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

Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), attraverso grantDE-SC00114226, e dalla National Science Foundation attraverso le sovvenzioni PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 e PHY-1804240
Omaggio a Noah Hershkowitz: Noah Hershkowitz ha dato contributi rivoluzionari alla fisica del plasma, guadagnandosi il rispetto e l'ammirazione dei suoi colleghi e studenti, sia come scienziato che come essere umano.  "La fisica", spiegò una volta, "è come un puzzle molto vecchio. Tutti i pezzi sono consumati. I loro bordi sono incasinati. Alcuni pezzi sono stati messi insieme nel modo sbagliato. In un certo senso si adattano, ma in realtà non sono nei posti giusti. Il gioco consiste nel metterli insieme nel modo giusto per scoprire come funziona il mondo.  È morto il 13 novembre 2020, all'età di 79 anni.

1. Costruzione di sonde Langmuir e sonde emissive da inserire in una camera a vuoto
<ol><li>Sonda di Langmuir planare (vedere la Figura 5 per maggiori dettagli)<ol><li>Prendi un tubo in acciaio inossidabile da 1/4" di diametro come albero della sonda e piega un'estremità all'angolo di 90° desiderato.</li>
		<li>Tagliare il lato non piegato a una lunghezza tale che la sonda possa coprire assialmente più della metà della lunghezza della camera.</li>
		<li>Inserire il lato non piegato del...

<ol>
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Le sonde di Langmuir sono utilizzate per misure di flusso di particelle in una gamma straordinariamente ampia di densità e temperature del plasma, dai plasmi spaziali in cui la densità elettronica è di poche particelle 106 m-3 alla regione limite dei plasmi di fusione in cui la densità elettronica è più simile a poche volte 1020 m-3. Inoltre, temperature degli elettroni comprese tra 0,1 e qualche centinaio di eV sono state diagnosticate con le sonde di Langmuir. Le sonde ...

