JoVE Logo
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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

המטרה העיקרית של עבודה זו היא להקל על קבוצות מחקר שאינן מכירות את גשושיות לנגמיור וגשושיות פליטות להשתמש בהן כאבחון פלזמה, במיוחד ליד גבולות פלזמה. אנו עושים זאת על ידי הדגמה כיצד לבנות את הגשושיות מחומרים ואספקה זמינים.

Abstract

גשושיות לאנגמיור משמשות מזה זמן רב במחקר ניסויי בפיזיקת פלזמה כאבחון העיקרי לשטפי חלקיקים (כלומר, שטפי אלקטרונים ויונים) ולריכוזים המרחביים המקומיים שלהם, לטמפרטורות אלקטרונים ולמדידות פוטנציאליות אלקטרוסטטיות של פלזמה, מאז המצאתה על ידי לנגמיור בתחילת שנות העשרים. גשושיות פליטות משמשות למדידת פוטנציאלים של פלזמה. הפרוטוקולים המוצגים בעבודה זו משמשים להדגים כיצד ניתן לבנות גשושיות אלה לשימוש בתא ואקום שבו פריקת פלזמה עשויה להיות מוגבלת ומתמשכת. זה כרוך בטכניקות ואקום לבניית מה שהוא בעצם הזנה חשמלית, כזו שהיא ניתנת לסיבוב ולתרגום. אין ספק, ניתן לרכוש מערכות בדיקה שלמות של Langmuir, אך הן יכולות גם להיבנות על ידי המשתמש תוך חיסכון ניכר בעלויות, ובמקביל להיות מותאמות באופן ישיר יותר לשימוש בהן בניסוי מסוים. אנו מתארים את השימוש בגשושיות לנגמיור ובגשושיות פליטות במיפוי פוטנציאל הפלזמה האלקטרוסטטית מגוף הפלזמה עד לאזור הנדן של גבול הפלזמה, אשר בניסויים אלה נוצר על ידי אלקטרודה מוטה שלילית השקועה בתוך הפלזמה, על מנת להשוות בין שתי טכניקות האבחון ולהעריך את היתרונות והחולשות היחסיים שלהן. למרות שלבדיקות לנגמיור יש את היתרון של מדידת צפיפות הפלזמה וטמפרטורת האלקטרונים בצורה המדויקת ביותר, גשושיות פליטות יכולות למדוד פוטנציאלים אלקטרוסטטיים של פלזמה בצורה מדויקת יותר בכל הפלזמה, עד וכולל אזור הנדן.

Introduction

במהלך המאה הראשונה של מחקר פיזיקת הפלזמה, שראשיתה בתגליותיו של לאנגמיור בשנות העשרים של התווך כמו התנהגות של מצב חדש של חומר, פלזמה, הגשושית לנגמיור הוכיחה את עצמה כאבחון החשוב ביותר של פרמטרים של פלזמה. זאת, בין היתר, בשל טווח תחולתו יוצא הדופן1. בפלזמה שבה נתקלו לוויינים 2,3,4, בניסויי עיבוד מוליכים למחצה,5,6,7,8 בשולי פלזמה הכלואים בטוקאמאקים,9,10,11 ובמגוון רחב של ניסויים בסיסיים בפיזיקת פלזמה, גשושיות לנגמיור שימשו למדידת צפיפות פלזמה וטמפרטורות המשתרעות על פני הטווחים 10 8≤ne≤1019 m-3 ו- 10-3≤Te≤102eV , בהתאמה. במקביל, בשנות ה-20 של המאה ה-20, הוא המציא את הגשושית הקרויה כיום על שמו ואת הגשושית12. הגשושית השליחה משמשת כיום בעיקר כאבחון של פוטנציאל פלזמה. למרות שהיא אינה יכולה למדוד את רוחב פרמטרי הפלזמה שהגשושית לנגמיור יכולה, גם היא מהווה אבחנה בעלת תועלת רחבה בכל הנוגע למדידת פוטנציאל הפלזמה, או, כפי שהיא מכונה לפעמים, פוטנציאל החלל האלקטרוסטטי. לדוגמה, הגשושית הפולטת יכולה למדוד במדויק פוטנציאלים בחלל אפילו בריק, היכן שגשושיות לנגמיור אינן מסוגלות למדוד דבר.

