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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, Forschungsgruppen, die mit Langmuir-Sonden und Emissionssonden nicht vertraut sind, die Verwendung als Plasmadiagnostik zu erleichtern, insbesondere in der Nähe von Plasmagrenzen. Wir tun dies, indem wir demonstrieren, wie die Sonden aus leicht verfügbaren Materialien und Verbrauchsmaterialien gebaut werden.

Zusammenfassung

Langmuir-Sonden werden seit ihrer Erfindung durch Langmuir in den frühen 1920er Jahren seit langem in der experimentellen Plasmaphysik als primäre Diagnose für Teilchenflüsse (d. h. Elektronen- und Ionenflüsse) und ihre lokalen räumlichen Konzentrationen, für Elektronentemperaturen und für elektrostatische Plasmapotentialmessungen verwendet. Emissionssonden werden zur Messung von Plasmapotentialen verwendet. Die in dieser Arbeit gezeigten Protokolle dienen dazu, zu demonstrieren, wie diese Sonden für den Einsatz in einer Vakuumkammer gebaut werden können, in der eine Plasmaentladung eingeschlossen und aufrechterhalten werden kann. Dabei handelt es sich um Vakuumtechniken zum Aufbau einer elektrischen Durchführung, die dreh- und verschiebbar ist. Sicherlich können komplette Langmuir-Sondensysteme erworben werden, aber sie können auch vom Benutzer mit erheblichen Kosteneinsparungen gebaut und gleichzeitig direkter an ihren Einsatz in einem bestimmten Experiment angepasst werden. Wir beschreiben die Verwendung von Langmuir-Sonden und Emissionssonden bei der Abbildung des elektrostatischen Plasmapotentials vom Plasmakörper bis zum Mantelbereich einer Plasmagrenze, die in diesen Experimenten durch eine negativ vorgespannte Elektrode erzeugt wird, die in das Plasma eingetaucht ist, um die beiden diagnostischen Techniken zu vergleichen und ihre relativen Vor- und Nachteile zu bewerten. Obwohl Langmuir-Sonden den Vorteil haben, die Plasmadichte und die Elektronentemperatur am genauesten zu messen, können emittierende Sonden elektrostatische Plasmapotentiale im gesamten Plasma bis einschließlich des Mantelbereichs genauer messen.

Einleitung

Während dieses ersten Jahrhunderts der plasmaphysikalischen Forschung, das auf Langmuirs Entdeckungen des mediumartigen Verhaltens eines neuen Materiezustands, des Plasmas, in den 1920er Jahren zurückgeht, hat sich die Langmuir-Sonde als die wichtigste Diagnostik von Plasmaparametern erwiesen. Dies ist zum Teil auf den außergewöhnlichen Anwendungsbereich zurückzuführen1. In Plasma, das von Satelliten 2,3,4 angetroffen wurde, in Halbleiterverarbeitungsexperimenten,5,6,7,8 an den Rändern des Plasmas, das in Tokamaks eingeschlossen ist,9,10,11 und in einer Vielzahl von grundlegenden plasmaphysikalischen Experimenten wurden Langmuir-Sonden verwendet, um Plasmadichten und -temperaturen in den Bereichen 10 8≤ne zu messen.≤1019 m-3 bzw. 10-3≤Te≤102eV . Gleichzeitig erfand er in den 1920er Jahren die heute nach ihm benannte Sonde und die Emissionssonde12. Die Emissionssonde wird heute vor allem zur Diagnostik des Plasmapotentials eingesetzt. Obwohl sie nicht die Breite der Plasmaparameter messen kann, die die Langmuir-Sonde kann, ist sie auch eine Diagnostik von großem Nutzen, wenn es um die Messung des Plasmapotentials oder, wie es manchmal genannt wird, des elektrostatischen Raumpotentials geht. Zum Beispiel kann die Emissionssonde Raumpotentiale auch im Vakuum genau messen, wo Langmuir-Sonden nichts messen können.

