og oversettbar. Riktignok kan komplette Langmuir sondesystemer kjøpes, men de kan også bygges av brukeren til betydelige kostnadsbesparelser, og samtidig være mer direkte tilpasset deres bruk i et bestemt eksperiment. Vi beskriver bruken av Langmuir-sonder og emissive prober for å kartlegge det elektrostatiske plasmapotensialet fra plasmakroppen opp til kappeområdet av en plasmagrense, som i disse forsøkene er skapt av en negativt partisk elektrode nedsenket i plasma, for å sammenligne de to diagnostiske teknikkene og vurdere deres relative fordeler og svakheter. Selv om Langmuir-sonder har fordelen av å måle plasmatettheten og elektrontemperaturen mest nøyaktig, kan emissive sonder måle elektrostatiske plasmapotensialer mer nøyaktig i hele plasmaet, opp til og inkludert kappeområdet.
I løpet av dette første århundret av plasmafysikkforskning, som stammer fra Langmuirs oppdagelser på 1920-tallet av middels lignende oppførsel av en ny tilstand av materie, plasma, har Langmuir-sonden vist seg å ha vært den viktigste diagnostiske av plasmaparametere. Dette gjelder delvis på grunn av det ekstraordinære omfanget av anvendelighet1. I plasma påtruffet av satellitter 2,3,4, i halvlederbehandlingseksperimenter,5,6,7,8 i kantene av plasma begrenset i tokamaks,9,10,11 og i et bredt spekter av grunnleggende plasmafysikkeksperimenter, har Langmuir-sonder blitt brukt til å måle plasmatettheter og temperaturer som spenner over områdene 108≤ne≤1019 m-3 og 10-3≤Te≤102eV , henholdsvis. Samtidig på 1920-tallet oppfant han sonden som nå er oppkalt etter ham og den emissive sonden12. Den emissive sonden brukes nå primært som en diagnostisk for plasmapotensialet. Selv om den ikke kan måle bredden av plasmaparametre som Langmuir-sonden kan, er den også en diagnose av bred nytte når det gjelder måling av plasmapotensial, eller, som det noen ganger kalles, det elektrostatiske rompotensialet. For eksempel kan den emissive sonden måle rompotensialer nøyaktig selv i vakuum, der Langmuir-sonder ikke er i stand til å måle noe.
Det grunnleggende oppsettet av Langmuir-sonden består av å sette en elektrode inn i plasmaet og måle den oppsamlede strømmen. De resulterende strømspenningsegenskapene (I-V) kan brukes til å tolke plasmaparametere som elektrontemperatur Te, elektrontetthet ne og plasmapotensial φ13. For et Maxwellsk plasma kan forholdet mellom oppsamlet elektronstrøm Ie (tatt for å være positiv) og sondebias VB uttrykkes som14:
hvor jege0 er elektronmetningsstrømmen,
og hvor S er sondens oppsamlingsområde, er bulkelektrondensiteten, e er elektronladningen, Te er elektrontemperaturen, me er elektronmassen. Det teoretiske forholdet mellom I-V-egenskaper for elektronstrømmen er illustrert på to måter i figur 1A og figur 1B. Merk at Eq. (1a,b) bare gjelder bulkelektroner. Imidlertid kan Langmuir sondestrømmer oppdage strømmer av ladede partikler, og justeringer må gjøres i nærvær av primære elektroner, elektronstråler eller ionstråler etc. Se Hershkowitz14 for flere detaljer.
