Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

الهدف الرئيسي من هذا العمل هو تسهيل الأمر على المجموعات البحثية غير المألوفة لتحقيقات Langmuir وتحقيقات الانبعاث لاستخدامها كتشخيص للبلازما ، خاصة بالقرب من حدود البلازما. نقوم بذلك من خلال توضيح كيفية بناء المجسات من المواد والإمدادات المتاحة بسهولة.

Abstract

منذ فترة طويلة تستخدم تحقيقات Langmuir في أبحاث فيزياء البلازما التجريبية كتشخيص أولي لتدفقات الجسيمات (أي تدفقات الإلكترون والأيونات) وتركيزاتها المكانية المحلية ، لدرجات حرارة الإلكترون ، ولقياسات إمكانات البلازما الكهروستاتيكية ، منذ اختراعها من قبل Langmuir في أوائل عشرينيات القرن العشرين. تستخدم مجسات الانبعاث لقياس إمكانات البلازما. تعمل البروتوكولات المعروضة في هذا العمل على توضيح كيفية بناء هذه المجسات للاستخدام في غرفة مفرغة يمكن فيها حصر تفريغ البلازما واستدامته. يتضمن ذلك تقنيات الفراغ لبناء ما هو في الأساس تغذية كهربائية ، وهو قابل للتدوير والترجمة. بالتأكيد ، يمكن شراء أنظمة مسبار Langmuir كاملة ، ولكن يمكن أيضا أن يبنيها المستخدم مع توفير كبير في التكاليف ، وفي نفس الوقت يتم تكييفها بشكل مباشر مع استخدامها في تجربة معينة. نصف استخدام مجسات Langmuir ومجسات الانبعاث في رسم خرائط إمكانات البلازما الكهروستاتيكية من جسم البلازما إلى منطقة غمد حدود البلازما ، والتي يتم إنشاؤها في هذه التجارب بواسطة قطب كهربائي متحيز سلبا مغمور داخل البلازما ، من أجل مقارنة تقنيتي التشخيص وتقييم مزاياهما وضعفهما النسبية. على الرغم من أن مجسات Langmuir تتمتع بميزة قياس كثافة البلازما ودرجة حرارة الإلكترون بشكل أكثر دقة ، إلا أن مجسات الانبعاث يمكنها قياس إمكانات البلازما الكهروستاتيكية بشكل أكثر دقة في جميع أنحاء البلازما ، بما في ذلك منطقة الغمد.

Introduction

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 الصناعية2،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≤ne≤1019م -3 ، و 10-3 ≤ Tه≤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 Te وكثافة الإلكترون ne وجهد البلازما φ13. بالنسبة لبلازما ماكسويل ، يمكن التعبير عن العلاقة بين تيار الإلكترون الذي تم جمعه Ie (يؤخذ على أنه موجب) وتحيز المسبار VB على النحوالتالي: 14:

figure-introduction-2203

حيث ie0 هو تيار تشبع الإلكترون ،

figure-introduction-2372

وحيث S هي منطقة تجميع المسبار ، figure-introduction-2501 هي كثافة الإلكترون السائبة ، e هي شحنة الإلكترون ، Te هي درجة حرارة الإلكترون ، me 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 VB أكثر سالبة من φ ، يتم تنافر الإلكترونات جزئيا بواسطة الجهد السلبي لسطح المسبار ، وميل ln (I e) مقابل VB هو e / Te ، أي. 1 / TeV حيث TeV هي درجة حرارة الإلكترون في eV ، كما هو موضح في الشكل 1B. بعد تحديد TeV ، يمكن اشتقاق كثافة البلازما على النحو التالي:

figure-introduction-5006

يشتق التيار الأيوني بشكل مختلف عن تيار الإلكترون. يفترض أن تكون الأيونات "باردة" بسبب كتلتها الكبيرة نسبيا ، Mi >> me ، 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 VB < 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:

figure-introduction-6049

أين

figure-introduction-6178

و

figure-introduction-6305

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 بسرعةبوم 18 ، uB ، 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 figure-introduction-6887. 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 ≤ ne ≤ 1018 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 ، figure-introduction-9030أي 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 ، Ap أصغر من مساحة فقدان الإلكترون في الغرفة ، Aw ، مما يحقق21 عدم المساواة figure-introduction-9928. 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 ، rp ، أصغر بكثير من طوله ، Lp ، وأصغر من طول Debye ، λD ؛ هذا هو، figure-introduction-10399و figure-introduction-10469. 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 figure-introduction-10826، حيث figure-introduction-10900 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.

