بناء مجسات Langmuir ومجسات الانبعاث لقياسات إمكانات البلازما في البلازما ذات الضغط المنخفض ودرجة الحرارة المنخفضة

خلال هذا القرن الأول من أبحاث فيزياء البلازما ، التي يرجع تاريخها إلى اكتشافات Langmuir في عشرينيات القرن العشرين من السلوك الشبيه بالوسط لحالة جديدة من المادة ، البلازما ، أثبت مسبار Langmuir أنه كان التشخيص الوحيد الأكثر أهمية لمعلمات البلازما. هذا صحيح جزئيا ، بسبب نطاقه الاستثنائي للتطبيق¹. في البلازما التي تصادفها الأقمار الصناعية^2،3،4 ، في تجارب معالجة أشباه الموصلات ،^5،6،7،8 على حواف البلازما المحصورة في توكاماك ،^9،10،11 وفي مجموعة واسعة من تجارب فيزياء البلازما الأساسية ، تم استخدام مجسات Langmuir لقياس كثافة البلازما ودرجات الحرارة التي تمتد عبر النطاقات 10⁸≤n_e≤10¹⁹م ^-3 ، و ^10-3 ≤ T_ه≤10²فولت  ، على التوالي. في وقت واحد في عشرينيات القرن العشرين ، اخترع المسبار الذي سمي الآن باسمه والمسبار الانبعاثي¹². يستخدم المسبار الانبعاثي الآن في المقام الأول كتشخيص لإمكانات البلازما. على الرغم من أنه لا يمكنه قياس اتساع معلمات البلازما التي يمكن لمسبار Langmuir قياسها ، إلا أنه أيضا تشخيص ذو فائدة واسعة عندما يتعلق الأمر بقياس إمكانات البلازما ، أو ، كما يطلق عليه أحيانا ، إمكانات الفضاء الكهروستاتيكي. على سبيل المثال ، يمكن للمسبار الانبعاثي قياس إمكانات الفضاء بدقة حتى في الفراغ ، حيث تكون مجسات Langmuir غير قادرة على قياس أي شيء.

يتكون الإعداد الأساسي لمسبار Langmuir من وضع قطب كهربائي في البلازما وقياس التيار الذي تم جمعه. يمكن استخدام خصائص الجهد الحالي (I-V) الناتجة لتفسير معلمات البلازما مثل درجة حرارة الإلكترون T_e وكثافة الإلكترون n_e وجهد البلازما φ¹³. بالنسبة لبلازما ماكسويل ، يمكن التعبير عن العلاقة بين تيار الإلكترون الذي تم جمعه I_e (يؤخذ على أنه موجب) وتحيز المسبار V_B على النحو^{التالي: 14}:

حيث i_e0 هو تيار تشبع الإلكترون ،

وحيث S هي منطقة تجميع المسبار ، هي كثافة الإلكترون السائبة ، e هي شحنة الإلكترون ، T_e هي درجة حرارة الإلكترون ، m_e هي كتلة الإلكترون. يتم توضيح العلاقة النظرية لخصائص I-V لتيار الإلكترون بطريقتين في الشكل 1A والشكل 1B. ملاحظة ، Eq. (1 أ ، ب) ينطبق فقط على الإلكترونات السائبة. ومع ذلك ، يمكن لتيارات مسبار Langmuir اكتشاف تدفقات الجسيمات المشحونة ، ويجب إجراء التعديلات في وجود الإلكترونات الأولية أو الحزم الإلكترونية أو الحزم الأيونية وما إلى ذلك. انظر هيرشكوفيتش¹⁴ لمزيد من التفاصيل.