Durante questo primo secolo di ricerca sulla fisica del plasma, risalente alle scoperte di Langmuir nel 1920 del comportamento simile al mezzo di un nuovo stato della materia, il plasma, la sonda di Langmuir ha dimostrato di essere stata la più importante diagnostica dei parametri del plasma. Ciò è vero in parte, a causa del suo straordinario campo di applicabilità1. Nel plasma incontrato dai satelliti 2,3,4, negli esperimenti di lavorazione dei semiconduttori,5,6,7,8 ai bordi del plasma confinato nei tokamak,9,10,11 e in un'ampia gamma di esperimenti di fisica del plasma di base, le sonde di Langmuir sono state utilizzate per misurare densità e temperature di plasma che coprono gli intervalli 108≤ne≤1019 m-3 e 10-3≤Te≤102eV , rispettivamente. Contemporaneamente, negli anni '20, inventò la sonda che ora porta il suo nome e la sonda emissiva12. La sonda emissiva viene ora utilizzata principalmente come diagnostica del potenziale plasmatico. Sebbene non sia in grado di misurare l'ampiezza dei parametri del plasma che può fare la sonda di Langmuir, anch'essa è una diagnostica di ampia utilità quando si tratta di misurare il potenziale del plasma, o, come a volte viene chiamato, il potenziale spaziale elettrostatico. Ad esempio, la sonda emissiva può misurare con precisione i potenziali spaziali anche nel vuoto, dove le sonde di Langmuir non sono in grado di misurare nulla.
La configurazione di base della sonda Langmuir consiste nell'inserire un elettrodo nel plasma e misurare la corrente raccolta. Le caratteristiche di corrente-tensione (I-V) risultanti possono essere utilizzate per interpretare i parametri del plasma come la temperatura dell'elettrone Te, la densità elettronica ne il potenziale del plasma φ13. Per un plasma maxwelliano, la relazione tra la corrente di elettroni raccolti Ie (considerata positiva) e la polarizzazione della sonda VB può essere espressa come14:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ1v2.jpg">
dove Ie0 è la corrente di saturazione dell'elettrone,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ2v2.jpg">
e dove S è l'area di raccolta della sonda, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ09.jpg"> è la densità di elettroni di massa, e è la carica dell'elettrone, Te è la temperatura dell'elettrone, me è la massa dell'elettrone. La relazione teorica delle caratteristiche I-V per la corrente elettronica è illustrata in due modi nella Figura 1A e nella Figura 1B. Nota, l'Eq. (1a,b) si applica solo agli elettroni di massa. Tuttavia, le correnti della sonda di Langmuir possono rilevare flussi di particelle cariche e le regolazioni devono essere effettuate in presenza di elettroni primari, fasci di elettroni o fasci di ioni, ecc. Vedi Hershkowitz14 per maggiori dettagli.
La discussione qui riprende il caso ideale delle funzioni di distribuzione dell'energia elettronica maxwelliana (EEDF). Naturalmente, ci sono molte circostanze in cui sorgono le non-idealità, ma queste non sono l'argomento di questo lavoro. Ad esempio, nei sistemi al plasma di incisione e deposizione dei materiali, tipicamente generati e sostenuti da RF, ci sono materie prime di gas molecolari che producono radicali chimici volatili nel plasma e più specie ioniche, inclusi ioni caricati negativamente. Il plasma diventa elettronegativo, cioè ha una frazione significativa della carica negativa nel plasma quasineutro sotto forma di ioni negativi. Nel plasma con neutri molecolari e ioni, le collisioni anelastiche tra gli elettroni e le specie molecolari possono produrre cali15 nelle caratteristiche corrente-tensione, e la presenza di ioni negativi freddi, freddi rispetto agli elettroni, può produrre distorsioni significative16 in prossimità del potenziale plasmatico, che ovviamente sono tutte caratteristiche non maxwelliane. Abbiamo proseguito gli esperimenti nel lavoro discusso in questo articolo in una singola specie ionica gas nobile (argon) plasma a scarica DC, privo di questo tipo di effetti non-maxwelliani. Tuttavia, in queste scariche si trova tipicamente un EEDF bi-maxwelliano, causato dalla presenza di emissione secondaria di elettroni17 dalle pareti della camera. Questa componente degli elettroni più caldi è in genere un paio di multipli della temperatura dell'elettrone freddo e meno dell'1% della densità, in genere facilmente distinguibile dalla densità e dalla temperatura dell'elettrone di massa.
Quando VB diventa più negativo di φ, gli elettroni vengono parzialmente respinti dal potenziale negativo della superficie della sonda e la pendenza di ln(Ie) rispetto a VB è e/Te, cioè. 1/TeV dove TeV è la temperatura dell'elettrone in eV, come mostrato nella Figura 1B. Dopo aver determinato il TeV , la densità plasmatica può essere derivata come:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ3v2.jpg">
La corrente ionica è derivata in modo diverso rispetto alla corrente elettronica. Si presume che gli ioni siano "freddi" a causa della loro massa relativamente grande, Mi >> me, rispetto a quella dell'elettrone, quindi, in un plasma debolmente ionizzato, gli ioni sono in equilibrio termico abbastanza buono con gli atomi di gas neutro, che si trovano alla temperatura di parete. Gli ioni vengono respinti dalla guaina della sonda se VB ≥ φ e raccolti se VB < φ. La corrente ionica raccolta è approssimativamente costante per le sonde a polarizzazione negativa, mentre il flusso di elettroni alla sonda diminuisce per tensioni di polarizzazione della sonda più negative del potenziale di plasma. Poiché la corrente di saturazione degli elettroni è molto più grande della corrente di saturazione degli ioni, la corrente totale raccolta dalla sonda diminuisce. Man mano che la polarizzazione della sonda diventa sempre più negativa, la caduta di corrente raccolta è grande o piccola a seconda che la temperatura dell'elettrone sia fredda o calda, come descritto sopra nell'Eq. (1a). L'equazione per la corrente ionica in questa approssimazione è:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ4v2.jpg">