Der Grundaufbau der Langmuir-Sonde besteht darin, eine Elektrode in das Plasma zu stecken und den gesammelten Strom zu messen. Die resultierenden Strom-Spannungs-Eigenschaften (I-V) können verwendet werden, um Plasmaparameter wie Elektronentemperatur Te, Elektronendichte ne und Plasmapotential φ13 zu interpretieren. Für ein Maxwell'sches Plasma kann die Beziehung zwischen gesammeltem Elektronenstrom Ie (als positiv angenommen) und Sondenvorspannung VB als14 ausgedrückt werden:

figure-introduction-2493

wobei Ie0 der Elektronensättigungsstrom ist,

figure-introduction-2674

und wobei S die Sammelfläche der Sonde ist, figure-introduction-2815 die Elektronendichte ist, e die Elektronenladung ist, Te die Elektronentemperatur ist, me die Elektronenmasse ist. Die theoretische Beziehung der I-V-Eigenschaften für den Elektronenstrom wird in Abbildung 1A und Abbildung 1B auf zwei Arten dargestellt. Beachten Sie, dass Gl. (1a,b) nur für Bulk-Elektronen gilt. Langmuir-Sondenströme können jedoch Flüsse geladener Teilchen erkennen, und Anpassungen müssen in Gegenwart von Primärelektronen, Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen usw. vorgenommen werden. Siehe Hershkowitz14 für weitere Details.

Die Diskussion hier greift den Idealfall der Maxwellschen Elektronenenergieverteilungsfunktionen (EEDF) auf. Natürlich gibt es viele Umstände, unter denen Nicht-Idealitäten entstehen, aber diese sind nicht Gegenstand dieser Arbeit. Beispielsweise gibt es in materialverarbeitenden Ätz- und Abscheidungsplasmasystemen, die typischerweise HF-erzeugt und aufrechterhalten werden, molekulare Gasausgangsstoffe, die flüchtige chemische Radikale im Plasma erzeugen, und mehrere Ionenspezies, einschließlich negativ geladener Ionen. Das Plasma wird elektronegativ, dh es hat einen signifikanten Anteil der negativen Ladung im quasineutralen Plasma in Form von negativen Ionen. In Plasma mit molekularen Neutralen und Ionen können inelastische Kollisionen zwischen Elektronen und den molekularen Spezies Einbrüche15 in den Strom-Spannungs-Eigenschaften erzeugen, und das Vorhandensein von kalten negativen Ionen, die im Verhältnis zu den Elektronen kalt sind, kann signifikante Verzerrungen16 in der Nähe des Plasmapotentials erzeugen, die natürlich alle nicht-Maxwellsche Merkmale sind. Wir haben die Experimente in der in diesem Artikel diskutierten Arbeit in einem einzelnen Ionenspezies-Edelgas (Argon) DC-Entladungsplasma fortgesetzt, das frei von dieser Art von nicht-Maxwellschen Effekten ist. In diesen Entladungen findet sich jedoch typischerweise ein bi-Maxwellscher EEDF, der durch das Vorhandensein von Sekundärelektronenemission17 aus den Kammerwänden verursacht wird. Diese Komponente heißerer Elektronen ist typischerweise ein Vielfaches der kalten Elektronentemperatur und weniger als 1% der Dichte, die typischerweise leicht von der Dichte und Temperatur der Massenelektronen zu unterscheiden ist.

Wenn VB negativer wird als φ, werden Elektronen teilweise durch das negative Potential der Sondenoberfläche abgestoßen, und die Steigung von ln(Ie) vs. VB ist e/Te, dh. 1/TeV , wobei TeV die Elektronentemperatur in eV ist, wie in Abbildung 1B gezeigt. Nach der Bestimmung von TeV kann die Plasmadichte wie folgt abgeleitet werden:

