Proporcionamos un protocolo paso a paso sobre cómo fabricar sondas Langmuir y sondas emisivas utilizando material de laboratorio fácilmente disponible para los investigadores que desean construirse a sí mismos. El uso de material fácilmente disponible en el laboratorio hace que sea más barato y fácil construir y mantener sondas electrostáticas para el diagnóstico de plasma, y hace que el sistema sea más adaptable a diferentes entornos de laboratorio. La interfaz de vacío utilizada en nuestro protocolo de construcción también se puede utilizar como métodos de alimentación para otros dispositivos de baja presión.
Al realizar este protocolo, las técnicas de vacío, la comprobación de la continuidad eléctrica, el curado de la pasta cerámica y la gestión de la fragilidad de la sonda pueden parecer un reto al principio. Comience por construir las sondas de Langmuire. Tome un tubo de acero inoxidable de un cuarto de pulgada de diámetro como eje de la sonda.
Corte el tubo de modo que la sonda pueda cubrir axialmente más de la mitad de la longitud de la cámara. Coloque el lado no doblado del eje a través de un tubo de latón mediante un adaptador SS-4-UT-A-8 en combinación con un accesorio de tubo de unión B-810-6. Utilice un tubo de latón de media pulgada que se extienda fuera de las bridas personalizadas a través de una interfaz B-810-1 O Swagelok para proporcionar soporte axial para el eje de la sonda.
Conecte el extremo no doblado del eje de la sonda a la carcasa BNC a través de un racor B-400-1 O Swagelok. Coloque el alambre de níquel recubierto de oro a través de dos tubos de alúmina de un solo orificio, colocando el tubo más grueso dentro del eje de la sonda. Suelde por puntos un extremo de alambre de níquel recubierto de oro en un trozo de alambre pelado, que se saltea en el corral de alimentación BNC, al final del eje de la sonda.
Luego, corte el alambre recubierto de oro para que la unión con el cable pelado encaje dentro del tubo de alúmina para evitar cortocircuitos con el eje de la sonda. Perfore una lámina de tantalio para hacer una punta de sonda Langmuir cepilladora de un cuarto de pulgada y suelde por puntos al otro extremo del alambre de níquel recubierto de oro en el borde de la punta, colocando la punta de la sonda normal al eje de la placa delimitadora. Coloque la punta de la sonda ligeramente hacia adelante para que el cuerpo de la sonda no toque la placa delimitadora mientras toma medidas dentro de la funda.
Selle todas las juntas con pasta cerámica para aislar los componentes del circuito de la sonda del plasma y use un calentador para hornear las juntas de cerámica durante cinco a 10 minutos. Utilice un multímetro para medir la resistencia entre la punta de la sonda y el conector BNC. Si se demuestra la continuidad, la sonda está lista para ser colocada en la cámara de vacío.
Para construir una sonda admisiva cilíndrica, siga el procedimiento descrito anteriormente con la excepción de usar un tubo de aluminio de un octavo de pulgada y dos orificios en lugar de uno de un solo orificio. Corta el alambre de tungsteno de 0,025 milímetros de diámetro a aproximadamente un centímetro y suelda por puntos el filamento de tungsteno en alambres recubiertos de oro. Selle las juntas alternativas con pasta cerámica, asegurándose de que la pasta no entre en contacto con el filamento de tungsteno.
Compruebe la continuidad entre los dos extremos del BNC. Encienda el medidor de iones para verificar la presión base antes de poner gas en la cámara. De lo contrario, compruebe si hay fugas en el sistema.
Utilice el lápiz para calibrar la pantalla del baratron hasta que el número flote dentro de más o menos 0,01 militorr. Asegúrese de que la válvula de aguja esté en una posición cerrada. A continuación, abra la válvula de cierre y compruebe que no haya ningún cambio de presión en la lectura del baratrón.
Gire lentamente la perilla de la válvula de aguja para liberar el gas en la cámara hasta que se alcance la presión requerida. Encienda la fuente de alimentación de voltaje y ajuste el voltaje a menos 60 voltios para proporcionar suficiente energía de electrones para la sección transversal de ionización máxima de Argonne. A continuación, encienda la fuente de alimentación de calefacción de los filamentos y ajuste lentamente el nivel hasta que la corriente de descarga lea el valor requerido.
Conecte el suministro de voltaje a la placa delimitadora y ajuste la polarización al nivel deseado. A continuación, proceda con la medición. Conecte la sonda al circuito de adquisición y control de datos, y proceda a barrer el voltaje aplicado a la sonda mientras mide simultáneamente la corriente consumida por la sonda.
Guarde la traza de voltaje actual. Repita la adquisición de datos con las sondas admisivas, la adquisición de datos y el circuito de control. Las sondas de Langmuir se construyeron en cuatro configuraciones diferentes, y se etiquetaron como LPJ, siendo J un número entero de uno a cuatro.
Los diseños de la sonda incluían la sonda cilíndrica Langmuir LP uno, la sonda Langmuir de doble cara, LP dos, la sonda Langmuir cepilladora, LP tres, con el lado orientado hacia la placa delimitadora sellada con pasta cerámica, y la sonda Langmuir plana, LP cuatro, con el lado opuesto a la placa delimitadora cubierta por pasta cerámica. Aquí se muestra la comparación entre las mediciones de potencial de la sonda Langmuir y una sonda misiva. Los cuatro tipos de sonda de Langmuir se compararon con las mediciones de una sonda misiva para determinar qué tan bien miden los potenciales de plasma cerca de los límites del plasma, específicamente en la región previa a la vaina.
Se probaron diferentes diseños de sondas para determinar si la forma en que se utilizan las sondas Langmuir para medir los potenciales de plasma da resultados precisos. Todas las mediciones de la sonda Langmuir se compararon con las mediciones de la sonda admisiva del potencial plasmático. En la prevaina, todos los potenciales plasmáticos medidos por la sonda Langmuir difieren de los medidos por las sondas admisivas.
La diferencia se amplía con la proximidad al borde de la vaina, creciendo a un valor de muchas temperaturas de electrones. Aquí se muestran los parámetros del plasma, como la temperatura, la densidad, las longitudes de compra y las longitudes de la vaina de Langmuir child obtenidas a partir de las mediciones por LP dos en la mayor parte del plasma. Estos parámetros ayudan a establecer buenas estimaciones del espesor nominal de la vaina para las sondas planas de Langmuir.
Para realizar con éxito este protocolo, hornee todas las burbujas de aire al secar la pasta cerámica. Y antes de colocar la sonda en la cámara de vacío, no olvide realizar la verificación de continuidad entre la cinta de la sonda y el cabezal BNC, y también la verificación de instalación entre la cinta de la sonda y el eje de la sonda. Las sondas electrostáticas se utilizan para detectar y lanzar las ondas de plasma para medir la presencia de las inestabilidades del plasma y para mapear la estructura coherente que se encuentra en el plasma, como capas dobles y toneladas sólidas.