ההתקנה הבסיסית של הגשושית Langmuir מורכבת מהכנסת אלקטרודה לפלזמה ומדידת הזרם שנאסף. ניתן להשתמש במאפייני מתח הזרם (I-V) המתקבלים כדי לפרש פרמטרים של פלזמה כגון טמפרטורת אלקטרונים Te, צפיפות אלקטרונים ne ופוטנציאל פלזמה φ13. עבור פלזמה מקסווליאנית, ניתן לבטא את הקשר בין זרם אלקטרונים שנאסף Ie (נתפס כחיובי) לבין הטיית הגשושית VB כ-14:

figure-introduction-1998

כאשר Ie0 הוא זרם רוויית האלקטרונים,

figure-introduction-2170

וכאשר S הוא שטח האיסוף של הגשושית, figure-introduction-2302 היא צפיפות האלקטרונים בתפזורת, e היא מטען האלקטרונים, Te היא טמפרטורת האלקטרונים, me היא מסת האלקטרונים. הקשר התיאורטי בין מאפייני I-V לזרם האלקטרונים מודגם בשתי דרכים באיור 1A ובאיור 1B. שים לב, Eq. (1a,b) חל רק על אלקטרונים בתפזורת. עם זאת, זרמי הגשושית יכולים לזהות זרמים של חלקיקים טעונים, ויש לבצע התאמות בנוכחות אלקטרונים ראשוניים, אלומות אלקטרונים, או אלומות יונים וכו '. ראו הרשקוביץ14 לפרטים נוספים.

הדיון כאן עוסק במקרה האידיאלי של פונקציות התפלגות אנרגיית אלקטרונים מקסווליאניות (EEDF). כמובן, ישנן נסיבות רבות שבהן מתעוררות אי-אידיאליות, אך אלה אינן נושאה של עבודה זו. לדוגמה, במערכות פלזמה לעיבוד תחריט ושיקוע חומרים, בדרך כלל RF שנוצר ומתמשך, ישנם מלאי הזנת גז מולקולרי המייצר רדיקלים כימיים נדיפים בפלזמה, ומיני יונים מרובים כולל יונים בעלי מטען שלילי. הפלזמה הופכת אלקטרושלילית, כלומר, בעלת חלק משמעותי מהמטען השלילי בפלזמה הכמו-נייטרלית בצורה של יונים שליליים. בפלזמה עם נייטרלים ויונים מולקולריים, התנגשויות אי-אלסטיות בין אלקטרונים לבין המינים המולקולריים יכולות לייצר שקעים15 במאפייני מתח הזרם, ונוכחותם של יונים שליליים קרים, קרים יחסית לאלקטרונים, יכולה לייצר עיוותים משמעותיים16 בקרבת פוטנציאל הפלזמה, שכולם כמובן תכונות שאינן מקסווליאניות. תבענו את הניסויים בעבודה הנדונה במאמר זה בפלסמת פריקה DC של גז אציל (ארגון) ממין יונים יחיד, ללא השפעות לא-מקסווליאניות מסוג זה. עם זאת, EEDF דו-מקסווליאנית נמצאת בדרך כלל בהפרשות אלה, הנגרמות על ידי נוכחות של פליטת אלקטרונים משנית17 מדפנות התא. רכיב זה של אלקטרונים חמים יותר הוא בדרך כלל כמה כפולות של טמפרטורת האלקטרונים הקרים, ופחות מ -1% מהצפיפות, בדרך כלל נבדל בקלות מצפיפות אלקטרונים בתפזורת וטמפרטורה.