figure-introduction-5865

Der Ionenstrom wird anders abgeleitet als der Elektronenstrom. Es wird angenommen, dass Ionen aufgrund ihrer relativ großen Masse Mi >> me im Vergleich zu der des Elektrons "kalt" sind, so dass sich die Ionen in einem schwach ionisierten Plasma in einem ziemlich guten thermischen Gleichgewicht mit den neutralen Gasatomen befinden, die sich bei der Wandtemperatur befinden. Ionen werden von der Sondenhülle abgestoßen, wenn VB φ ≥ , und gesammelt, wenn VB < φ. Der gesammelte Ionenstrom ist bei negativ vorgespannten Sonden annähernd konstant, während der Elektronenfluss zur Sonde bei Sondenvorspannungen, die negativer sind als das Plasmapotential, abnimmt. Da der Elektronensättigungsstrom viel größer ist als der Ionensättigungsstrom, nimmt der von der Sonde gesammelte Gesamtstrom ab. Wenn die Sondenvorspannung zunehmend negativ wird, ist der Abfall des gesammelten Stroms groß oder klein, da die Elektronentemperatur kalt oder heiß ist, wie oben in Gl. (1a) beschrieben. Die Gleichung für den Ionenstrom in dieser Näherung lautet:

figure-introduction-7109

wo

figure-introduction-7237

und

figure-introduction-7366

Wir stellen fest, dass der konstante Ionenfluss, der von der Sonde gesammelt wird, den zufälligen thermischen Ionenfluss aufgrund der Beschleunigung entlang der Vorhülle der Sonde übersteigt und somit Ionen den Mantelrand der Sonde mit der Bohm-Geschwindigkeit18, uB, und nicht mit der thermischen Ionengeschwindigkeit19 erreichen. Und die Ionen haben eine Dichte, die den Elektronen entspricht, da die Vorhülle quasi neutral ist. Beim Vergleich des Ionen- und Elektronensättigungsstroms in Gl. 5 und 2 stellen wir fest, dass der Ionenbeitrag zum Sondenstrom um den Faktor kleiner figure-introduction-8103ist als der der Elektronen. Dieser Faktor liegt bei Argonplasma bei etwa 108.

Es gibt einen scharfen Übergangspunkt, an dem der Elektronenstrom von exponentiell zu konstant wird, der als "Knie" bezeichnet wird. Die Sondenvorspannung am Knie kann als Plasmapotential angenähert werden. Im realen Experiment ist dieses Knie nie scharf, sondern abgerundet, was auf den Raumladungseffekt der Sonde zurückzuführen ist, d. h. auf die Ausdehnung der Hülle, die die Sonde umgibt, und auch auf die Kontamination der Sonde und das Plasmarauschen13.

Die Langmuir-Sondentechnik basiert auf dem Sammelstrom, während die Emissionssondentechnik auf der Stromemission basiert. Emissionssonden messen weder Temperatur noch Dichte. Stattdessen liefern sie präzise Plasmapotentialmessungen und können in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden, da sie unempfindlich gegenüber Plasmaströmungen sind. Die Theorien und die Verwendung von Emissionssonden werden in der thematischen Übersicht von Sheehan und Hershkowitz20 und den darin enthaltenen Referenzen ausführlich diskutiert.

Für die Plasmadichte 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3 wird die Wendepunkttechnik an der Grenze der Nullemission empfohlen, was bedeutet, eine Reihe von I-V-Kurven mit jeweils unterschiedlichen Filamentheizströmen zu nehmen, die Wendepunkt-Vorspannung für jede I-V-Kurve zu ermitteln und die Wendepunkte bis zur Grenze der Nullemission zu extrapolieren, um das Plasmapotential zu erhalten. wie in Abbildung 2 dargestellt.