Protocol

1. بناء مجسات Langmuir وتحقيقات الانبعاث لتناسب غرفة فراغ

  1. مسبار Langmuir المستوي (انظر الشكل 5 لمزيد من التفاصيل)
    1. خذ أنبوبا من الفولاذ المقاوم للصدأ بقطر 1/4 بوصة كعمود مسبار وثني أحد طرفيه إلى الزاوية المطلوبة 90 درجة.
    2. اقطع الجانب غير المثني إلى طول بحيث يمكن للمسبار أن يغطي محوريا أكثر من نصف طول الغرفة.
    3. قم بتركيب الجانب غير المثني من العمود من خلال الأنبوب النحاسي بواسطة محول SS-4-UT-A-8 مع تركيب أنبوب الاتحاد B-810-6.
    4. استخدم أنبوبا نحاسيا 1/2 بوصة يمتد خارج الشفاه المخصصة من خلال واجهة B-810-1-OR swagelok لتوفير الدعم المحوري لعمود المسبار.
    5. قم بتوصيل الطرف غير المثني لعمود المسبار بمبيت BNC من خلال تركيب B-400-1-OR swagelok ، كما هو موضح في الشكل 6.
    6. قم بتركيب سلك النيكل المطلي بالذهب من خلال أنبوبين من الألومينا أحاديي التجويف (قطرهما 1/8 بوصة و 3/16 بوصة) مع تركيب سلك أكثر سمكا داخل عمود المسبار ، كما هو موضح في الشكل 7.
    7. قم بلحام أحد طرفي سلك النيكل المطلي بالذهب على قطعة من الأسلاك المجردة ، والتي يتم لحامها على دبوس تغذية BNC في نهاية عمود المسبار.
    8. قم بقطع السلك المطلي بالذهب بحيث يتناسب المفصل مع السلك المجرد داخل أنبوب الألومينا لمنع ماس كهربائى مع عمود المسبار.
    9. لكمة من خلال ورقة التنتالوم لعمل طرف مسبار Langmuir مستو (قطره 1/4 بوصة)
    10. قم بلحام الطرف الآخر من سلك النيكل المطلي بالذهب على حافة طرف المسبار واضبط طرف المسبار ليكون طبيعيا على محور اللوحة الحدودية.
    11. ضع طرف المسبار للأمام قليلا حتى لا يلمس جسم المسبار اللوحة الحدودية أثناء أخذ القياسات داخل الغمد.
    12. أغلق جميع الوصلات بعجينة السيراميك (على سبيل المثال ، Sauereisen Cement No. 31) لعزل مكونات دائرة المسبار عن البلازما. استخدم مسدسا حراريا لخبز الوصلات الخزفية لمدة 5-10 دقائق.
    13. استخدم مقياسا متعددا لقياس المقاومة بين طرف المسبار وموصل BNC. إذا تم إثبات الاستمرارية ، يكون المسبار جاهزا لوضعه في غرفة التفريغ.
  2. بناء مسبار انبعاث أسطواني (انظر الشكل 8 لمزيد من التفاصيل)
    1. اتبع الخطوة 1.1.1-1.1.4 وكرر الخطوة 1.1.5-1.1.7 على نفس عمود المسبار مرتين باستثناء استخدام أنبوب ألومينا 1/8 بوصة ثنائي التجويف بدلا من أنبوب أحادي التجويف.
    2. قطع سلك التنغستن بقطر 0.025 مم إلى حوالي 1 سم.
    3. قم بلحام خيوط التنغستن على الأسلاك المطلية بالذهب.
    4. أغلق جميع الوصلات بعجينة السيراميك وتأكد من عدم وصول معجون السيراميك إلى خيوط التنغستن.
    5. تحقق من الاستمرارية بين نهايتين BNC.

