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

Bu çalışma kısmen ABD Enerji Bakanlığı (DOE) tarafından hibe SC00114226 yoluyla finanse edildi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından PHY-1464741, PHY-1464838, PHY-1804654 ve PHY-1804240 hibeleri aracılığıyla finanse edildi
Noah Hershkowitz'e Övgü: Noah Hershkowitz, hem bir bilim adamı hem de bir insan olarak meslektaşlarının ve öğrencilerinin saygısını ve hayranlığını kazanırken plazma fiziğine çığır açan katkılarda bulundu.  "Fizik," diye açıklamıştı bir keresinde, "gerçekten eski bir yapboz gibidir. Tüm parçalar yıpranmış. Kenarları berbat. Bazı parçalar yanlış şekilde bir araya getirildi. Bir şekilde uyuyorlar, ama aslında doğru yerlerde değiller. Oyun, dünyanın nasıl çalıştığını bulmak için onları doğru şekilde bir araya getirmektir.  13 Kasım 2020'de 79 yaşında öldü.

1. Bir vakum odasına sığacak şekilde Langmuir probları ve Yayıcı problar inşa etmek
<ol><li>Düzlemsel Langmuir sondası (daha fazla ayrıntı için bkz. Şekil 5 )<ol><li>Prob mili olarak 1/4" çapında paslanmaz çelik bir boru alın ve bir ucunu istenen 90° açıyla bükün.</li>
		<li>Bükülmemiş tarafı, probun hazne uzunluğunun yarısından fazlasını eksenel olarak kaplayabilmesi için bir uzunluğa kesin.</li>
		<li>Milin bükülmemiş tarafını, bir B-4-8 rakor boru ...

<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. E., Gunell, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+interpretation+of+Langmuir+probe+data+inside+a+spacecraft+sheath.">On the interpretation of Langmuir probe data inside a spacecraft sheath.</a> Review of Scientific Instruments. 81, 105106 (2010).</li><li>Lebreton, J. P., 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+ISL+Langmuir+probe+experiment+processing+onboard+DEMETER:+Scientific+objectives,+description+and+first+results.">The ISL Langmuir probe experiment processing onboard DEMETER: Scientific objectives, description and first results.</a> Planetary and Space Science. 54, 472-486 (2006).</li><li>Godyak, V. A., Piejak, R. B., 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=Measurements+of+electron+energy+distribution+in+low-pressure+RF+discharges.">Measurements of electron energy distribution in low-pressure RF discharges.</a> Plasma Sources Science and Technology. 1, 36-58 (1992).</li><li>You, K. H., 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=Experimental+and+computational+investigations+of+the+effect+of+the+electrode+gap+on+capacitively+coupled+radio+frequency+oxygen+discharges.">Experimental and computational investigations of the effect of the electrode gap on capacitively coupled radio frequency oxygen discharges.</a> Physics of Plasmas. 26, 013503 (2019).</li><li>Sobolewski, M. A., Kim, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+radio-frequency+bias+on+electron+density+in+an+inductively+coupled+plasma+reactor.">The effects of radio-frequency bias on electron density in an inductively coupled plasma reactor.</a> Journal of Applied Physics. 102 (11), 113302 (2007).</li><li>Godyak, V. A., Piejak, R. B., 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=Electron+energy+distribution+function+measurements+and+plasma+parameters+in+inductively+coupled+argon+plasma.">Electron energy distribution function measurements and plasma parameters in inductively coupled argon plasma.</a> Plasma Sources Science and Technology. 11, 525-543 (2002).</li><li>Leonard, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+detachment+in+divertor+tokamaks.">Plasma detachment in divertor tokamaks.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 60, 044001 (2018).</li><li>Loarte, 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=Plasma+detachment+in+JET+Mark+I+divertor+experiments.">Plasma detachment in JET Mark I divertor experiments.</a> Nuclear Fusion. 38, 331-371 (1998).</li><li>Matthews, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tokamak+plasma+diagnosis+by+electrical+probes.">Tokamak plasma diagnosis by electrical probes.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 36, 1595-1628 (1994).</li><li>Langmuir, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pressure+effect+and+other+phenomena+in+gaseous+discharges.">The pressure effect and other phenomena in gaseous discharges.</a> Journal of the Franklin Institute. 196, 751-762 (1923).</li><li>Hutchinson, I. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Principles of Plasma Diagnostics. 2nd. Ed. , (2002).</li><li>Hershkowitz, N., Auciello, N., Flamm, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+Langmuir+Probes+Work.">How Langmuir Probes Work.</a> Plasma Diagnostics Volume 1 Discharge Parameters and Chemistry. , 114 (1989).</li><li>Lee, H. C., Lee, J. K., Chung, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolution+of+the+electron+energy+distribution+and+E-H+mode+transition+in+inductively+coupled+nitrogen+plasma.">Evolution of the electron energy distribution and E-H mode transition in inductively coupled nitrogen plasma.