כאשר VB הופך להיות שלילי יותר מ-φ, אלקטרונים נדחים חלקית על ידי הפוטנציאל השלילי של משטח הגשושית, והשיפוע של ln(Ie) לעומת VB הוא e/Te, כלומר. 1/TeV כאשר TeV היא טמפרטורת האלקטרונים ב-eV, כפי שמוצג באיור 1B. לאחר קביעת TeV , ניתן לגזור את צפיפות הפלזמה כ:

figure-introduction-4595

זרם יונים נגזר באופן שונה מזרם אלקטרונים. מניחים כי היונים "קרים" בשל המסה הגדולה יחסית שלהם, Mi >> me, בהשוואה לזו של האלקטרון, ולכן, בפלזמה מיוננת חלשה, היונים נמצאים בשיווי משקל תרמי טוב למדי עם אטומי הגז הניטרליים, הנמצאים בטמפרטורת הקיר. יונים נדחים על ידי נדן הגשושית אם VB ≥ φ ונאספים אם VB < φ. זרם היונים שנאסף קבוע בקירוב עבור גשושיות מוטות שלילית, בעוד שטף האלקטרונים לגשושית פוחת עבור מתחי הטיית בדיקה שליליים יותר מפוטנציאל הפלזמה. מכיוון שזרם רוויית האלקטרונים גדול בהרבה מזרם רוויית היונים, הזרם הכולל שנאסף על ידי הגשושית פוחת. ככל שהטיה של הגשושית הופכת שלילית יותר ויותר, הירידה בזרם שנאסף היא גדולה או קטנה מכיוון שטמפרטורת האלקטרונים קרה או חמה, כמתואר לעיל ב- Eq. (1a). המשוואה עבור זרם יונים בקירוב זה היא:

figure-introduction-5529

איפה

figure-introduction-5659

ו

figure-introduction-5786

נציין כי שטף יונים קבוע שנאסף על ידי הגשושית עולה על שטף היונים התרמי האקראי עקב תאוצה לאורך מעטפת הגשושית ולכן היונים מגיעים לקצה הנדן של הגשושית במהירותבוהם 18, uB, ולא במהירות התרמית של היונים19. וליונים יש צפיפות שווה לאלקטרונים מכיוון שהמעטפת היא קוואזי-נייטרלית. בהשוואה בין זרם רוויית היונים והאלקטרונים ב- Eqn.5 ו- 2, אנו רואים כי תרומת היונים לזרם הבדיקה קטנה מזו של אלקטרונים בפקטור של figure-introduction-6338. גורם זה הוא כ 108 במקרה של פלזמה ארגון.

יש נקודת מעבר חדה שבה זרם האלקטרונים עובר ממעריכי לקבוע, המכונה "הברך". הטיית הבדיקה בברך יכולה להיות משוערת כפוטנציאל הפלזמה. בניסוי האמיתי, ברך זו לעולם אינה חדה, אלא מעוגלת בשל אפקט מטען החלל של הגשושית, כלומר, התרחבות הנדן המקיף את הגשושית, וגם כדי לחקור זיהום, ורעש פלזמה13.

טכניקת הגשושית לנגמיור מבוססת על זרם איסוף, ואילו טכניקת הגשושית הפולטת מבוססת על פליטת זרם. גשושיות שליחות אינן מודדות טמפרטורה או צפיפות. במקום זאת, הם מספקים מדידות מדויקות של פוטנציאל פלזמה ויכולים לפעול במגוון מצבים בשל העובדה שהם אינם רגישים לזרמי פלזמה. התיאוריות והשימוש בבדיקות שליחות נידונים במלואם בסקירה האקטואלית של שיהאן והרשקוביץ20, וההפניות שם.