Diskusjonen her tar opp det ideelle tilfellet av Maxwellian elektronenergifordelingsfunksjoner (EEDF). Selvfølgelig er det mange omstendigheter der ikke-idealiteter oppstår, men disse er ikke gjenstand for dette arbeidet. For eksempel, i materialer som behandler etsing og avsetningsplasmasystemer, typisk RF-generert og opprettholdt, er det molekylære gassfôrlagre som produserer flyktige kjemiske radikaler i plasma, og flere ionarter, inkludert negativt ladede ioner. Plasmaet blir elektronegativt, det vil si å ha en betydelig brøkdel av den negative ladningen i det kvasinøytrale plasmaet i form av negative ioner. I plasma med molekylære nøytraler og ioner kan uelastiske kollisjoner mellom elektroner og molekylære arter produsere dips15 i strømspenningsegenskapene, og tilstedeværelsen av kalde negative ioner, kulde i forhold til elektronene, kan produsere betydelige forvrengninger16 i nærheten av plasmapotensialet, som alle selvfølgelig er ikke-Maxwellske egenskaper. Vi forfulgte eksperimentene i arbeidet diskutert i dette papiret i en enkelt ion arter edelgass (argon) DC utslipp plasma, fri for slike ikke-Maxwellian effekter. Imidlertid finnes en bi-Maxwellian EEDF vanligvis i disse utladningene, forårsaket av tilstedeværelsen av sekundær elektronutslipp17 fra kammerveggene. Denne komponenten av varmere elektroner er vanligvis noen få multipler av den kalde elektrontemperaturen, og mindre enn 1% av tettheten, vanligvis lett å skille fra bulkelektrondensiteten og temperaturen.
Når VB blir mer negativ enn φ, blir elektroner delvis frastøtt av sondeoverflatens negative potensial, og helningen til ln(Ie) vs. VB er e/Te, dvs. 1/TeV hvor TeV er elektrontemperaturen i eV, som vist i figur 1B. Etter at TeV er bestemt, kan plasmadensiteten utledes som:
Ionstrøm er avledet annerledes enn elektronstrøm. Ioner antas å være “kalde” på grunn av deres relativt store masse, Mi >> me, sammenlignet med elektronet, og i et svakt ionisert plasma er ionene i ganske god termisk likevekt med de nøytrale gassatomer, som er ved veggtemperaturen. Ioner frastøtes av sondekappen hvis VB ≥ φ og samles hvis VB < φ. Den oppsamlede ionestrømmen er tilnærmet konstant for negativt forspent prober, mens elektronstrømmen til sonden avtar for sondespenninger som er mer negative enn plasmapotensialet. Siden elektronmetningsstrømmen er mye større enn ionmetningsstrømmen, reduseres den totale strømmen samlet av sonden. Etter hvert som sondeskjevheten blir stadig mer negativ, er strømfallet stort eller lite ettersom elektrontemperaturen er kald eller varm, som beskrevet ovenfor i Eq. (1a). Ligningen for ionstrøm i denne tilnærmingen er:
hvor
og
Vi bemerker at konstant ioneflux samlet av sonden overskrider den tilfeldige termiske ionfluksen på grunn av akselerasjon langs sondens forkappe, og dermed når ioner sondens kappekant ved Bohm-hastigheten18, uB, i stedet for ionens termiske hastighet19. Og ionene har en tetthet lik elektronene siden kappen er kvasinøytral. Sammenligning av ion- og elektronmetningsstrømmen i Eqn.5 og 2, observerer vi at ionbidraget til sondestrømmen er mindre enn elektronene med en faktor på . Denne faktoren er ca. 108 når det gjelder argonplasma.
Det er et skarpt overgangspunkt hvor elektronstrømmen går fra eksponentiell til en konstant, kjent som “kneet”. Sondeskjevheten i kneet kan tilnærmes som plasmapotensialet. I det virkelige eksperimentet er dette kneet aldri skarpt, men avrundet på grunn av sondens romladningseffekt, det vil si utvidelsen av kappen som omgir sonden, og også for å undersøke forurensning og plasmastøy13.
Langmuir-sondeteknikken er basert på oppsamlingsstrøm, mens den emissive sondeteknikken er basert på utslipp av strøm. Emissive sonder måler verken temperatur eller tetthet. I stedet gir de presise plasmapotensialmålinger og kan operere under en rekke situasjoner på grunn av at de er ufølsomme for plasmastrømmer. Teoriene og bruken av emissive sonder er grundig diskutert i den aktuelle gjennomgangen av Sheehan og Hershkowitz20, og referanser deri.
For plasmatetthet 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3 anbefales bøyningspunktteknikken i grensen for nullutslipp, noe som betyr å ta en serie I-V-spor, hver med forskjellige filamentvarmestrømmer, finne bøyningspunktskjevspenningen for hvert I-V-spor, og ekstrapolere bøyningspunktene til grensen for nullutslipp for å få plasmapotensialet, som vist i figur 2.