تتناول المناقشة هنا الحالة المثالية لوظائف توزيع طاقة الإلكترون ماكسويل (EEDF). بالطبع ، هناك العديد من الظروف التي تنشأ فيها عدم المثالية ، لكن هذه ليست موضوع هذا العمل. على سبيل المثال ، في أنظمة النقش والترسيب بلازما معالجة المواد ، والتي عادة ما يتم توليدها واستدامتها بالترددات اللاسلكية ، هناك مخزونات تغذية الغاز الجزيئي التي تنتج جذور كيميائية متطايرة في البلازما ، وأنواع أيونات متعددة بما في ذلك الأيونات سالبة الشحنة. تصبح البلازما سالبية كهربية ، أي وجود جزء كبير من الشحنة السالبة في البلازما شبه المحايدة في شكل أيونات سالبة. في البلازما ذات المحايدات والأيونات الجزيئية ، يمكن أن تؤدي التصادمات غير المرنة بين الإلكترونات والأنواع الجزيئية إلى انخفاضات¹⁵ في خصائص الجهد الحالي ، ويمكن أن يؤدي وجود الأيونات السالبة الباردة ، الباردة بالنسبة للإلكترونات ، إلى تشوهات كبيرة¹⁶ بالقرب من إمكانات البلازما ، وكلها بالطبع ميزات غير ماكسويلية. قمنا بمقاضاة التجارب في العمل الذي تمت مناقشته في هذه الورقة في نوع واحد من الغاز النبيل (الأرجون) DC تفريغ البلازما ، خالية من هذه الأنواع من التأثيرات غير ماكسويل. ومع ذلك ، عادة ما يوجد EEDF ثنائي ماكسويل في هذه التصريفات ، بسبب وجود انبعاث إلكترون ثانوي¹⁷ من جدران الغرفة. عادة ما يكون هذا المكون من الإلكترونات الأكثر سخونة بضعة مضاعفات لدرجة حرارة الإلكترون البارد ، وأقل من 1٪ من الكثافة ، وعادة ما يمكن تمييزه بسهولة عن كثافة الإلكترون السائب ودرجة الحرارة.

عندما يصبح V_B أكثر سالبة من φ ، يتم تنافر الإلكترونات جزئيا بواسطة الجهد السلبي لسطح المسبار ، وميل ln (_{I e}) مقابل V_B هو e / T_e ، أي. 1 / T_eV حيث T_eV هي درجة حرارة الإلكترون في eV ، كما هو موضح في الشكل 1B. بعد تحديد T_eV ، يمكن اشتقاق كثافة البلازما على النحو التالي:

يشتق التيار الأيوني بشكل مختلف عن تيار الإلكترون. يفترض أن تكون الأيونات “باردة” بسبب كتلتها الكبيرة نسبيا ، M_i >> m_e ، مقارنة بكتلة الإلكترون ، وبالتالي ، في البلازما المتأينة بشكل ضعيف ، تكون الأيونات في توازن حراري جيد إلى حد ما مع ذرات الغاز المحايدة ، والتي تكون في درجة حرارة الجدار. يتم صد الأيونات بواسطة غلاف المسبار إذا ≥ V B φ ويتم جمعها إذا كان V_B < φ. يكون تيار الأيونات المجمعة ثابتا تقريبا للتحقيقات المتحيزة سلبا ، بينما ينخفض تدفق الإلكترون إلى المسبار لجهد تحيز المسبار أكثر سلبية من جهد البلازما. نظرا لأن تيار تشبع الإلكترون أكبر بكثير من تيار تشبع الأيونات ، فإن إجمالي التيار الذي يجمعه المسبار يتناقص. عندما يصبح انحياز المسبار سلبيا بشكل متزايد ، يكون الانخفاض في التيار الذي تم جمعه كبيرا أو صغيرا لأن درجة حرارة الإلكترون باردة أو ساخنة ، كما هو موضح أعلاه في Eq. (1 أ). معادلة التيار الأيوني في هذا التقريب هي:

أين

و

نلاحظ أن التدفق الأيوني الثابت الذي يجمعه المسبار يتجاوز التدفق الأيوني الحراري العشوائي بسبب التسارع على طول الغلاف المسبق للمسبار وبالتالي تصل الأيونات إلى حافة غمد المسبار بسرعة^{بوم 18} ، u_B ، بدلا من السرعة الحرارية للأيون¹⁹. والأيونات لها كثافة تساوي الإلكترونات؛ لأن الغلاف المسبق شبه متعادل. بمقارنة تيار تشبع الأيونات والإلكترونات في Eqn.5 و 2 ، نلاحظ أن مساهمة الأيونات في تيار المسبار أصغر من مساهمة الإلكترونات بعامل . هذا العامل حوالي 108 في حالة بلازما الأرجون.

هناك نقطة انتقال حادة حيث ينتقل تيار الإلكترون من الأسي إلى الثابت ، المعروف باسم “الركبة”. يمكن تقريب انحياز المسبار في الركبة على أنه جهد البلازما. في التجربة الحقيقية ، هذه الركبة ليست حادة أبدا ، ولكنها مستديرة بسبب تأثير شحنة الفضاء للمسبار ، أي توسيع الغمد المحيط بالمسبار ، وكذلك للتحقيق في التلوث ، وضوضاء البلازما¹³.