</a> Physics of Plasmas. 17, 033506 (2010).</li><li>Amemiya, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmas+with+negative+ions-probe+measurements+and+charge+equilibrium.">Plasmas with negative ions-probe measurements and charge equilibrium.</a> Journal of Physics D: Applied Physics. 23, 999 (1990).</li><li>Andreu, J., Sardin, G., Esteve, J., Morenza, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Filament+discharge+plasma+of+argon+with+electrostatic+confinement.">Filament discharge plasma of argon with electrostatic confinement.</a> Journal of Physics D: Applied Physics. 18, 1339-1345 (1985).</li><li>Bohm, D., Guthrie, A., Wakering, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minimum+Kinetic+Energy+Requirement+for+a+Stable+Sheath.">Minimum Kinetic Energy Requirement for a Stable Sheath.</a> The Characteristics of Electrical Discharges in Magnetic Fields. , (1949).</li><li>Chen, F. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, 3rd Ed. , (2016).</li><li>Sheehan, J. P., Hershkowitz, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emissive+probes.">Emissive probes.</a> Plasma Sources Science and Technology. 20, 063001 (2011).</li><li>Barnat, E. V., Laity, G. R., Baalrud, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+of+the+plasma+to+the+size+of+an+anode+electrode+biased+near+the+plasma+potential.">Response of the plasma to the size of an anode electrode biased near the plasma potential.</a> Physics of Plasmas. 21, 103512 (2014).</li><li>Mausbach, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parametrization+of+the+Laframboise+theory+for+cylindrical+Langmuir+probe+analysis.">Parametrization of the Laframboise theory for cylindrical Langmuir probe analysis.</a> Journal of Vacuum Science and Technology A. 15, 2923-2929 (1997).</li><li>Li, P., Hershkowitz, N., Wackerbarth, E., Severn, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+studies+of+the+difference+between+plasma+potentials+measured+by+Langmuir+probes+and+emissive+probes+in+presheaths.">Experimental studies of the difference between plasma potentials measured by Langmuir probes and emissive probes in presheaths.</a> Plasma Sources Science and Technology. 29, 025015 (2020).</li><li>Goeckner, M. J., Goree, J., Sheridan, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurements+of+ion+velocity+and+density+in+the+plasma+sheath.">Measurements of ion velocity and density in the plasma sheath.</a> Physics of Fluids B: Plasma Physics. 4, 1663 (1992).</li><li>Lee, D., Hershkowitz, N., Severn, G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurements+of+Ar++and+Xe++velocities+near+the+sheath+boundary+of+Ar-Xe+plasma+using+two+diode+lasers.">Measurements of Ar+ and Xe+ velocities near the sheath boundary of Ar-Xe plasma using two diode lasers.</a> Applied Physics Letters. 91, 041505 (2007).</li><li>Yan, S., Kamal, H., Amundson, J., Hershkowitz, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+emissive+probes+in+high+pressure+plasma.">Use of emissive probes in high pressure plasma.</a> Review of Scientific Instruments. 67 (12), 4130-4137 (1996).</li><li>Smith, J. R., Hershkowitz, N., Coakley, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inflection-point+method+of+interpreting+emissive+probe+characteristics.">Inflection-point method of interpreting emissive probe characteristics.</a> Review of Scientific Instruments. 50, 210-218 (1979).</li><li>Campanell, M. D., Umansky, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strongly+Emitting+Surfaces+Unable+to+Float+below+Plasma+Potential.">Strongly Emitting Surfaces Unable to Float below Plasma Potential.</a> Physical Review Letters. 116, 085003 (2016).</li><li>Kraus, B. F., Raitses, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Floating+potential+of+emitting+surfaces+in+plasmas+with+respect+to+the+space+potential.">Floating potential of emitting surfaces in plasmas with respect to the space potential.</a> Physics of Plasmas. 25, 030701 (2018).</li><li>Yip, C. -. S., Jin, C., Zhang, W., Xu, G. S., Hershkowitz, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+of+sheath+effects+on+I-V+traces+of+strongly+electron+emitting+probes.">Experimental investigation of sheath effects on I-V traces of strongly electron emitting probes.</a> Plasma Sources Science and Technology. 29, 025025 (2020).</li></ol>

Langmuir probları, elektron yoğunluğunun sadece birkaç parçacık 106 m-3 olduğu uzay plazmalarından, elektron yoğunluğunun birkaç kez 1020 m-3 gibi daha fazla olduğu füzyon plazmalarının kenar bölgesine kadar olağanüstü geniş bir plazma yoğunluğu ve sıcaklık aralığında parçacık akısı ölçümleri için kullanılır. Ayrıca, 0.1 ile birkaç yüz eV arasındaki elektron sıcaklıkları Langmuir probları ile teşhis edilmiştir. Langmuir probları g...