dove
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ5v2.jpg">
e
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ6v2.jpg">
Notiamo che il flusso ionico costante raccolto dalla sonda supera il flusso ionico termico casuale a causa dell'accelerazione lungo la guaina della sonda e quindi gli ioni raggiungono il bordo della guaina della sonda alla velocità di Bohm18, uB, piuttosto che alla velocità termica dello ione19. E gli ioni hanno una densità uguale agli elettroni poiché la preguaina è quasi neutra. Confrontando la corrente di saturazione di ioni ed elettroni in Eqn.5 e 2, osserviamo che il contributo degli ioni alla corrente della sonda è inferiore a quello degli elettroni di un fattore di <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ10.jpg">. Questo fattore è di circa 108 nel caso del plasma di argon.
C'è un punto di transizione acuto in cui la corrente di elettroni passa da esponenziale a costante, noto come "ginocchio". La polarizzazione della sonda al ginocchio può essere approssimata come potenziale plasmatico. Nell'esperimento reale, questo ginocchio non è mai affilato, ma arrotondato a causa dell'effetto di carica spaziale della sonda, cioè l'espansione della guaina che circonda la sonda, e anche per la contaminazione della sonda e il rumore del plasma13.
La tecnica della sonda di Langmuir si basa sulla corrente di raccolta, mentre la tecnica della sonda emissiva si basa sull'emissione di corrente. Le sonde emissive non misurano né la temperatura né la densità. Al contrario, forniscono misurazioni precise del potenziale del plasma e possono funzionare in una varietà di situazioni grazie al fatto che sono insensibili ai flussi di plasma. Le teorie e l'uso delle sonde emissive sono ampiamente discusse nella revisione tematica di Sheehan e Hershkowitz20, e nei riferimenti in essa contenuti.
Per la densità del plasma 1011 ≤ ne ≤ 1018 m-3, si raccomanda la tecnica del punto di flesso nel limite di emissione zero, il che significa prendere una serie di tracce I-V, ciascuna con diverse correnti di riscaldamento del filamento, trovando la tensione di polarizzazione del punto di flesso per ogni traccia I-V ed estrapolare i punti di flesso al limite di emissione zero per ottenere il potenziale del plasma, come mostrato nella Figura 2.
E' un'ipotesi comune che le tecniche di Langmuir e delle sonde emissive concordino nel plasma quasineutro, ma non siano d'accordo nella guaina, la regione del plasma in contatto con il confine in cui appare la carica spaziale. Lo studio si concentra sul potenziale del plasma vicino ai confini del plasma, nel plasma a bassa temperatura e bassa pressione, nel tentativo di testare questa ipotesi comune. Per confrontare le misure di potenziale sia con la sonda di Langmuir che con la sonda emissiva, il potenziale del plasma viene determinato anche applicando la tecnica del punto di flesso alla sonda di Langmuir I-V, come mostrato nella Figura 3. È generalmente accettato1 che il potenziale del plasma si trova trovando la tensione di polarizzazione della sonda alla quale la derivata seconda della corrente raccolta si differenzia rispetto alla tensione di polarizzazione, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ11.jpg">cioè il picco della curva dI/dV , rispetto alla tensione di polarizzazione della sonda. La Figura 3 mostra come si trova questo massimo in dI/dV, il punto di flesso della caratteristica corrente-tensione.
Le sonde Langmuir (raccoglitrici) e le sonde emissive (emittenti) hanno caratteristiche I-V diverse, che dipendono anche dalla geometria della punta della sonda, come mostrato nella Figura 4. L'effetto di carica spaziale della sonda deve essere considerato prima della fabbricazione della sonda. Negli esperimenti, per le sonde planari di Langmuir, abbiamo usato un disco planare di tantalio da 1/4". Potremmo raccogliere più corrente e ottenere segnali più grandi con un disco più grande. Tuttavia, affinché le analisi di cui sopra si applichino, l'area della sonda, Ap deve essere mantenuta più piccola dell'area di perdita di elettroni della camera, Aw, soddisfacendo21 la disuguaglianza <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ12.jpg">. Per la sonda cilindrica di Langmuir, abbiamo utilizzato un filo di tungsteno di 0,025 mm di spessore e 1 cm di lunghezza per la sonda cilindrica di Langmuir e dello stesso spessore per il filo di tungsteno per la sonda emissiva. È importante notare che per le sonde cilindriche di Langmuir, per i parametri plasmatici di questi esperimenti, il raggio della punta della sonda, rp, è molto più piccolo della sua lunghezza, Lp, e più piccolo della lunghezza di Debye, λD; ovvero, <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ13.jpg">, e <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ14.jpg">. In questo intervallo di parametri, applicando la teoria del Moto Orbitale Limitato e lo sviluppo di Lacrambonise22 per il caso di elettroni e ioni termici, troviamo che per tensioni di polarizzazione della sonda uguali o superiori al potenziale di plasma, la corrente di elettroni raccolti può essere parametrizzata da una funzione della forma <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ15.jpg">, dove l'esponente <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ16.jpg">. Il punto importante qui è che per valori di questo esponente inferiori all'unità, il metodo del punto di flesso per determinare il potenziale plasmatico, come descritto nel paragrafo precedente, si applica anche alle sonde cilindriche di Langmuir.