2. توليد البلازما

  1. قم بتشغيل مقياس الأيونات للتحقق من الضغط الأساسي قبل وضع الغاز في الغرفة. استمر في تصفير مقياس الباراترون إذا كان الضغط في نطاق Torr المنخفض 10-6 . خلاف ذلك ، تحقق من التسرب في النظام. مواضع صمام الإبرة وقيمة الإغلاق مفتوحة ومغلقة ، على التوالي.
  2. استخدم مفك براغي بلاستيكي لمعايرة شاشة الباراترون حتى يطفو الرقم بين ±0.01 mTorr.
  3. أغلق صمام الإبرة بحيث يجلس برفق في وضع مغلق.
  4. افتح صمام الإغلاق. تأكد من عدم وجود تغيير في الضغط على قراءة الباراترون.
  5. أدر مقبض صمام الإبرة ببطء لإطلاق الغاز في الحجرة حتى يصل الضغط إلى متطلبات التجربة. ينبع ضغط العمل النموذجي من 10-5 ~ 2 × 10-3 Torr. وشملت الغازات العاملة الأرجون والزينون والكريبتون والأكسجين وما إلى ذلك.
  6. قم بتشغيل مصدر طاقة جهد كيبكو واضبط الجهد على -60 فولت لتوفير طاقة إلكترونية كافية لأقصى مقطع عرضي للتأين للأرجون. قم بتشغيل مصدر طاقة التسخين للخيوط واضبط المستوى ببطء حتى يقرأ تيار التفريغ القيمة المطلوبة. يميل تيار التفريغ إلى الانخفاض بسرعة في الدقائق القليلة الأولى. استمر في ضبط المستوى الحالي لمدة 30 دقيقة تقريبا حتى يستقر التفريغ
  7. قم بتوصيل مصدر الجهد بلوحة الحدود واضبط التحيز على المستوى المطلوب.

3. خذ القياسات

ملاحظة: يتم الحصول على آثار I-V لتحقيقات Langmuir ومجسات الانبعاث بواسطة لوحة DAQ 16 بت يتم التحكم فيها بواسطة برنامج Labview. لا يتم تقديم التفاصيل هنا نظرا لأن المستخدمين المختلفين لديهم تفضيلات مختلفة لأخذ البيانات. ومع ذلك ، هناك بروتوكول لكيفية استخدام المجسات.

  1. خذ خط الحمل: احصل على تتبع I-V دون أي تفريغ بلازما في الغرفة مع إجراء جميع التوصيلات بين المسبار ودائرة القياس الخاصة به (انظر الشكل 9 والشكل 10 والشكل 11 لإعداد UW-Madison و USD).
  2. تحقيقات لانغموير
    1. قم بتنظيف طرف المسبار (هذه الخطوة حاسمة ، حيث يظهر المسبار النظيف "ركبة" أكثر حدة من المسبار المتسخ) عن طريق تحيز المسبار بشكل إيجابي لجمع تيار إلكترون كبير.
      1. ارسم تيارا عبر المسبار بمصدر طاقة متغير و 50 أوم إلى أرض الماكينة لتسخين الطرف لتبخر طبقة الشوائب التي تعلق على الفور على سطح المسبار في البلازما وزيادة المقاومة السطحية للمسبار.
      2. قم بزيادة التحيز ببطء بشكل إيجابي لتجاوز إمكانات البلازما ، مما يسمح للمسبار بالبدء في سحب تيار تشبع الإلكترون.
      3. الاستمرار في رفع الإمكانات ؛ بمجرد أن يرى المرء طرف المسبار متوهجا باللون الأحمر الكرزي ، يكون المسبار نظيفا. من الضروري أن يكون لديك عرض لطرف المسبار في البلازما من خلال منفذ عرض فراغي.
      4. كن حذرا ويقظا مع تغيير التحيز على المسبار. إذا سمح للمسبار أن يصبح ساخنا جدا ، فقد يصبح طرف المسبار نفسه مشوها ، ويمكن أن تحدث أشياء أسوأ ، مثل أن الطرف يمكن أن يحتوي على ثقوب فيه ، ويمكن أن يتبخر ، ويمكن أن يسقط ؛ يمكن أن تذوب الأسلاك وتفقد عزلها ، وهكذا دواليك.
      5. قم بتوصيل المسبار بدائرة الحصول على البيانات والتحكم فيها (هذا هو الجزء الذي سيختلف من مختبر إلى آخر) ، واستمر في اكتساح الجهد المطبق على المسبار مع قياس التيار الذي يسحبه المسبار في نفس الوقت. احفظ تتبع I-V.
    2. قم بتوصيل المسبار بدائرة الحصول على البيانات والتحكم فيها (هذا هو الجزء الذي سيختلف من مختبر إلى آخر) ، واستمر في اكتساح الجهد المطبق على المسبار مع قياس التيار الذي يسحبه المسبار في نفس الوقت. احفظ تتبع I-V.
  3. تحقيقات الانبعاث
    1. كرر الخطوة 3.2.2 مع دائرة الحصول على البيانات والتحكم في المسبار الانبعاثي.