עבור צפיפות פלזמה 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3, מומלצת טכניקת נקודת הנטייה בגבול אפס פליטה, כלומר לקחת סדרה של עקבות I-V, כל אחד עם זרמי חימום נימה שונים, למצוא את מתח ההטיה של נקודת הנטייה עבור כל עקבת I-V, ולהסיק את נקודות הנטייה לגבול של אפס פליטה כדי לקבל את פוטנציאל הפלזמה, כפי שניתן לראות באיור 2.

ההנחה הרווחת היא שטכניקות הגשושית לנגמיור ופליט מסכימות בפלזמה קוואזי-נייטרלית, אך חלוקות במעטפת, האזור של הפלזמה במגע עם הגבול שבו מופיע מטען החלל. המחקר מתמקד בפוטנציאל הפלזמה בסמוך לגבולות הפלזמה, בפלזמה בטמפרטורה נמוכה ובלחץ נמוך במאמץ לבחון הנחה נפוצה זו. כדי להשוות מדידות פוטנציאליות הן על ידי גשושית לנגמיור והן על ידי גשושית פליטה, פוטנציאל פלזמה נקבע גם על ידי יישום טכניקת נקודת הנטייה על הגשושית Langmuir I-V, כפי שמוצג באיור 3. מקובל1 כי פוטנציאל הפלזמה נמצא על ידי מציאת מתח הטיית הגשושית שבו הנגזרת השנייה של הזרם שנאסף מובחנת ביחס למתח ההטיה, figure-introduction-8234, כלומר, שיא עקומת dI/dV , ביחס למתח הטיית הבדיקה. איור 3 מדגים כיצד נמצא המקסימום הזה ב-dI/dV, נקודת הנטייה של מאפיין מתח הזרם.

לגשושיות לאנגמיור (איסוף) ולגשושיות פולטות (פולטות) יש מאפייני I-V שונים, שגם הם תלויים בגיאומטריה של קצה הגשושית, כפי שמוצג באיור 4. יש לקחת בחשבון את אפקט מטען החלל של הגשושית לפני ייצור הגשושית. בניסויים, עבור הגשושיות המישוריות Langmuir, השתמשנו בדיסקה מישורית של טנטלום בגודל 1/4 אינץ'. נוכל לאסוף יותר זרם ולקבל אותות גדולים יותר עם דיסק גדול יותר. עם זאת, על מנת שהניתוחים לעיל יחולו, שטח הגשוש, Ap חייב להישמר קטן יותר מאזור אובדן האלקטרונים של התא, Aw, המספק21 את אי השוויון figure-introduction-9103. עבור הגשושית הגלילית Langmuir השתמשנו בחוט טונגסטן בעובי 0.025 מ"מ, באורך 1 ס"מ עבור הגשושית Langmuir הגלילית ובעובי זהה עבור חוט טונגסטן עבור הגשושית הפולטת. חשוב לציין כי עבור גשושיות לאנגמיור גליליות, עבור פרמטרי הפלזמה של ניסויים אלה, רדיוס קצה הגשושית, rp, קטן בהרבה מאורכה, Lp, וקטן מאורך דביי, λD; כלומר, figure-introduction-9545ו figure-introduction-9615- . בטווח פרמטרים זה, תוך יישום תאוריית Orbital Motion Limited ופיתוחו של Laframboise22 במקרה של אלקטרונים תרמיים ויונים, אנו מוצאים כי עבור מתחי הטיית בדיקה שווים או גדולים מפוטנציאל הפלזמה, זרם האלקטרונים שנאסף עשוי להיות פרמטר על ידי פונקציה של הצורה figure-introduction-9961, כאשר המעריך figure-introduction-10043. הנקודה החשובה כאן היא שעבור ערכים של מעריך זה פחות מאחדות, שיטת נקודת הנטייה לקביעת פוטנציאל הפלזמה, כפי שתוארה בפסקה לעיל, חלה גם על גשושיות Langmuir גליליות.