Det er en vanlig antagelse at Langmuir og emissive sondeteknikker stemmer overens i kvasinøytralt plasma, men er uenige i skjeden, regionen av plasmaet som er i kontakt med grensen der romladning vises. Studien fokuserer på plasmapotensialet nær plasmagrenser, i lavtemperatur, lavtrykksplasma i et forsøk på å teste denne vanlige antagelsen. For å sammenligne potensielle målinger med både Langmuir-sonde og emissiv sonde, bestemmes plasmapotensialet også ved å anvende bøyningspunktteknikk på Langmuir-sonde I-V, som vist i figur 3. Det er generelt akseptert1 at plasmapotensialet er funnet ved å finne sondeforspenningen der den andre deriverte av strømmen samlet differensiert med hensyn til forspenningen, det vil si toppen av dI / dV-kurven , med hensyn til sondespenningen. Figur 3 viser hvordan dette maksimumet i dI/dV, bøyningspunktet for strømspenningskarakteristikken, finnes.
Langmuir-sonder (samlende) og emissive sonder (emitterende) har forskjellige I-V-egenskaper, som også avhenger av geometrien til sondespissen, som vist i figur 4. Sondens romladningseffekt må vurderes før sondefabrikasjonen. I forsøkene, for de plane Langmuir-sondene, brukte vi en 1/4″ plan tantalskive. Vi kunne samle mer strøm og få større signaler med en større disk. For at analysene ovenfor skal gjelde, må sondens areal, Ap , holdes mindre enn elektrontapsområdet til kammeret, Aw, som tilfredsstiller21 ulikheten . For den sylindriske Langmuir-sonden brukte vi en 0,025 mm tykk, 1 cm lang wolframtråd for den sylindriske Langmuir-sonden og en samme tykkelse for wolframtråden for den emissive sonden. Det er viktig å merke seg at for sylindriske Langmuir-sonder, for plasmaparametrene til disse eksperimentene, er radiusen til sondespissen, rp, mye mindre enn lengden, Lp og mindre enn Debye-lengden, λD; det vil si , og . I dette området av parametere, ved å anvende Orbital Motion Limited-teorien og Laframboises utvikling av den22 for tilfelle av termiske elektroner og ioner, finner vi at for sondespenninger lik eller større enn plasmapotensialet, kan elektronstrømmen som samles inn, parameteriseres av en funksjon av formen , hvor eksponenten . Det viktige poenget her er at for verdier av denne eksponenten mindre enn enhet, gjelder bøyningspunktmetoden for bestemmelse av plasmapotensialet, som beskrevet i avsnittet ovenfor, også for sylindriske Langmuir-sonder.
Langmuir-sonder brukes til partikkelfluksmålinger i et usedvanlig bredt spekter av plasmatettheter og temperaturer, fra romplasmaer der elektrontettheten bare er noen få partikler 106 m-3 til kantområdet av fusjonsplasmaer hvor elektrontettheten er mer som noen få ganger 1020 m-3. Videre har elektrontemperaturer mellom 0,1 og noen hundre eV blitt diagnostisert med Langmuir-sonder. Langmuir-sonder brukes ofte til å måle plasmatetthet og temperatur. Å finne det elektrostat…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble delvis finansiert av US Department of Energy (DOE), gjennom grantDE-SC00114226, og National Science Foundation gjennom tilskudd PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 og PHY-1804240
Hyllest til Noah Hershkowitz:
Noah Hershkowitz gjorde banebrytende bidrag til plasmafysikk mens han tjente respekt og beundring fra sine kolleger og studenter, både som forsker og menneske. “Fysikk,” forklarte han en gang, “er som et puslespill som er veldig gammelt. Alle brikkene er slitt ned. Kantene deres er rotet til. Noen av brikkene er satt sammen på feil måte. De passer på en måte, men de er faktisk ikke på de riktige stedene. Spillet er å sette dem sammen på riktig måte for å finne ut hvordan verden fungerer. Han døde 13. november 2020, 79 år gammel.
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 |