4. تحليل البيانات

  1. مجسات Langmuir (انظر الشكل 12 ، الشكل 13 لمزيد من التفاصيل).
    1. اطرح خط التحميل من إجمالي خاصية I-V.
    2. تناسب تيار التشبع الأيوني واطرح من خصائص I-V المتبقية.
    3. خذ السجل الطبيعي للتيار ورسمه مقابل جهد المسبار.
    4. خذ نوبات خطية من المنطقة الانتقالية والتشبع الحالي بشكل منفصل.
    5. خذ معكوس ميل المنطقة الانتقالية واحصل على قيمة درجة حرارة الإلكترون.
    6. احصل على كثافة البلازما عن طريق توصيل التيار عند المعبر حيث يتقاطع الخطان المجهزان مع بعضهما البعض إلى Eq.3.
    7. تطبيق تقنية نقطة الانعطاف على تتبع مسبار Langmuir وتحديد إمكانات البلازما.
  2. مسبار الانبعاث (راجع الشكل 2).
    1. كرر الخطوة 4.1.1-4.1.2 لخصائص I-V الفردية ، ثم قم بتنعيم كل تتبع.
    2. قم بتمييز كل أثر I-V وقم بتطبيق التنعيم المناسب.
    3. حدد قمة كل dI/dV (نقطة انعطاف) ناعمة.
    4. ضع ملاءمة خطية على نقاط الانعطاف.
    5. احصل على إمكانات البلازما عن طريق تحديد موقع التقاطع الصفري للخط المجهز.

النتائج

تعتبر مسابير Langmuir ، المعروفة بأنها حساسة للتدفقات والطاقة الحركية للجسيمات التي تجمعها ، حتى الآن أنها تنتج قياسا صالحا لإمكانات البلازما ، باستثناء الأغماد. لكن المقارنات المباشرة لإمكانات البلازما التي تم قياسها بواسطة مجسات Langmuir ومجسات الانبعاث أظهرت أنه في منطقة الغلاف شبه المحايد ...

Discussion

تستخدم مجسات Langmuir لقياسات تدفق الجسيمات في مجموعة واسعة بشكل غير عادي من كثافات البلازما ودرجات الحرارة ، من البلازما الفضائية التي تكون فيها كثافة الإلكترون مجرد عدد قليل من الجسيمات 106 m-3 إلى منطقة حافة بلازما الاندماج حيث تكون كثافة الإلكترون أشبه بعدة مرات 1020 m-3

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

تم تمويل هذا العمل جزئيا من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، من خلال grantDE-SC00114226 ، والمؤسسة الوطنية للعلوم من خلال المنح PHY-1464741 و PHY-1464838 و PHY-1804654 و PHY-1804240