Langmuir'in 1920'lerde yeni bir madde hali olan plazmanın ortam benzeri davranışına ilişkin keşiflerine dayanan plazma fiziği araştırmalarının bu ilk yüzyılı boyunca, Langmuir sondasının plazma parametrelerinin en önemli tanısı olduğu kanıtlanmıştır. Bu, olağanüstü uygulanabilirlik aralığı nedeniyle kısmen doğrudur1. 2,3,4 uydularının karşılaştığı plazmada, yarı iletken işleme deneylerinde,5,6,7,8 tokamaklarda hapsedilmiş plazmanın kenarlarında,9,10,11 ve çok çeşitli temel plazma fiziği deneylerinde, Langmuir probları 10 8≤ne aralıklarını kapsayan plazma yoğunluklarını ve sıcaklıklarını ölçmek için kullanılmıştır≤1019 m-3 ve 10-3≤Te≤102eV , sırasıyla. Aynı zamanda, 1920'lerde, şimdi kendi adını taşıyan sondayı ve yayıcı sonda12'yi icat etti. Yayıcı prob şimdi öncelikle plazma potansiyelinin teşhisi olarak kullanılmaktadır. Langmuir probunun ölçebildiği plazma parametrelerinin genişliğini ölçemese de, plazma potansiyelinin veya bazen elektrostatik uzay potansiyelinin ölçümü söz konusu olduğunda geniş bir fayda sağlayan bir teşhistir. Örneğin, yayıcı sonda, Langmuir sondalarının herhangi bir şeyi ölçemediği bir vakumda bile uzay potansiyellerini doğru bir şekilde ölçebilir.
Langmuir probunun temel kurulumu, plazmaya bir elektrot yerleştirmek ve toplanan akımı ölçmekten ibarettir. Elde edilen akım-voltaj (I-V) özellikleri, elektron sıcaklığı Te, elektron yoğunluğu ne ve plazma potansiyeli φ13 gibi plazma parametrelerini yorumlamak için kullanılabilir. Bir Maxwellian plazması için, toplanan elektron akımı Ie (pozitif olarak alınır) ile prob yanlılığı VB arasındaki ilişki14 olarak ifade edilebilir:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ1v2.jpg">
burada Ie0 elektron doygunluk akımıdır,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ2v2.jpg">
ve burada S probun toplama alanıdır, yığın elektron yoğunluğudur, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ09.jpg"> e elektron yüküdür, Te elektron sıcaklığıdır, me elektron kütlesidir. Elektron akımı için IV karakteristiklerinin teorik ilişkisi Şekil 1A ve Şekil 1B'de iki şekilde gösterilmiştir. Not, Eşitlik (1a,b) yalnızca yığın elektronlar için geçerlidir. Bununla birlikte, Langmuir prob akımları yüklü parçacıkların akışlarını algılayabilir ve birincil elektronların, elektron ışınlarının veya iyon ışınlarının vb. varlığında ayarlamalar yapılmalıdır. Daha fazla ayrıntı için Hershkowitz14'e bakın.