Es ist eine gängige Annahme, dass Langmuir- und Emissionssondentechniken im quasineutralen Plasma übereinstimmen, aber in der Hülle, dem Bereich des Plasmas, der mit der Grenze in Kontakt steht, in der die Raumladung auftritt, nicht übereinstimmen. Die Studie konzentriert sich auf das Plasmapotenzial in der Nähe von Plasmagrenzen in Niedertemperatur- und Niederdruckplasma, um diese gängige Annahme zu testen. Um Potentialmessungen sowohl mit der Langmuir-Sonde als auch mit der Emissionssonde zu vergleichen, wird das Plasmapotential auch durch Anwendung der Wendepunkttechnik auf die Langmuir-Sonde I-V bestimmt, wie in Abbildung 3 gezeigt. Es ist allgemein anerkannt1 , dass das Plasmapotential durch Ermitteln der Sondenvorspannung gefunden wird, bei der sich die zweite Ableitung des gesammelten Stroms in Bezug auf die Vorspannung, figure-introduction-10778d. h. die Spitze der dI/dV-Kurve , in Bezug auf die Sondenvorspannung differenziert. Abbildung 3 zeigt, wie dieses Maximum in dI/dV, dem Wendepunkt der Strom-Spannungs-Kennlinie, ermittelt wird.

Langmuir-Sonden (sammelnd) und emittierende Sonden (emittierend) haben unterschiedliche I-V-Eigenschaften, die auch von der Geometrie der Sondenspitze abhängen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Der Raumladungseffekt der Sonde muss vor der Sondenherstellung berücksichtigt werden. In den Experimenten verwendeten wir für die planaren Langmuir-Sonden eine planare 1/4"-Tantalscheibe. Wir könnten mehr Strom sammeln und größere Signale mit einer größeren Scheibe erhalten. Damit die obigen Analysen angewendet werden können, muss jedoch die Fläche der Sonde Ap kleiner gehalten werden als die Elektronenverlustfläche der Kammer Aw, was der Ungleichung figure-introduction-1185321 entspricht. Für die zylindrische Langmuir-Sonde verwendeten wir einen 0,025 mm dicken, 1 cm langen Wolframdraht für die zylindrische Langmuir-Sonde und eine gleiche Dicke für den Wolframdraht für die Emissionssonde. Es ist wichtig zu beachten, dass bei zylindrischen Langmuir-Sonden für die Plasmaparameter dieser Experimente der Radius der Sondenspitze, rp, viel kleiner ist als ihre Länge, Lp, und kleiner als die Debye-Länge, λD; das heißt, figure-introduction-12452und figure-introduction-12524. In diesem Parameterbereich finden wir unter Anwendung der Theorie der Orbital Motion Limited und Laframboises Entwicklung22 für den Fall von thermischen Elektronen und Ionen, dass für Sondenvorspannungen, die gleich oder größer als das Plasmapotential sind, der gesammelte Elektronenstrom durch eine Funktion der Form figure-introduction-12936parametrisiert werden kann, wobei der Exponent figure-introduction-13051. Der wichtige Punkt hier ist, dass für Werte dieses Exponenten kleiner als Eins die Wendepunktmethode zur Bestimmung des Plasmapotentials, wie im obigen Absatz beschrieben, auch für zylindrische Langmuir-Sonden gilt.