تحية لنوح هيرشكوفيتش:
قدم نوح هيرشكوفيتز مساهمات رائدة في فيزياء البلازما بينما حصل على احترام وإعجاب زملائه وطلابه ، كعالم وإنسان.  وأوضح ذات مرة أن "الفيزياء تشبه أحجية الصور المقطوعة القديمة حقا. جميع القطع مهترئة. حوافها فاسدة. تم تجميع بعض القطع معا بطريقة خاطئة. إنهم مناسبون نوعا ما ، لكنهم ليسوا في الواقع في الأماكن الصحيحة. اللعبة هي وضعهم معا بالطريقة الصحيحة لمعرفة كيف يعمل العالم.  توفي في 13 نوفمبر 2020 عن عمر يناهز 79 عاما.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
0.001" thick tungsten wireMidwest Tungsten Service0.001"Emissive probe filament
0.005" thick tantalum sheetMidwest Tungsten Service0.005"Heating filament to generate plasma
1/2" Brass supprting tube
1/4" Brass Ferrule SetSwagelokB-400-SETInterface between stainless probe shaft and swagelok tube fitting
1/4" OD 304 or 315 stainless steel tubeSwagelokSS-T4-S-035-20Used to make the probe shaft, order seamless, sold in 20' lengths
Alumina tubesCOORSTEK65655, single bore 0.156" OD 0.094 IDsingle bore, double bore, quadruple bore, use for support structure for both emissive and Langmuir probes between the probe tip and shaft
Baratron gaugeMKSType 127Display the pressure when there's gas flowing in the chamber
Brass Swagelok Tube FittingSwagelokB-400-1-ORTube fittings used on the probe
Brass Swagelok Tube FittingSwagelokB-810-6Tube fittings used on the probe
Brass Swagelok Tube FittingSwagelokB-810-1-ORTube fittings used on the probe
Ceramic liquidSauereisenNo. 31 Ceramic Encapsulant LiquidMix with No.31 cement power to make the ceramic paste
Ceramic powderSauereisenCement Powder No. 31 Off-WhiteThere are Saureisen cements that cure with water, e.g. No.10 Powder
Gold plated nickel wireSYLVANIA ELECTRIC PRODUCTspod-welded to the probe tip to provide supports
Ion gauge controllerGranville-Phillips270 Gauge controllerHeat up the ion gauge and display pressure inside the chamber
Mechanical pumpLeybold D60 D60ACD60 D60ACBring the pressure down to ~10 mTorr then serve as the backing pump for the turbo pump
needle valveWhiteySS-22RS4Metering Micro-Needle Micrometer Valve 1/4" Tube Swagelok fittings
Power supplyKepcoATE 100-10MVoltage Bias supply of heating filament
Power supplySorensenDCR 20-115BHeating supply of heating filament
shutoff valveKurt J. LeskerNupro SS-4BKKnob handle, for 1/4" tubing, swagelok fittings
Stainless Steel Ultra-Torr Vacuum FittingSwagelokSS-4-UT-A-8Tube fittings used on the probe
Teflon coated wireGeyer SystemsP31546Connect the gold-coated wire to BNC pin
Turbo pumpPFEIFFERTPH 240 CBring the pressure down to 1E-6 Torr
Vacuum greaseAPIEZONL Ultra High Vacuum Grade GreaseVacuum grease used to lubricate the oring
Viton OringsGrainger#031Round #031 Medium Hard Viton O-Ring, 1.739" I.D., 1.879" O.D
Viton OringsGrainger#010Round #010 Medium Hard Viton O-Ring, 0.239" I.D., 0.379"O.D