<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

Le sonde di Langmuir sono state a lungo utilizzate nella ricerca sperimentale sulla fisica del plasma come diagnostica primaria per i flussi di particelle (cioè i flussi di elettroni e ioni) e le loro concentrazioni spaziali locali, per le temperature degli elettroni e per le misure elettrostatiche del potenziale del plasma, sin dalla sua invenzione da parte di Langmuir nei primi anni '20. Le sonde emissive sono utilizzate per misurare i potenziali di plasma. I protocolli esposti in questo lavoro servono a dimostrare come queste sonde possono essere costruite per l'uso in una camera a vuoto in cui una scarica di plasma può essere confinata e sostenuta. Si tratta di tecniche di vuoto per la costruzione di quello che è essenzialmente un passante elettrico, che è ruotabile e traducibile. Certo, si possono acquistare sistemi completi di sonde Langmuir, ma possono anche essere costruiti dall'utente con un notevole risparmio sui costi, e allo stesso tempo essere più direttamente adattati al loro utilizzo in un particolare esperimento. Descriviamo l'uso delle sonde di Langmuir e delle sonde emissive nella mappatura del potenziale elettrostatico del plasma dal corpo del plasma fino alla regione della guaina di un confine plasmatico, che in questi esperimenti è creato da un elettrodo a polarizzazione negativa immerso nel plasma, al fine di confrontare le due tecniche diagnostiche e valutarne i relativi vantaggi e debolezze. Sebbene le sonde di Langmuir abbiano il vantaggio di misurare la densità del plasma e la temperatura degli elettroni in modo più accurato, le sonde emissive possono misurare i potenziali elettrostatici del plasma in modo più accurato in tutto il plasma, fino alla regione della guaina inclusa.

Le sonde di Langmuir, note per essere sensibili ai flussi e all'energia cinetica delle particelle che raccolgono, sono state finora considerate in grado di fornire una valida misura del potenziale plasmatico, tranne che nelle guaine. Ma confronti diretti dei potenziali plasmatici misurati dalle sonde di Langmuir e dalle sonde emissive hanno dimostrato che nella regione della preguaina quasi neutra del plasma immediatamente a contatto con la guaina sul lato del plasma, le sonde di Langmuir non forniscono misurazioni accur...

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

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di rendere più facile per i gruppi di ricerca che non hanno familiarità con le sonde di Langmuir e le sonde emissive utilizzarle come diagnostica del plasma, specialmente vicino ai confini del plasma. Lo facciamo dimostrando come costruire le sonde a partire da materiali e materiali prontamente disponibili.