Protokoll

1. Bau von Langmuir-Sonden und Emissionssonden, die in eine Vakuumkammer passen

  1. Planare Langmuir-Sonde (siehe Abbildung 5 für weitere Details)
    1. Nehmen Sie ein Edelstahlrohr mit einem Durchmesser von 1/4" als Sondenschaft und biegen Sie ein Ende in den gewünschten 90°-Winkel.
    2. Schneiden Sie die gebogene Seite auf eine Länge, so dass die Sonde axial mehr als die Hälfte der Kammerlänge abdecken kann.
    3. Montieren Sie die gebogene Seite der Welle mit einem SS-4-UT-A-8-Adapter in Kombination mit einer B-810-6-Verbindungsrohrverschraubung durch das Messingrohr.
    4. Verwenden Sie ein 1/2"-Messingrohr, das über eine B-810-1-OR-Swagelok-Schnittstelle aus den kundenspezifischen Flanschen herausragt, um die Sondenwelle axial zu stützen.
    5. Verbinden Sie das gebogene Ende der Sondenwelle mit dem BNC-Gehäuse über eine B-400-1-OR-Swagelok-Verschraubung, wie in Abbildung 6 gezeigt.
    6. Stecken Sie den goldbeschichteten Nickeldraht durch zwei Aluminiumoxidrohre mit einer Bohrung (1/8" und 3/16" Durchmesser), wobei das dickere in den Sondenschaft passt, wie in Abbildung 7 gezeigt.
    7. Schweißen Sie ein Ende des goldbeschichteten Nickeldrahtes auf ein Stück abisolierten Drahtes, der auf den Stift der BNC-Durchführung am Ende der Sondenwelle gelötet wird.
    8. Schneiden Sie den goldbeschichteten Draht so ab, dass die Verbindung mit dem abisolierten Draht in das Aluminiumoxidrohr passt, um einen Kurzschluss mit der Sondenwelle zu vermeiden.
    9. Stanzen Sie durch eine Tantalplatte, um eine planare Langmuir-Sondenspitze (1/4" Durchmesser) herzustellen
    10. Schweißen Sie das andere Ende des goldbeschichteten Nickeldrahtes an die Kante der Sondenspitze und stellen Sie die Sondenspitze senkrecht zur Achse der Begrenzungsplatte ein.
    11. Positionieren Sie die Sondenspitze etwas nach vorne, damit der Sondenkörper die Begrenzungsplatte nicht berührt, während Messungen im Inneren des Mantels durchgeführt werden.
    12. Versiegeln Sie alle Fugen mit Keramikpaste (z. B. Sauereisen Zement Nr. 31), um die Komponenten des Sondenkreises vom Plasma zu isolieren. Verwenden Sie eine Heißluftpistole, um die Keramikverbindungen 5-10 Minuten lang zu backen.
    13. Verwenden Sie ein Multimeter, um den Widerstand zwischen der Tastspitze und dem BNC-Anschluss zu messen. Wenn die Kontinuität nachgewiesen ist, kann die Sonde in die Vakuumkammer eingesetzt werden.
  2. Aufbau einer zylindrischen Emissionssonde (siehe Abbildung 8 für weitere Details)
    1. Befolgen Sie die Schritte 1.1.1-1.1.4 und wiederholen Sie die Schritte 1.1.5-1.1.7 zweimal auf derselben Sondenwelle, mit Ausnahme der Verwendung eines 1/8-Zoll-Aluminiumoxidrohrs mit zwei Bohrungen anstelle eines Aluminiumoxidrohrs mit einer Bohrung.
    2. Schneiden Sie den Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,025 mm auf ca. 1 cm ab.
    3. Schweißen Sie das Wolframfilament auf goldbeschichtete Drähte.
    4. Versiegeln Sie alle Fugen mit Keramikpaste und stellen Sie sicher, dass die Keramikpaste nicht auf das Wolframfilament gelangt.
    5. Überprüfen Sie den Durchgang zwischen zwei BNC-Enden.

2. Plasma erzeugen

  1. Schalten Sie das Ionenmessgerät ein, um den Basisdruck zu überprüfen, bevor Sie Gas in die Kammer einfüllen. Fahren Sie mit dem Nullstellen des Baratron-Manometers fort, wenn der Druck im niedrigen Bereich von 10-6 Torr liegt. Andernfalls überprüfen Sie das Leck im System. Die Positionen des Nadelventils und des Absperrwerts sind offen bzw. geschlossen.
  2. Verwenden Sie einen Kunststoffschraubendreher, um das Baratron-Display zu kalibrieren, bis die Zahl zwischen ±0,01 mTorr schwebt.
  3. Schließen Sie das Nadelventil so, dass es sanft in geschlossener Position sitzt.
  4. Öffnen Sie das Absperrventil. Prüfen Sie, ob sich der Baratron-Messwert nicht ändert.
  5. Drehen Sie langsam den Knopf des Nadelventils, um das Gas in die Kammer abzulassen, bis der Druck die Anforderungen für das Experiment erreicht. Der typische Arbeitsdruck liegt bei 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr. Zu den Arbeitsgasen gehörten Argon, Xenon, Krypton, Sauerstoff usw.
  6. Schalten Sie das KEPCO-Spannungsnetzteil ein und stellen Sie die Spannung auf -60 Volt ein, um genügend Elektronenenergie für den maximalen Ionisationsquerschnitt von Argon bereitzustellen. Schalten Sie die Heizstromversorgung für die Filamente ein und stellen Sie den Pegel langsam ein, bis der Entladestrom den erforderlichen Wert anzeigt. Der Entladestrom neigt dazu, in den ersten Minuten schnell abzufallen. Stellen Sie den Strompegel etwa 30 Minuten lang ein, bis sich die Entladung stabilisiert hat
  7. Schließen Sie die Spannungsversorgung an die Grenzplatte an und stellen Sie die Vorspannung auf den gewünschten Pegel ein.

