Nous fournissons un protocole étape par étape sur la façon de fabriquer des sondes Langmuir et des sondes émissives en utilisant du matériel de laboratoire facilement disponible pour les chercheurs qui souhaitent se construire eux-mêmes. L’utilisation de matériaux facilement disponibles en laboratoire rend moins cher et plus facile la construction et la maintenance des sondes électrostatiques pour le diagnostic plasma, et rend le système plus adaptable à différents environnements de laboratoire. L’interface de vide utilisée dans notre protocole de construction peut également être utilisée comme méthode de passage pour d’autres appareils basse pression.
Lors de l’exécution de ce protocole, les techniques de vide, le contrôle de la continuité électrique, le durcissement de la pâte céramique et la gestion de la fragilité de la sonde peuvent sembler difficiles au début. Commencez par construire les sondes de Langmuire. Prenez un tube en acier inoxydable d’un quart de pouce de diamètre comme arbre de sonde.
Coupez le tube de manière à ce que la sonde puisse couvrir axialement plus de la moitié de la longueur de la chambre. Montez le côté non plié de l’arbre à travers un tube en laiton à l’aide d’un adaptateur SS-4-UT-A-8 en combinaison avec un raccord de tube union B-810-6. Utilisez un tube en laiton d’un demi-pouce s’étendant hors des brides personnalisées à travers une interface B-810-1 OU Swagelok pour fournir un support axial à l’arbre de la sonde.
Connectez l’extrémité non pliée de l’arbre de la sonde au boîtier BNC via un raccord B-400-1 OU Swagelok. Placez le fil de nickel recouvert d’or dans deux tubes d’alumine à alésage unique, en ajustant le tube le plus épais à l’intérieur de la tige de la sonde. Souder par points une extrémité de fil de nickel recouvert d’or sur un morceau de fil dénudé, qui est soudé sur le stylo de l’alimentation BNC, à l’extrémité de la tige de la sonde.
Ensuite, coupez le fil recouvert d’or de manière à ce que le joint avec le fil dénudé s’insère à l’intérieur du tube d’alumine pour éviter les courts-circuits avec l’arbre de la sonde. Percez une feuille de tantale pour faire une pointe de sonde Langmuir de raboteuse d’un quart de pouce et soudez par points à l’autre extrémité du fil de nickel recouvert d’or sur le bord de la pointe, en plaçant la pointe de la sonde perpendiculairement à l’axe de la plaque limite. Positionnez la pointe de la sonde légèrement vers l’avant afin que le corps de la sonde ne touche pas la plaque limite, tout en prenant des mesures à l’intérieur de la gaine.
Scellez tous les joints avec de la pâte céramique pour isoler les composants du circuit de la sonde du plasma et utilisez un hauban chauffant pour cuire les joints en céramique pendant cinq à 10 minutes. Utilisez un multimètre pour mesurer la résistance entre la pointe de la sonde et le connecteur BNC. Si la continuité est démontrée, la sonde est prête à être placée dans la chambre à vide.
Pour construire une sonde admissive cylindrique, suivez la procédure décrite précédemment, à l’exception de l’utilisation d’un tube en aluminium à deux alésages d’un huitième de pouce au lieu d’un tube à alésage unique. Coupez le fil de tungstène de 0,025 millimètre de diamètre à environ un centimètre et soudez par points le filament de tungstène sur des fils recouverts d’or. Scellez les joints alt avec de la pâte céramique, en vous assurant que la pâte ne pénètre pas sur le filament de tungstène.
Vérifiez la continuité entre les deux extrémités BNC. Allumez le manomètre pour vérifier la pression de base avant d’introduire du gaz dans la chambre. Sinon, vérifiez s’il y a des fuites dans le système.
Utilisez le stylet pour calibrer l’affichage du baratron jusqu’à ce que le nombre oscille entre plus ou moins 0,01 millitorr. Assurez-vous que la vanne à pointeau est en position fermée. Ouvrez ensuite la vanne d’arrêt et vérifiez qu’il n’y a pas de changement de pression sur la lecture du baratron.
Tournez lentement le bouton de la vanne à pointeau pour libérer le gaz dans la chambre jusqu’à ce que la pression requise soit atteinte. Allumez l’alimentation électrique et réglez la tension sur moins 60 volts pour fournir suffisamment d’énergie électronique pour la section efficace d’ionisation maximale d’Argonne. Ensuite, allumez l’alimentation de chauffage des filaments et ajustez lentement le niveau jusqu’à ce que le courant de décharge indique la valeur requise.
Connectez l’alimentation en tension à la plaque limite, et ajustez la polarisation au niveau souhaité. Procédez ensuite à la mesure. Fixez la sonde au circuit d’acquisition et de contrôle des données et procédez au balayage de la tension appliquée à la sonde tout en mesurant simultanément le courant consommé par la sonde.
Enregistrez la trace de tension actuelle. Répétez l’acquisition de données avec les sondes admissives, l’acquisition de données et le circuit de contrôle. Les sondes de Langmuir ont été construites dans quatre configurations différentes et ont été étiquetées LPJ, J étant un entier de un à quatre.
Les conceptions de sondes comprenaient la sonde cylindrique Langmuir LP un, la sonde Langmuir double face, LP deux, la sonde Langmuir raboteuse, LP trois, avec le côté face à la plaque limite scellée par de la pâte céramique, et la sonde Langmuir plane, LP 4, avec le côté opposé à la plaque limite recouverte de pâte céramique. La comparaison entre les mesures de potentiel de la sonde de Langmuir et d’une sonde missive est présentée ici. Les quatre types de sondes de Langmuir ont été comparés à des mesures de sonde missive pour déterminer dans quelle mesure ils mesurent les potentiels plasmatiques près des limites du plasma, en particulier dans la région de la pré-gaine.
Différents modèles de sondes ont été testés pour déterminer si la façon dont les sondes Langmuir sont utilisées pour mesurer les potentiels du plasma donne des résultats précis. Toutes les mesures de la sonde de Langmuir ont été comparées aux mesures de sonde admissive du potentiel plasmatique. Dans la pré-gaine, tous les potentiels plasma mesurés par la sonde de Langmuir diffèrent de ceux mesurés par les sondes admissives.
La différence s’élargit à mesure que l’on se rapproche du bord de la gaine, atteignant une valeur de plusieurs températures d’électrons. Les paramètres du plasma tels que la température, la densité, les longueurs d’achat et les longueurs de gaine de Langmuir pour enfants obtenues à partir des mesures par LP deux dans la majeure partie du plasma sont présentés ici. Ces paramètres permettent d’établir de bonnes estimations de l’épaisseur nominale de la gaine pour les sondes planes de Langmuir.
Pour réussir ce protocole, faites cuire toutes les bulles d’air lors du séchage de la pâte céramique. Et avant de mettre la sonde dans la chambre à vide, n’oubliez pas de faire le contrôle de continuité entre le ruban de sonde et la tête BNC, ainsi que le contrôle d’installation entre le ruban de sonde et l’arbre de la sonde. Les sondes électrostatiques sont utilisées pour détecter et lancer les ondes de plasma afin de mesurer la présence d’instabilités du plasma et de cartographier la structure cohérente trouvée dans le plasma, comme les doubles couches et les tonnes solides.