Costruzione di sonde Langmuir e sonde emissive per la misura del potenziale di plasma in plasmi a bassa pressione e bassa temperatura

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

Forniamo un protocollo passo-passo su come realizzare sonde Langmuir e sonde emissive utilizzando materiale di laboratorio prontamente disponibile per i ricercatori che vogliono costruire se stessi. L'utilizzo di materiale prontamente disponibile in laboratorio rende più economica e semplice la costruzione e la manutenzione di sonde elettrostatiche per la diagnostica al plasma e rende il sistema più adattabile alle diverse impostazioni di laboratorio. L'interfaccia del vuoto utilizzata nel nostro protocollo di costruzione può essere utilizzata anche come metodo passante per altri dispositivi a bassa pressione.Quando si esegue questo protocollo, le tecniche di vuoto, il controllo della continuità elettrica, l'indurimento della pasta ceramica e la gestione della fragilità della sonda possono sembrare difficili all'inizio. Inizia costruendo le sonde di Langmuire. Prendi un tubo in acciaio inossidabile del diametro di un quarto di pollice come albero della sonda.Tagliare il tubo in modo che la sonda possa coprire assialmente più della metà della lunghezza della camera. Montare il lato non piegato dell'albero attraverso un tubo di ottone con un adattatore SS-4-UT-A-8 in combinazione con un raccordo per tubo B-810-6 Union. Utilizzare un tubo di ottone da mezzo pollice che si estende dalle flange personalizzate attraverso un'interfaccia B-810-1 O Swagelok per fornire supporto assiale all'albero della sonda.Collegare l'estremità non piegata dell'albero della sonda all'alloggiamento BNC tramite un raccordo B-400-1 O Swagelok. Inserire il filo di nichel rivestito in oro attraverso due tubi di allumina a foro singolo, inserendo il tubo più spesso all'interno dell'albero della sonda. Saldare a punti un'estremità del filo di nichel rivestito d'oro su un pezzo di filo spellato, che viene inserito sulla penna del passaggio BNC, all'estremità dell'albero della sonda.Quindi, tagliare il filo rivestito d'oro in modo che il giunto con il filo spellato si inserisca all'interno del tubo di allumina per evitare cortocircuiti con l'albero della sonda. Perforare un foglio di tantalio per creare una punta della sonda Langmuir da un quarto di pollice e saldare a punti all'altra estremità del filo di nichel rivestito d'oro sul bordo della punta, impostando la punta della sonda normale all'asse della piastra di delimitazione. Posizionare la punta della sonda leggermente in avanti in modo che il corpo della sonda non tocchi la piastra di delimitazione durante l'esecuzione delle misurazioni all'interno della guaina.Sigillare tutti i giunti con pasta ceramica per isolare i componenti del circuito della sonda dal plasma e utilizzare un addetto al calore per cuocere i giunti in ceramica per 5-10 minuti. Utilizzare un multimetro per misurare la resistenza tra la punta della sonda e il connettore BNC. Se viene dimostrata la continuità, la sonda è pronta per essere inserita nella camera a vuoto.Per costruire una sonda ammisiva cilindrica, seguire la procedura precedentemente descritta ad eccezione dell'utilizzo di un tubo di alluminio a due fori da un ottavo di pollice invece di uno a foro singolo. Tagliare il filo di tungsteno da 0,025 millimetri di diametro a circa un centimetro e saldare a punti il filamento di tungsteno su fili rivestiti d'oro. Sigillare i giunti alterni con pasta ceramica, assicurandosi che la pasta non penetri sul filamento di tungsteno.Controllare la continuità tra le due estremità BNC. Accendere il manometro ionico per controllare la pressione di base prima di immettere il gas nella camera. In caso contrario, verificare la presenza di perdite nel sistema.Utilizzare la penna per calibrare il display baratron fino a quando il numero fluttua all'interno di più o meno 0,01 millitorr. Assicurarsi che la valvola a spillo sia in posizione chiusa. Quindi aprire la valvola di intercettazione e verificare che non vi siano variazioni di pressione sulla lettura baratron.Ruotare lentamente la manopola della valvola a spillo per rilasciare il gas nella camera fino a raggiungere la pressione richiesta. Accendere l'alimentazione di tensione e impostare la tensione su 60 volt negativi per fornire energia elettronica sufficiente per la massima sezione d'urto di ionizzazione di Argonne. Quindi, accendere l'alimentazione di riscaldamento per i filamenti e regolare lentamente il livello fino a quando la corrente di scarica non legge il valore richiesto.Collegare l'alimentazione di