Protocol

1. בניית גשושיות Langmuir ו- Emissive Proservers כך שיתאימו לתא ואקום

  1. גשושית Langmuir מישורית (ראו איור 5 לפרטים נוספים)
    1. קח צינור נירוסטה בקוטר 1/4 אינץ 'כפיר הבדיקה וכופף קצה אחד לזווית הרצויה של 90°.
    2. חתכו את הצד הלא כפוף לאורך כך שהגשושית תוכל לכסות באופן אקסיאלי יותר ממחצית אורך התא.
    3. התאם את הצד הלא כפוף של הפיר דרך צינור הפליז על ידי מתאם SS-4-UT-A-8 בשילוב עם התאמת צינור איחוד B-810-6.
    4. השתמש בצינור פליז בגודל 1/2 אינץ' הנמשך מתוך האוגנים המותאמים אישית דרך ממשק B-810-1-OR swagelok כדי לספק תמיכה צירית למוט הבדיקה.
    5. חבר את הקצה הלא כפוף של פיר הבדיקה לבית BNC באמצעות התאמת B-400-1-OR swagelok, כפי שמוצג באיור 6.
    6. הכנס את חוט הניקל המצופה זהב דרך שני צינורות אלומינה בעלי נשא יחיד (בקוטר 1/8 אינץ' ו-3/16 אינץ') כאשר העבה יותר מתאים לתוך פיר הבדיקה, כפי שמוצג באיור 7.
    7. ריתוך נקודתי קצה אחד של חוט ניקל מצופה זהב על פיסת חוט מופשט, המולחם על סיכת הזנת BNC בקצה פיר הבדיקה.
    8. חתכו את החוט המצופה זהב לאורך כך שהמפרק עם החוט המופשט יתאים לתוך צינור האלומינה כדי למנוע קצר חשמלי עם פיר הבדיקה.
    9. אגררו דרך יריעת טנטלום כדי ליצור קצה בדיקה מישורי Langmuir (קוטר 1/4 אינץ')
    10. רתכו נקודתית את הקצה השני של חוט הניקל המצופה זהב על קצה קצה הגשושית והגדירו את קצה הגשושית כך שיהיה תקין לציר לוח הגבול.
    11. מקם את קצה הגשושית מעט קדימה כך שגוף הגשושית לא ייגע בלוח הגבול בעת ביצוע מדידות בתוך הנדן.
    12. אטמו את כל המפרקים במשחה קרמית (למשל, צמנט Sauereisen מס' 31) כדי לבודד את רכיבי מעגל הבדיקה מפלזמה. השתמשו באקדח חום כדי לאפות את המישקים הקרמיים במשך 5-10 דקות.
    13. השתמש במולטימטר כדי למדוד את ההתנגדות בין קצה הבדיקה לבין מחבר BNC. אם מודגמת המשכיות, הגשושית מוכנה לכניסה לתא הוואקום.
  2. בניית גשושית פליטה גלילית (ראה איור 8 לפרטים נוספים)
    1. בצע את שלב 1.1.1-1.1.4 וחזור על שלב 1.1.5-1.1.7 באותו פיר בדיקה פעמיים, למעט שימוש בצינור אלומינה דו-משעמם בגודל 1/8 אינץ' במקום בצינור יחיד.
    2. חותכים את חוט טונגסטן בקוטר 0.025 מ"מ לכ -1 ס"מ.
    3. רתכו את חוט הטונגסטן על חוטים מצופים זהב.
    4. אוטמים את כל המפרקים במשחה קרמית ומוודאים שהדבק הקרמי לא עולה על חוט הטונגסטן.
    5. בדוק המשכיות בין שני קצוות BNC.

2. צור פלזמה

  1. הפעל את מד היונים כדי לבדוק את לחץ הבסיס לפני הכנסת גז לתא. המשך עם אפס של מד baratron אם הלחץ הוא בטווח נמוך 10-6 Torr. אחרת, בדוק את הדליפה במערכת. המיקומים של שסתום המחט וערך הסגירה פתוחים וסגורים, בהתאמה.
  2. השתמש במברג פלסטיק כדי לכייל את תצוגת הברטרון עד שהמספר צף בין ±0.01 mTorr.
  3. סגור את שסתום המחט כך שהוא יושב בעדינות במצב סגור.
  4. פתח את שסתום הכיבוי. בדוק שאין שינוי לחץ על קריאת הברטרון.
  5. סובב לאט את הידית של שסתום המחט כדי לשחרר את הגז לתוך התא עד שהלחץ מגיע לדרישה לניסוי. לחץ העבודה האופייני נובע מ 10-5 ~ 2 x 10-3 Torr. גזי עבודה כללו ארגון, קסנון, קריפטון, חמצן וכו '.
  6. הפעל את ספק הכוח של מתח KEPCO והגדר את המתח ל- -60 וולט כדי לספק אנרגיית אלקטרונים מספקת לחתך היינון המרבי של ארגון. הפעל את ספק כוח החימום עבור החוטים והתאם לאט את המפלס עד שזרם הפריקה יקרא את הערך הנדרש. זרם הפריקה נוטה לרדת במהירות בדקות הראשונות. המשיכו לכוונן את המפלס הנוכחי למשך כ-30 דקות עד שהפריקה מתייצבת
  7. חבר את אספקת המתח ללוח הגבול והתאם את ההטיה לרמה הרצויה.

3. קח מדידות

הערה: עקבות I-V עבור גשושיות Langmuir ובדיקות פליטה נרכשות על ידי לוח DAQ של 16 סיביות הנשלט על ידי תוכנית Labview. הפרטים אינם מוצגים כאן מכיוון שלמשתמשים שונים יש העדפות שונות ללקיחת הנתונים. עם זאת, יש פרוטוקול כיצד להשתמש בבדיקות.

  1. קח את קו העומס: קבל מעקב I-V ללא פריקת פלזמה בתא עם כל החיבורים בין הגשושית למעגל המדידה שלה (ראה איור 9, איור 10 ואיור 11 עבור UW-Madison והגדרת USD).
  2. גשושיות לנגמיור
    1. נקה את קצה הגשושית (שלב זה הוא קריטי, מכיוון שגשושית נקייה מציגה 'ברך' חדה יותר מאשר בדיקה מלוכלכת) על ידי הטיית הגשושית באופן חיובי כדי לאסוף זרם אלקטרונים גדול.
      1. משוך זרם דרך הגשושית עם ספק כוח משתנה ו -50 אוהם לקרקע המכונה כדי לחמם את הקצה כדי לאדות את שכבת הזיהומים המתחברת מיד למשטח הבדיקה בפלזמה ולהגדיל את התנגדות פני השטח של הגשושית.
      2. לאט לאט להגדיל את ההטיה באופן חיובי כדי לעלות על פוטנציאל פלזמה, המאפשר לגשושית להתחיל למשוך את זרם רוויית האלקטרונים.
      3. להמשיך להעלות את הפוטנציאל; ברגע שרואים את קצה הגשושית זוהר באדום דובדבן, הגשושית נקייה. יש צורך לראות את קצה הבדיקה בפלזמה דרך אשנב ואקום.
      4. היו זהירים וערניים תוך שינוי ההטיה על הבדיקה. אם מאפשרים לגשושית להתחמם יותר מדי, קצה הגשושית עצמו עלול להתעוות, ודברים גרועים יותר יכולים לקרות, כמו למשל שבקצה יכולים להיות חורים, הוא יכול להתאדות, הוא יכול ליפול; חוטים עלולים להימס ולאבד את הבידוד שלהם, וכן הלאה.
      5. חבר את הגשושית למעגל איסוף הנתונים והבקרה (זהו החלק שישתנה ממעבדה למעבדה), והמשך לטאטא את המתח המופעל על הגשושית תוך מדידת הזרם הנמשך על ידי הגשושית. שמור את מעקב I-V.
    2. חבר את הגשושית למעגל איסוף הנתונים והבקרה (זהו החלק שישתנה ממעבדה למעבדה), והמשך לטאטא את המתח המופעל על הגשושית תוך מדידת הזרם הנמשך על ידי הגשושית. שמור את מעקב I-V.
  3. גשושיות שליחות
    1. חזור על שלב 3.2.2 עם מעגל איסוף הנתונים והבקרה של הגשושית השליחה.

4. ניתוח נתונים

  1. גשושיות לאנגמיור (ראו איור 12, איור 13 לפרטים נוספים).
    1. הפחת את קו העומס ממאפיין I-V הכולל.
    2. התאם את זרם רוויית היונים והפחת ממאפייני I-V הנותרים.
    3. קח את יומן הזרם הטבעי והתווה אותו כנגד מתח הבדיקה.
    4. קח התאמות ליניאריות של אזור מעבר וזרם רוויה בנפרד.
    5. קח את ההופכי של שיפוע אזור המעבר וקבל את ערך טמפרטורת האלקטרונים.
    6. קבל את צפיפות הפלזמה על ידי חיבור הזרם במעבר שבו שני הקווים המותקנים חוצים זה את זה לתוך Eq.3.
    7. החל את טכניקת נקודת הנטייה על עקבות הגשושית Langmuir וקבע את פוטנציאל הפלזמה.
  2. Emissive Probe (עיין באיור 2).
    1. חזור על שלב 4.1.1-4.1.2 עבור מאפייני I-V בודדים, ולאחר מכן החלק כל מעקב.
    2. הבדיל בין כל עקבות I-V והחל החלקה מתאימה.
    3. אתר את השיא של כל dI/dV מוחלק (נקודת הטיה).
    4. החל התאמה ליניארית על נקודות הטיה.
    5. השג את פוטנציאל הפלזמה על ידי איתור חציית האפס של הקו המותאם.

תוצאות

גשושיות לאנגמיור, הידועות כרגישות לזרימות ולאנרגיה הקינטית של החלקיקים שהן אוספות, נחשבו עד כה כמניבות מדידה תקפה של פוטנציאל הפלזמה, למעט בנדן. אך השוואות ישירות של פוטנציאלי פלזמה שנמדדו על ידי גשושיות לנגמיור וגשושיות פליטות הראו כי באזור המעטפת הכמו-נייטרלית של הפלזמה מיד במגע עם הנד...

Discussion

גשושיות לאנגמיור משמשות למדידות שטף חלקיקים במגוון רחב במיוחד של צפיפויות פלזמה וטמפרטורות, מפלזמות חלל שבהן צפיפות האלקטרונים היא רק חלקיקים בודדים 106 m-3 ועד לאזור הקצה של פלסמות היתוך שבו צפיפות האלקטרונים דומה יותר לכמה פעמים 1020 m-3. יתר על כן, טמפרטורות אלקטרוני?...

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו מומנה חלקית על ידי משרד האנרגיה של ארצות הברית (DOE), באמצעות grantDE-SC00114226, והקרן הלאומית למדע באמצעות מענקים PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 ו- PHY-1804240

מחווה לנח הרשקוביץ:
נח הרשקוביץ תרם תרומות פורצות דרך לפיזיקת הפלזמה תוך שהוא זוכה לכבוד ולהערצה מצד עמיתיו ותלמידיו, הן כמדען והן כאדם.  "פיזיקה", הוא הסביר פעם, "היא כמו פאזל שהוא ממש ישן. כל החלקים שחוקים. הקצוות שלהם מבולגנים. חלק מהחלקים הורכבו בדרך הלא נכונה. הם די מתאימים, אבל הם לא באמת במקומות הנכונים. המשחק הוא לחבר אותם יחד בדרך הנכונה כדי לגלות איך העולם עובד.  הוא נפטר ב-13 בנובמבר 2020, בגיל 79.

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

JoVE171Langmuir

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