3. Nehmen Sie Maß

HINWEIS: I-V-Leiterbahnen für Langmuir-Tastköpfe und Emissionstastköpfe werden von einer 16-Bit-Datenerfassungskarte erfasst, die von einem Labview-Programm gesteuert wird. Die Details werden hier nicht dargestellt, da verschiedene Benutzer unterschiedliche Präferenzen für die Datenerfassung haben. Es gibt jedoch ein Protokoll für die Verwendung der Sonden.

  1. Nehmen Sie die Lastlinie: Erhalten Sie eine I-V-Spur ohne Plasmaentladung in der Kammer mit allen Verbindungen zwischen der Sonde und ihrem Messkreis (siehe Abbildung 9, Abbildung 10 und Abbildung 11 für den UW-Madison- und den USD-Aufbau).
  2. Langmuir-Sonden
    1. Reinigen Sie die Sondenspitze (dieser Schritt ist entscheidend, da eine saubere Sonde ein schärferes "Knie" aufweist als eine schmutzige Sonde), indem Sie die Sonde positiv vorspannen, um einen großen Elektronenstrom zu sammeln.
      1. Ziehen Sie einen Strom durch die Sonde mit variabler Stromversorgung und 50 Ohm zur Maschinenmasse, um die Spitze zu erhitzen, um die Verunreinigungsschicht zu verdampfen, die sich sofort an der Sondenoberfläche im Plasma anhaftet, und den Oberflächenwiderstand der Sonde zu erhöhen.
      2. Erhöhen Sie die Vorspannung langsam positiv, um das Plasmapotential zu überschreiten, damit die Sonde beginnen kann, den Elektronensättigungsstrom zu ziehen.
      3. Heben Sie das Potenzial weiter an; Sobald man sieht, dass die Sondenspitze kirschrot leuchtet, ist die Sonde sauber. Es ist notwendig, die Sondenspitze im Plasma durch ein Vakuum-Sichtfenster zu sehen.
      4. Seien Sie vorsichtig und wachsam, während Sie die Voreingenommenheit der Sonde variieren. Wenn die Sonde zu heiß wird, kann sich die Sondenspitze selbst verziehen, und es können schlimmere Dinge passieren, z. B. könnte die Spitze Löcher haben, sie könnte verdampfen, sie könnte abfallen; Drähte könnten schmelzen und ihre Isolierung verlieren und so weiter.
      5. Schließen Sie die Sonde an den Datenerfassungs- und Steuerkreis an (dies ist der Teil, der von Labor zu Labor variiert) und fahren Sie fort, die an die Sonde angelegte Spannung zu sweepen, während Sie gleichzeitig den von der Sonde aufgenommenen Strom messen. Speichern Sie die I-V-Ablaufverfolgung.
    2. Schließen Sie die Sonde an den Datenerfassungs- und Steuerkreis an (dies ist der Teil, der von Labor zu Labor variiert) und fahren Sie fort, die an die Sonde angelegte Spannung zu sweepen, während Sie gleichzeitig den von der Sonde aufgenommenen Strom messen. Speichern Sie die I-V-Ablaufverfolgung.
  3. Emittierende Sonden
    1. Wiederholen Sie Schritt 3.2.2 mit der Datenerfassung und dem Steuerkreis der Emissionssonde.