تعتمد تقنية مسبار Langmuir على تيار التجميع ، بينما تعتمد تقنية المسبار الانبعاثي على انبعاث التيار. لا تقيس مجسات الانبعاث درجة الحرارة ولا الكثافة. بدلا من ذلك ، فإنها توفر قياسات دقيقة لإمكانات البلازما ويمكن أن تعمل في ظل مجموعة متنوعة من المواقف نظرا لحقيقة أنها غير حساسة لتدفقات البلازما. تمت مناقشة نظريات واستخدام مجسات الانبعاث بشكل كامل في المراجعة الموضعية التي أجراها شيهان وهيرشكويتز²⁰ ، والمراجع الواردة فيها.

بالنسبة لكثافة البلازما 10¹¹ ≤ n_e ≤ 10^{18 m-3} ، يوصى باستخدام تقنية نقطة الانعطاف في حد الانبعاثات الصفرية ، مما يعني أخذ سلسلة من آثار I-V ، لكل منها تيارات تسخين خيوط مختلفة ، وإيجاد جهد انحياز نقطة الانعطاف لكل تتبع I-V ، واستقراء نقاط الانعطاف إلى حد الانبعاث الصفري للحصول على جهد البلازما ، كما هو موضح في الشكل 2.

من الافتراض الشائع أن تقنيات Langmuir والمسبار الانبعاثي تتفق في البلازما شبه المحايدة ، لكنها تختلف في الغمد ، وهي منطقة البلازما الملامسة للحدود التي تظهر فيها شحنة الفضاء. تركز الدراسة على إمكانات البلازما بالقرب من حدود البلازما ، في درجات الحرارة المنخفضة ، البلازما ذات الضغط المنخفض في محاولة لاختبار هذا الافتراض الشائع. لمقارنة قياسات الجهد بواسطة كل من مسبار Langmuir ومسبار الانبعاث ، يتم تحديد إمكانات البلازما أيضا من خلال تطبيق تقنية نقطة الانعطاف على مسبار Langmuir I-V ، كما هو موضح في الشكل 3. من المقبول عموما¹ أن جهد البلازما يتم العثور عليه من خلال إيجاد جهد تحيز المسبار الذي يتمايز عنده المشتق الثاني للتيار الذي تم جمعه فيما يتعلق بجهد التحيز ، أي ذروة منحنى dI / dV ، فيما يتعلق بجهد تحيز المسبار. يوضح الشكل 3 كيف يوجد هذا الحد الأقصى في dI / dV ، نقطة الانعطاف لخاصية الجهد الحالي.

مجسات Langmuir (التجميع) والمجسات الانبعاثية (المنبعثة) لها خصائص I-V مختلفة ، والتي تعتمد أيضا على هندسة طرف المسبار ، كما هو موضح في الشكل 4. يجب مراعاة تأثير شحنة الفضاء للمسبار قبل تصنيع المسبار. في التجارب ، بالنسبة لمجسات Langmuir المستوية ، استخدمنا قرص التنتالوم المستوي 1/4 بوصة. يمكننا جمع المزيد من التيار والحصول على إشارات أكبر باستخدام قرص أكبر. ومع ذلك ، من أجل تطبيق التحليلات أعلاه ، يجب أن تظل مساحة المسبار ، A_p أصغر من مساحة فقدان الإلكترون في الغرفة ، A_w ، مما يحقق²¹ عدم المساواة . بالنسبة لمسبار Langmuir الأسطواني ، استخدمنا سلك تنغستن بسمك 0.025 مم وطول 1 سم لمسبار Langmuir الأسطواني ونفس السماكة لسلك التنغستن للمسبار الانبعاثي. من المهم ملاحظة أنه بالنسبة لمجسات Langmuir الأسطوانية ، بالنسبة لمعلمات البلازما لهذه التجارب ، يكون نصف قطر طرف المسبار ، r_p ، أصغر بكثير من طوله ، L_p ، وأصغر من طول Debye ، λ_D ؛ هذا هو، و . في هذا النطاق من المعلمات ، بتطبيق نظرية الحركة المدارية المحدودة وتطوير لافرامبواز لها²² لحالة الإلكترونات والأيونات الحرارية ، نجد أنه بالنسبة لجهد تحيز المسبار مساويا أو أكبر من جهد البلازما ، يمكن تحديد معلمات تيار الإلكترون الذي تم جمعه بواسطة دالة من الشكل ، حيث الأس. النقطة المهمة هنا هي أنه بالنسبة لقيم هذا الأس الأقل من الوحدة ، فإن طريقة نقطة الانعطاف لتحديد جهد البلازما ، كما هو موضح في الفقرة أعلاه ، تنطبق على مجسات Langmuir الأسطوانية أيضا.