tensione alla piastra perimetrale e regolare la polarizzazione al livello desiderato. Quindi procedere con la misurazione. Collegare la sonda al circuito di acquisizione e controllo dati e procedere allo sweep della tensione applicata alla sonda misurando contemporaneamente la corrente assorbita dalla sonda.Salvare la traccia della tensione corrente. Ripetere l'acquisizione dei dati con le sonde missive, l'acquisizione dati e il circuito di controllo. Le sonde di Langmuir sono state costruite in quattro diverse configurazioni e sono state etichettate come LPJ, dove J è un numero intero compreso tra uno e quattro.I progetti di sonde includevano la sonda cilindrica di Langmuir LP uno, la sonda di Langmuir a doppia faccia, LP due, la sonda Langmuir piallatrice, LP tre, con il lato rivolto verso la piastra di delimitazione sigillata da pasta ceramica, e la sonda di Langmuir planare, LP quattro, con il lato rivolto lontano dalla piastra di confine coperta da pasta ceramica. Il confronto tra la sonda di Langmuir e le misure del potenziale di una sonda missiva è mostrato qui. Tutti e quattro i tipi di sonde di Langmuir sono stati confrontati con le misurazioni di una sonda missiva per determinare quanto bene misurano i potenziali di plasma vicino ai confini del plasma, in particolare nella regione della preguaina.Sono stati testati diversi tipi di sonde per determinare se il modo in cui le sonde Langmuir vengono utilizzate per misurare i potenziali di plasma fornisce risultati accurati. Tutte le misurazioni della sonda di Langmuir sono state confrontate con le misurazioni della sonda admissiva del potenziale plasmatico. Nella guaina preliminare, tutti i potenziali plasmatici misurati dalla sonda di Langmuir differiscono da quelli misurati dalle sonde admissive.La differenza si allarga con la vicinanza al bordo della guaina, crescendo fino a un valore di molte temperature dell'elettrone. I parametri del plasma come la temperatura, la densità, le lunghezze da acquistare e le lunghezze della guaina di Langmuir del bambino ottenuti dalle misurazioni di LP due nella maggior parte del plasma sono mostrati qui. Questi parametri aiutano a stabilire buone stime dello spessore nominale della guaina per le sonde Langmuir planari.Per eseguire correttamente questo protocollo, cuocere tutte le bolle d'aria durante l'asciugatura della pasta ceramica. E prima di inserire la sonda nella camera a vuoto, non dimenticare di eseguire il controllo di continuità tra il nastro della sonda e la testa BNC e anche il controllo dell'installazione tra il nastro della sonda e l'albero della sonda. Le sonde elettrostatiche vengono utilizzate per rilevare e lanciare le onde di plasma per misurare la presenza di instabilità del plasma e per mappare la struttura coerente presente nel plasma, come i doppi strati e le tonnellate solide.

Research

JoVE Journal

Engineering

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

Angolo-spettroscopia di fotoemissione risolta A ultra-basse temperature

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

Ricerca

Ingegneria

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Sintesi e microdiffrazione a pressioni e temperature estreme

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

Scrittura e bassa temperatura Caratterizzazione di nanostrutture di ossido

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

Come Ignite una Pressione atmosferica Microonde torcia al plasma senza alcuna accenditori supplementari

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

Fabbricazione di bassa temperatura Nanotubi di carbonio interconnessioni verticali Compatibile con la tecnologia Semiconductor

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

Metodi sperimentali avanzati per bassa temperatura magnetotrasporto Misura di nuovi materiali

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;applicazione di X-ray Imaging cristallo Spettroscopia per l&#39;uso come ad alta temperatura del plasma di diagnostica

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

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Dispositivo adsorbimento Sulla base di un Langatate cristallo Microbilancia per ALTA TEMPERATURA ALTA PRESSIONE adsorbimento di gas a Zeolite H-ZSM-5

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Una configurazione plasma a pressione atmosferica per Indagare sulla formazione reattiva Specie

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 Test per unidirezionali Tessuti: Misure di capillare parametri per valutare capillare pressione nei Processi 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 ...