4. Datenanalyse

  1. Langmuir-Sonden (siehe Abbildung 12, Abbildung 13 für weitere Details).
    1. Subtrahieren Sie die Lastlinie von der gesamten I-U-Kennlinie.
    2. Passen Sie den Ionensättigungsstrom an und subtrahieren Sie von den verbleibenden I-U-Kennlinien.
    3. Nehmen Sie das natürliche Protokoll des Stroms und zeichnen Sie es gegen die Sondenspannung auf.
    4. Nehmen Sie lineare Anpassungen des Übergangsbereichs und des Sättigungsstroms getrennt.
    5. Nehmen Sie den Kehrwert der Steigung des Übergangsbereichs und erhalten Sie den Elektronentemperaturwert.
    6. Die Plasmadichte wird ermittelt, indem der Strom an der Kreuzung, an der sich die beiden Anpassungslinien kreuzen, in Gl. 3 gesteckt wird.
    7. Wenden Sie die Wendepunkttechnik auf die Langmuir-Sondenspur an und bestimmen Sie das Plasmapotential.
  2. Emissionsprüfkopf (siehe Abbildung 2).
    1. Wiederholen Sie die Schritte 4.1.1 bis 4.1.2 für einzelne I-V-Merkmale, und glätten Sie dann jede Leiterbahn.
    2. Differenzieren Sie jede I-V-Kurve und wenden Sie eine entsprechende Glättung an.
    3. Lokalisieren Sie die Spitze jedes geglätteten dI/dV (Wendepunkt).
    4. Wenden Sie eine lineare Anpassung auf die Wendepunkte an.
    5. Ermitteln Sie das Plasmapotential, indem Sie den Nulldurchgang der Anpassungslinie lokalisieren.

Ergebnisse

Langmuir-Sonden, von denen bekannt ist, dass sie empfindlich auf Strömungen und die kinetische Energie der von ihnen gesammelten Teilchen reagieren, wurden bisher als valide Messungen des Plasmapotentials angesehen, außer in Hüllen. Direkte Vergleiche von Plasmapotentialen, die mit Langmuir-Sonden und Emissionssonden gemessen wurden, haben jedoch gezeigt, dass Langmuir-Sonden im quasineutralen Vorhüllenbereich des Plasmas, das unmittelbar mit der Plasmahülle auf der Plasmaseite in Kontakt steht, keine genauen Messun...

Diskussion

Langmuir-Sonden werden für Teilchenflussmessungen in einem außergewöhnlich breiten Bereich von Plasmadichten und -temperaturen verwendet, von Weltraumplasmen, in denen die Elektronendichte nur wenige Teilchen 106 m-3 beträgt, bis hin zum Randbereich von Fusionsplasmen, in denen die Elektronendichte eher einige Male 1020 m-3 beträgt. Darüber hinaus wurden Elektronentemperaturen zwischen 0,1 und einigen hundert eV mit Langmuir-Sonden diagnostiziert. Langmuir-Sonden werden h...

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde teilweise vom US-Energieministerium (DOE) durch Zuschüsse DE-SC00114226 und der National Science Foundation durch Zuschüsse PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 und PHY-1804240 finanziert

Hommage an Noah Hershkowitz:
Noah Hershkowitz leistete bahnbrechende Beiträge zur Plasmaphysik und verdiente sich den Respekt und die Bewunderung seiner Kollegen und Studenten, sowohl als Wissenschaftler als auch als Mensch.  "Physik", erklärte er einmal, "ist wie ein Puzzle, das wirklich alt ist. Alle Teile sind abgenutzt. Ihre Kanten sind durcheinander. Einige der Teile wurden falsch zusammengefügt. Sie passen irgendwie, aber sie sind nicht wirklich an den richtigen Stellen. Das Spiel besteht darin, sie richtig zusammenzusetzen, um herauszufinden, wie die Welt funktioniert.  Er starb am 13. November 2020 im Alter von 79 Jahren.

Materialien

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

Referenzen

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