References

  1. Godyak, V. A., Alexandrovich, B. M. Comparative analyses of plasma probe diagnostics techniques. Journal of Applied Physics. 118, 233302 (2015).
  2. Gurnett, D. A., et al. The Cassini Radio and Plasma wave investigation. Space Science Reviews. 114, 395-463 (2004).
  3. Olson, J., Brenning, N., Wahlund, J. E., Gunell, H. On the interpretation of Langmuir probe data inside a spacecraft sheath. Review of Scientific Instruments. 81, 105106 (2010).
  4. Lebreton, J. P., et al. The ISL Langmuir probe experiment processing onboard DEMETER: Scientific objectives, description and first results. Planetary and Space Science. 54, 472-486 (2006).
  5. Godyak, V. A., Piejak, R. B., Alexandrovich, B. M. Measurements of electron energy distribution in low-pressure RF discharges. Plasma Sources Science and Technology. 1, 36-58 (1992).
  6. You, K. H., et al. Experimental and computational investigations of the effect of the electrode gap on capacitively coupled radio frequency oxygen discharges. Physics of Plasmas. 26, 013503 (2019).
  7. Sobolewski, M. A., Kim, J. H. The effects of radio-frequency bias on electron density in an inductively coupled plasma reactor. Journal of Applied Physics. 102 (11), 113302 (2007).
  8. Godyak, V. A., Piejak, R. B., Alexandrovich, B. M. Electron energy distribution function measurements and plasma parameters in inductively coupled argon plasma. Plasma Sources Science and Technology. 11, 525-543 (2002).
  9. Leonard, A. W. Plasma detachment in divertor tokamaks. Plasma Physics and Controlled Fusion. 60, 044001 (2018).
  10. Loarte, A., et al. Plasma detachment in JET Mark I divertor experiments. Nuclear Fusion. 38, 331-371 (1998).
  11. Matthews, G. F. Tokamak plasma diagnosis by electrical probes. Plasma Physics and Controlled Fusion. 36, 1595-1628 (1994).
  12. Langmuir, I. The pressure effect and other phenomena in gaseous discharges. Journal of the Franklin Institute. 196, 751-762 (1923).
  13. Hutchinson, I. H. . Principles of Plasma Diagnostics. 2nd. Ed. , (2002).
  14. Hershkowitz, N., Auciello, N., Flamm, D. L. How Langmuir Probes Work. Plasma Diagnostics Volume 1 Discharge Parameters and Chemistry. , 114 (1989).
  15. Lee, H. C., Lee, J. K., Chung, W. C. Evolution of the electron energy distribution and E-H mode transition in inductively coupled nitrogen plasma. Physics of Plasmas. 17, 033506 (2010).
  16. Amemiya, H. Plasmas with negative ions-probe measurements and charge equilibrium. Journal of Physics D: Applied Physics. 23, 999 (1990).
  17. Andreu, J., Sardin, G., Esteve, J., Morenza, J. L. Filament discharge plasma of argon with electrostatic confinement. Journal of Physics D: Applied Physics. 18, 1339-1345 (1985).
  18. Bohm, D., Guthrie, A., Wakering, R. K. Minimum Kinetic Energy Requirement for a Stable Sheath. The Characteristics of Electrical Discharges in Magnetic Fields. , (1949).
  19. Chen, F. F. . Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, 3rd Ed. , (2016).
  20. Sheehan, J. P., Hershkowitz, N. Emissive probes. Plasma Sources Science and Technology. 20, 063001 (2011).
  21. Barnat, E. V., Laity, G. R., Baalrud, S. D. Response of the plasma to the size of an anode electrode biased near the plasma potential. Physics of Plasmas. 21, 103512 (2014).
  22. Mausbach, M. Parametrization of the Laframboise theory for cylindrical Langmuir probe analysis. Journal of Vacuum Science and Technology A. 15, 2923-2929 (1997).
  23. Li, P., Hershkowitz, N., Wackerbarth, E., Severn, G. Experimental studies of the difference between plasma potentials measured by Langmuir probes and emissive probes in presheaths. Plasma Sources Science and Technology. 29, 025015 (2020).
  24. Goeckner, M. J., Goree, J., Sheridan, T. E. Measurements of ion velocity and density in the plasma sheath. Physics of Fluids B: Plasma Physics. 4, 1663 (1992).
  25. Lee, D., Hershkowitz, N., Severn, G. D. Measurements of Ar+ and Xe+ velocities near the sheath boundary of Ar-Xe plasma using two diode lasers. Applied Physics Letters. 91, 041505 (2007).
  26. Yan, S., Kamal, H., Amundson, J., Hershkowitz, N. Use of emissive probes in high pressure plasma. Review of Scientific Instruments. 67 (12), 4130-4137 (1996).
  27. Smith, J. R., Hershkowitz, N., Coakley, P. Inflection-point method of interpreting emissive probe characteristics. Review of Scientific Instruments. 50, 210-218 (1979).
  28. Campanell, M. D., Umansky, M. V. Strongly Emitting Surfaces Unable to Float below Plasma Potential. Physical Review Letters. 116, 085003 (2016).
  29. Kraus, B. F., Raitses, Y. Floating potential of emitting surfaces in plasmas with respect to the space potential. Physics of Plasmas. 25, 030701 (2018).
  30. Yip, C. -. S., Jin, C., Zhang, W., Xu, G. S., Hershkowitz, N. Experimental investigation of sheath effects on I-V traces of strongly electron emitting probes. Plasma Sources Science and Technology. 29, 025025 (2020).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

JoVE 171 Langmuir

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved