Name: building langmuir probes and emissive probes for plasma potential measurements in low pressure, low temperature plasmas
Uploaded: 2021-05-25T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Building Langmuir Probes and Emissive Probes for Plasma Potential Measurements in Low Pressure, Low Temperature Plasmas at JoVE.com

Ce travail a été partiellement financé par le département américain de l’énergie (DOE), par le biais de la subvention DE-SC00114226, et la National Science Foundation par les subventions PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 et PHY-1804240
Hommage à Noah Hershkowitz : Noah Hershkowitz a apporté des contributions révolutionnaires à la physique des plasmas tout en gagnant le respect et l’admiration de ses collègues et étudiants, à la fois en tant que scientifique et en tant qu’être humain.  « La physique, a-t-il expliqué un jour, est comme un puzzle qui est vraiment vieux. Toutes les pièces sont usées. Leurs bords sont foirés. Certaines des pièces ont été mal assemblées. Ils s’adaptent en quelque sorte, mais ils ne sont pas vraiment aux bons endroits. Le jeu consiste à les assembler de la bonne manière pour découvrir comment le monde fonctionne.  Il est décédé le 13 novembre 2020, à l’âge de 79 ans.

1. Construire des sondes Langmuir et des sondes émissives pour s’adapter à une chambre à vide
<ol><li>Sonde de Langmuir plane (voir la figure 5 pour plus de détails)<ol><li>Prenez un tube en acier inoxydable de 1/4" de diamètre comme arbre de la sonde et pliez une extrémité à l’angle souhaité de 90°.</li>
		<li>Coupez le côté non plié à une longueur telle que la sonde puisse couvrir axialement plus de la moitié de la longueur de la chambre.</li>
		<li>Montez le côté no...

<ol>
	<li>Godyak, V. A., Alexandrovich, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+analyses+of+plasma+probe+diagnostics+techniques.">Comparative analyses of plasma probe diagnostics techniques.</a> Journal of Applied Physics. 118, 233302 (2015).</li><li>Gurnett, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Cassini+Radio+and+Plasma+wave+investigation.">The Cassini Radio and Plasma wave investigation.</a> Space Science Reviews. 114, 395-463 (2004).</li><li>Olson, J., Brenning, N., Wahlund, J. 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Les sondes de Langmuir sont utilisées pour mesurer le flux de particules dans une gamme extraordinairement large de densités et de températures de plasma, des plasmas spatiaux dans lesquels la densité électronique n’est que de quelques particules 106 m-3 à la région de bord des plasmas de fusion où la densité électronique est plutôt de quelques fois 1020 m-3. De plus, des températures d’électrons comprises entre 0,1 et quelques centaines d’eV ont été diagno...

Au cours de ce premier siècle de recherche en physique des plasmas, datant des découvertes de Langmuir dans les années 1920 sur le comportement semblable à celui d’un milieu d’un nouvel état de la matière, le plasma, la sonde Langmuir s’est avérée avoir été le diagnostic le plus important des paramètres du plasma. Cela est vrai en partie, en raison de son extraordinaire champ d’application1. Dans le plasma rencontré par les satellites 2,3,4, dans les expériences de traitement des semi-conducteurs,5,6,7,8 sur les bords du plasma confiné dans les tokamaks,9,10,11 et dans un large éventail d’expériences de physique des plasmas de base, les sondes de Langmuir ont été utilisées pour mesurer les densités et les températures du plasma dans les gammes 10 8≤ n e≤1019 m-3 et 10-3≤Te≤102eV , respectivement. Simultanément, dans les années 1920, il a inventé la sonde qui porte son nom et la sonde émissive12. La sonde émissive est maintenant principalement utilisée comme diagnostic du potentiel plasmatique. Bien qu’il ne puisse pas mesurer l’étendue des paramètres du plasma que la sonde Langmuir peut mesurer, il s’agit également d’un diagnostic d’une grande utilité lorsqu’il s’agit de mesurer le potentiel du plasma, ou, comme on l’appelle parfois, le potentiel d’espace électrostatique. Par exemple, la sonde émissive peut mesurer avec précision les potentiels d’espace même dans le vide, où les sondes de Langmuir sont incapables de mesurer quoi que ce soit.
La configuration de base de la sonde Langmuir consiste à mettre une électrode dans le plasma et à mesurer le courant collecté. Les caractéristiques courant-tension (I-V) résultantes peuvent être utilisées pour interpréter les paramètres du plasma tels que la température des électrons Te, la densité électronique ne et le potentiel plasma φ13. Pour un plasma maxwellien, la relation entre le courant électronique collecté Ie (considéré comme positif) et le biais de la sonde VB peut être exprimée comme14 :
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ1v2.jpg">
où Ie0 est le courant de saturation des électrons,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ2v2.jpg">
et où S est la zone collectrice de la sonde, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ09.jpg"> est la densité électronique en vrac, e est la charge des électrons, Te est la température des électrons, me est la masse des électrons. La relation théorique des caractéristiques I-V pour le courant électronique est illustrée de deux manières dans la figure 1A et la figure 1B. Notez que l’équation (1a,b) ne s’applique qu’aux électrons en vrac. Cependant, les courants de sonde de Langmuir peuvent détecter des flux de particules chargées, et des ajustements doivent être effectués en présence d’électrons primaires, de faisceaux d’électrons, de faisceaux d’ions, etc. Voir Hershkowitz14 pour plus de détails.
La discussion ici aborde le cas idéal des fonctions maxwelliennes de distribution d’énergie électronique (EEDF). Bien sûr, il y a de nombreuses circonstances dans lesquelles les non-idéalités surgissent, mais elles ne sont pas le sujet de ce travail. Par exemple, dans les systèmes de gravure et de plasma de dépôt de matériaux, généralement générés et soutenus par RF, il existe des matières premières de gaz moléculaires qui produisent des radicaux chimiques volatils dans le plasma et de multiples espèces d’ions, y compris des ions chargés négativement. Le plasma devient électronégatif, c’est-à-dire qu’il a une fraction importante de la charge négative dans le plasma quasi-neutre sous forme d’ions négatifs. Dans le plasma avec des neutres moléculaires et des ions, les collisions inélastiques entre les électrons et les espèces moléculaires peuvent produire des creux15 dans les caractéristiques courant-tension, et la présence d’ions négatifs froids, froids par rapport aux électrons, peut produire des distorsions significatives16 au voisinage du potentiel plasmatique, qui sont bien sûr toutes des caractéristiques non maxwelliennes. Nous avons poursuivi les expériences dans le cadre des travaux discutés dans cet article dans un plasma à décharge CC de gaz noble (argon) d’une seule espèce ionique, exempt de ce type d’effets non maxwelliens. Cependant, un EEDF bi-maxwellien se trouve généralement dans ces décharges, causé par la présence d’une émission d’électrons secondaires17 des parois de la chambre. Cette composante des électrons plus chauds est généralement quelques multiples de la température des électrons froids et moins de 1 % de la densité, généralement facilement distinguée de la densité et de la température des électrons bruts.
Lorsque VB devient plus négatif que φ, les électrons sont partiellement repoussés par le potentiel négatif de la surface de la sonde, et la pente de ln(Ie) vs. VB est e/Te, c’est-à-dire. 1/TeV où TeV est la température des électrons en eV, comme le montre la figure 1B. Une fois que TeV est déterminé, la densité plasmatique peut être calculée comme suit :
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ3v2.jpg">
Le courant ionique est dérivé différemment du courant électronique. Les ions sont supposés être « froids » en raison de leur masse relativement grande, Mi >> me, par rapport à celle de l’électron, ainsi, dans un plasma faiblement ionisé, les ions sont en assez bon équilibre thermique avec les atomes de gaz neutres, qui sont à la température de la paroi. Les ions sont repoussés par la gaine de la sonde si VB ≥ φ et collectés si VB < φ. Le courant ionique collecté est approximativement constant pour les sondes polarisées négativement, tandis que le flux d’électrons vers la sonde diminue pour les tensions de polarisation de la sonde plus négatives que le potentiel plasma. Comme le courant de saturation des électrons est beaucoup plus grand que le courant de saturation des ions, le courant total collecté par la sonde diminue. Comme la polarisation de la sonde devient de plus en plus négative, la baisse du courant collecté est grande ou faible selon que la température des électrons est froide ou chaude, comme décrit ci-dessus dans l’équation (1a). L’équation du courant ionique dans cette approximation est :
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ4v2.jpg">
où
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ5v2.jpg">
et
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ6v2.jpg">
Nous notons que le flux d’ions constant collecté par la sonde dépasse le flux d’ions thermiques aléatoires en raison de l’accélération le long de la prégaine de la sonde et que les ions atteignent donc le bord de la gaine de la sonde à la vitesse de Bohm18, uB, plutôt qu’à la vitesse thermique des ions19. Et les ions ont une densité égale aux électrons puisque la prégaine est quasi neutre. En comparant le courant de saturation des ions et des électrons dans les équations 5 et 2, nous observons que la contribution des ions au courant de la sonde est inférieure à celle des électrons d’un facteur de <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ10.jpg">. Ce facteur est d’environ 108 dans le cas du plasma d’argon.
Il existe un point de transition net où le courant électronique passe d’exponentiel à une constante, connue sous le nom de « genou ». La polarisation de la sonde au niveau du genou peut être estimée comme le potentiel plasmatique. Dans l’expérience réelle, ce genou n’est jamais pointu, mais arrondi en raison de l’effet de charge spatiale de la sonde, c’est-à-dire de l’expansion de la gaine entourant la sonde, ainsi que de la contamination de la sonde, et du bruit du plasma13.
La technique de la sonde de Langmuir est basée sur le courant de collecte, tandis que la technique de la sonde émissive est basée sur l’émission de courant. Les sondes émissives ne mesurent ni la température ni la densité. Au lieu de cela, ils fournissent des mesures précises du potentiel plasma et peuvent fonctionner dans diverses situations en raison du fait qu’ils sont insensibles aux flux de plasma. Les théories et l’utilisation des sondes émissives sont discutées en détail dans la revue thématique de Sheehan et Hershkowitz20, et les références qui y figurent.
Pour une densité de plasma de 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3, la technique du point d’inflexion dans la limite d’émission nulle est recommandée, ce qui signifie prendre une série de traces I-V, chacune avec des courants de chauffage de filament différents, en trouvant la tension de polarisation du point d’inflexion pour chaque trace I-V, et extrapoler les points d’inflexion à la limite d’émission nulle pour obtenir le potentiel plasma, comme le montre la figure 2.
Il est courant de supposer que les techniques de Langmuir et de sonde émissive s’accordent dans le plasma quasi-neutre, mais ne sont pas d’accord dans la gaine, la région du plasma en contact avec la frontière dans laquelle la charge d’espace apparaît. L’étude se concentre sur le potentiel du plasma près des limites du plasma, dans le plasma à basse température et à basse pression dans le but de tester cette hypothèse commune. Pour comparer les mesures de potentiel de la sonde de Langmuir et de la sonde émissive, le potentiel du plasma est également déterminé en appliquant la technique du point d’inflexion à la sonde de Langmuir I-V, comme le montre la figure 3. Il est généralement admis1 que le potentiel plasma est déterminé en trouvant la tension de polarisation de la sonde à laquelle la dérivée seconde du courant collecté se différencie par rapport à la tension de polarisation, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ11.jpg">c’est-à-dire le pic de la courbe dI/dV , par rapport à la tension de polarisation de la sonde. La figure 3 montre comment ce maximum en dI/dV, le point d’inflexion de la caractéristique courant-tension, est trouvé.
Les sondes de Langmuir (collectrices) et les sondes émissives (émettrices) ont des caractéristiques I-V différentes, qui dépendent également de la géométrie de la pointe de la sonde, comme le montre la figure 4. L’effet de charge spatiale de la sonde doit être pris en compte avant la fabrication de la sonde. Dans les expériences, pour les sondes planes de Langmuir, nous avons utilisé un disque de tantale planaire de 1/4". Nous pouvions collecter plus de courant et obtenir des signaux plus gros avec un disque plus grand. Cependant, pour que les analyses ci-dessus s’appliquent, l’aire de la sonde, Ap doit être maintenue plus petite que l’aire de perte d’électrons de la chambre, Aw, satisfaisant21 l’inégalité <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ12.jpg">. Pour la sonde cylindrique Langmuir, nous avons utilisé un fil de tungstène de 0,025 mm d’épaisseur et 1 cm de long pour la sonde cylindrique Langmuir et une épaisseur identique pour le fil de tungstène pour la sonde émissive. Il est important de noter que pour les sondes cylindriques de Langmuir, pour les paramètres plasma de ces expériences, le rayon de la pointe de la sonde, rp, est beaucoup plus petit que sa longueur, Lp, et plus petit que la longueur de Debye, λD ; c’est-à-dire <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ13.jpg">, et <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ14.jpg">. Dans cette gamme de paramètres, en appliquant la théorie du mouvement orbital limité et son développement par Laframboise22 pour le cas des électrons et des ions thermiques, nous constatons que pour des tensions de polarisation de sonde égales ou supérieures au potentiel plasma, le courant électronique collecté peut être paramétré par une fonction de la forme <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ15.jpg">, où l’exposant <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ16.jpg">. Le point important ici est que pour les valeurs de cet exposant inférieures à l’unité, la méthode du point d’inflexion pour déterminer le potentiel plasmatique, telle que décrite dans le paragraphe ci-dessus, s’applique également aux sondes de Langmuir cylindriques.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.001&#34; thick tungsten wire</td>
			<td>Midwest Tungsten Service</td>
			<td>0.001&#34;</td>
			<td>Emissive probe filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.005&#34; thick tantalum sheet</td>
			<td>Midwest Tungsten Service</td>
			<td>0.005&#34;</td>
			<td>Heating filament to generate plasma</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/2&#34; Brass supprting tube</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34; Brass Ferrule Set</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>B-400-SET</td>
			<td>Interface between stainless probe shaft and swagelok tube fitting</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34; OD 304 or 315 stainless steel tube</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>SS-T4-S-035-20</td>
			<td>Used to make the probe shaft, order seamless, sold in 20&#39; lengths</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alumina tubes</td>
			<td>COORSTEK</td>
			<td>65655, single bore 0.156&#34; OD 0.094 ID</td>
			<td>single bore, double bore, quadruple bore, use for support structure for both emissive and Langmuir probes between the probe tip and shaft</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Baratron gauge</td>
			<td>MKS</td>
			<td>Type 127</td>
			<td>Display the pressure when there&#39;s gas flowing in the chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brass Swagelok Tube Fitting</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>B-400-1-OR</td>
			<td>Tube fittings used on the probe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brass Swagelok Tube Fitting</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>B-810-6</td>
			<td>Tube fittings used on the probe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brass Swagelok Tube Fitting</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>B-810-1-OR</td>
			<td>Tube fittings used on the probe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ceramic liquid</td>
			<td>Sauereisen</td>
			<td>No. 31 Ceramic Encapsulant Liquid</td>
			<td>Mix with No.31 cement power to make the ceramic paste</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ceramic powder</td>
			<td>Sauereisen</td>
			<td>Cement Powder No. 31 Off-White</td>
			<td>There are Saureisen cements that cure with water, e.g. No.10 Powder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold plated nickel wire</td>
			<td>SYLVANIA ELECTRIC PRODUCT</td>
			<td></td>
			<td>spod-welded to the probe tip to provide supports</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ion gauge controller</td>
			<td>Granville-Phillips</td>
			<td>270 Gauge controller</td>
			<td>Heat up the ion gauge and display pressure inside the chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mechanical pump</td>
			<td>Leybold D60 D60AC</td>
			<td>D60 D60AC</td>
			<td>Bring the pressure down to ~10 mTorr then serve as the backing pump for the turbo pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>needle valve</td>
			<td>Whitey</td>
			<td>SS-22RS4</td>
			<td>Metering Micro-Needle Micrometer Valve 1/4&#34; Tube Swagelok fittings</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power supply</td>
			<td>Kepco</td>
			<td>ATE 100-10M</td>
			<td>Voltage Bias supply of heating filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power supply</td>
			<td>Sorensen</td>
			<td>DCR 20-115B</td>
			<td>Heating supply of heating filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>shutoff valve</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>Nupro SS-4BK</td>
			<td>Knob handle, for 1/4&#34; tubing, swagelok fittings</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Ultra-Torr Vacuum Fitting</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>SS-4-UT-A-8</td>
			<td>Tube fittings used on the probe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Teflon coated wire</td>
			<td>Geyer Systems</td>
			<td>P31546</td>
			<td>Connect the gold-coated wire to BNC pin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Turbo pump</td>
			<td>PFEIFFER</td>
			<td>TPH 240 C</td>
			<td>Bring the pressure down to 1E-6 Torr</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum grease</td>
			<td>APIEZON</td>
			<td>L Ultra High Vacuum Grade Grease</td>
			<td>Vacuum grease used to lubricate the oring</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Viton Orings</td>
			<td>Grainger</td>
			<td>#031</td>
			<td>Round #031 Medium Hard Viton O-Ring, 1.739&#34; I.D., 1.879&#34; O.D</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Viton Orings</td>
			<td>Grainger</td>
			<td>#010</td>
			<td>Round #010 Medium Hard Viton O-Ring, 0.239&#34; I.D., 0.379&#34;O.D</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

building langmuir probes and emissive probes for plasma potential measurements in low pressure, low temperature plasmas

Les sondes de Langmuir sont utilisées depuis longtemps dans la recherche expérimentale en physique des plasmas comme principal diagnostic des flux de particules (c’est-à-dire les flux d’électrons et d’ions) et de leurs concentrations spatiales locales, des températures des électrons et des mesures du potentiel électrostatique du plasma, depuis leur invention par Langmuir au début des années 1920. Les sondes émissives sont utilisées pour mesurer les potentiels plasma. Les protocoles présentés dans ce travail servent à démontrer comment ces sondes peuvent être construites pour être utilisées dans une chambre à vide dans laquelle une décharge de plasma peut être confinée et maintenue. Cela implique des techniques de vide pour construire ce qui est essentiellement un passage électrique, rotatif et traduisible. Certes, des systèmes complets de sondes Langmuir peuvent être achetés, mais ils peuvent également être construits par l’utilisateur avec des économies considérables, et en même temps être plus directement adaptés à leur utilisation dans une expérience particulière. Nous décrivons l’utilisation des sondes de Langmuir et des sondes émissives pour cartographier le potentiel du plasma électrostatique du corps du plasma jusqu’à la région de la gaine d’une limite de plasma, qui dans ces expériences est créée par une électrode à polarisation négative immergée dans le plasma, afin de comparer les deux techniques de diagnostic et d’évaluer leurs avantages et faiblesses relatifs. Bien que les sondes de Langmuir aient l’avantage de mesurer la densité du plasma et la température des électrons avec la plus grande précision, les sondes émissives peuvent mesurer les potentiels du plasma électrostatique avec plus de précision dans tout le plasma, jusqu’à la région de la gaine incluse.

Les sondes de Langmuir, connues pour être sensibles aux écoulements et à l’énergie cinétique des particules qu’elles collectent, ont jusqu’à présent été considérées comme permettant une mesure valide du potentiel plasmatique, sauf dans les gaines. Mais des comparaisons directes des potentiels plasma mesurés par les sondes de Langmuir et les sondes émissives ont démontré que dans la région de la prégaine quasi-neutre du plasma immédiatement en contact avec la gaine du côté du plasma, les sondes d...

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Building Langmuir Probes and Emissive Probes for Plasma Potential Measurements in Low Pressure, Low Temperature Plasmas

L’objectif principal de ce travail est de permettre aux groupes de recherche peu familiers avec les sondes de Langmuir et les sondes émissives de les utiliser plus facilement comme diagnostics plasmatiques, en particulier près des limites du plasma. Pour ce faire, nous montrons comment construire les sondes à partir de matériaux et de fournitures facilement disponibles.

Construction de sondes de Langmuir et de sondes émissives pour les mesures de potentiel plasma dans les plasmas basse pression et basse température

Langmuir probes have long been used in experimental plasma physics research as the primary diagnostic for particle fluxes (i.e., electron and ion fluxes) ...

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.

Research

JoVE Journal

Engineering

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

Résolution angulaire spectroscopie de photoémission à très basse température

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

Recherche

Ingénierie

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Synthèse et Microdiffraction à des pressions et des températures extrêmes

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Écrit et à basse température Caractérisation des nanostructures d&#39;oxyde

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions.  Oxide ...

How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters

Comment Ignite une pression atmosphérique à micro-ondes de la flamme plasma sans aucune Allumeurs supplémentaires

This movie shows how an atmospheric pressure plasma torch can be ignited by microwave power with no additional igniters. After ignition of the plasma, a ...

Fabrication of Low Temperature Carbon Nanotube Vertical Interconnects Compatible with Semiconductor Technology

Fabrication de basse température de nanotubes de carbone interconnexions verticales Compatible avec la technologie des semiconducteurs

We demonstrate a method for the low temperature growth (350 &#176;C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Méthodes expérimentales avancées pour basse température magnétotransport mesure de nouveaux matériaux

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

L&#39;application X-ray Imaging Cristal Spectroscopie pour l&#39;utilisation en tant que haute température Diagnostic plasma

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line ...

Adsorption Device Based on a Langatate Crystal Microbalance for High Temperature High Pressure Gas Adsorption in Zeolite H-ZSM-5

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An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation

Une configuration de plasma Pression atmosphérique pour enquêter sur la formation espèces réactives

Non-thermal atmospheric pressure (&#39;cold&#39;) plasmas have received increased attention in recent years due to their significant biomedical potential. ...

Wicking Tests for Unidirectional Fabrics: Measurements of Capillary Parameters to Evaluate Capillary Pressure in Liquid Composite Molding Processes

Wicking Tests pour unidirectionnels Tissus: Mesures de Capillaire paramètres pour évaluer la pression capillaire dans les processus Liquid Composite Molding

During impregnation of a fibrous reinforcement in liquid composite molding (LCM) processes, capillary effects have to be understood in order to identify ...