Buradaki tartışma, Maxwellian elektron enerji dağıtım fonksiyonlarının (EEDF) ideal durumunu ele almaktadır. Tabii ki, ideal olmayanların ortaya çıktığı birçok durum var, ancak bunlar bu çalışmanın konusu değil. Örneğin, tipik olarak RF tarafından üretilen ve sürdürülen aşındırma ve biriktirme plazma sistemlerini işleyen malzemelerde, plazmada uçucu kimyasal radikaller üreten moleküler gaz besleme stokları ve negatif yüklü iyonlar dahil olmak üzere çoklu iyon türleri vardır. Plazma elektronegatif hale gelir, yani yarı nötr plazmadaki negatif yükün önemli bir kısmına negatif iyonlar şeklinde sahip olur. Moleküler nötrler ve iyonlar içeren plazmada, elektronlar ve moleküler türler arasındaki esnek olmayan çarpışmalar, akım-voltaj özelliklerinde düşüşler15 üretebilir ve elektronlara göre soğuk olan soğuk negatif iyonların varlığı, plazma potansiyelinin yakınında önemli bozulmalar16 üretebilir, bunların hepsi elbette Maxwellian olmayan özelliklerdir. Bu yazıda tartışılan çalışmadaki deneyleri, bu tür Maxwellian olmayan etkilerden arınmış tek bir iyon türü soy gaz (argon) DC deşarj plazmasında kovuşturduk. Bununla birlikte, bu deşarjlarda tipik olarak, oda duvarlarından ikincil elektron emisyonunun17 varlığından kaynaklanan bir bi-Maxwellian EEDF bulunur. Daha sıcak elektronların bu bileşeni tipik olarak soğuk elektron sıcaklığının birkaç katıdır ve yoğunluğun %1'inden azdır, tipik olarak toplu elektron yoğunluğu ve sıcaklığından kolayca ayırt edilir.
VB , φ'den daha negatif hale geldiğinden, elektronlar prob yüzeyinin negatif potansiyeli tarafından kısmen itilir ve ln(Ie) ile VB'nin eğimi e/Te'dir, yani. 1/TeV burada TeV , Şekil 1B'de gösterildiği gibi eV cinsinden elektron sıcaklığıdır. TeV belirlendikten sonra, plazma yoğunluğu şu şekilde türetilebilir:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ3v2.jpg">
İyon akımı, elektron akımından farklı şekilde türetilir. İyonların, elektronunkine kıyasla nispeten büyük kütleleri olan Mi >> me nedeniyle "soğuk" olduğu varsayılır, bu nedenle, zayıf iyonize bir plazmada iyonlar, duvar sıcaklığında olan nötr gaz atomları ile oldukça iyi termal dengededir. VB ≥ φ ise iyonlar prob kılıfı tarafından itilir ve VB < φ ise toplanır. Toplanan iyon akımı, negatif önyargılı problar için yaklaşık olarak sabitken, proba giden elektron akısı, plazma potansiyelinden daha negatif prob bias voltajları için azalır. Elektron doygunluk akımı, iyon doygunluk akımından çok daha büyük olduğundan, prob tarafından toplanan toplam akım azalır. Prob yanlılığı giderek daha negatif hale geldikçe, yukarıda Eşitlik (1a)'da açıklandığı gibi, elektron sıcaklığı soğuk veya sıcak olduğu için toplanan akımdaki düşüş büyük veya küçüktür. Bu yaklaşımda iyon akımı denklemi şöyledir:
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ4v2.jpg">
nerede
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ5v2.jpg">
ve
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ6v2.jpg">
Prob tarafından toplanan sabit iyon akısının, probun ön kılıfı boyunca ivme nedeniyle rastgele termal iyon akısını aştığını ve böylece iyonların, iyon termal hızı19 yerine Bohm hızı18, uB'de probun kılıf kenarına ulaştığını not ediyoruz. Ve iyonlar, ön kılıf yarı nötr olduğu için elektronlara eşit bir yoğunluğa sahiptir. Denklem.5 ve 2'deki iyon ve elektron doygunluk akımını karşılaştırarak, prob akımına iyon katkısının elektronlarınkinden bir <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ10.jpg">kat daha küçük olduğunu gözlemliyoruz. Argon plazma durumunda bu faktör yaklaşık 108'dir.
Elektron akımının üstel bir noktadan "diz" olarak bilinen bir sabite gittiği keskin bir geçiş noktası vardır. Dizdeki prob yanlılığı, plazma potansiyeli olarak tahmin edilebilir. Gerçek deneyde, bu diz asla keskin değildir, ancak probun boşluk yükü etkisi, yani probu çevreleyen kılıfın genişlemesi ve ayrıca prob kontaminasyonu ve plazma gürültüsü nedeniyle yuvarlaktır13.
Langmuir prob tekniği toplama akımına dayanırken, yayıcı prob tekniği akımın emisyonuna dayanır. Yayıcı problar ne sıcaklığı ne de yoğunluğu ölçer. Bunun yerine, hassas plazma potansiyeli ölçümleri sağlarlar ve plazma akışlarına duyarsız olmaları nedeniyle çeşitli durumlarda çalışabilirler. Yayıcı probların teorileri ve kullanımı, Sheehan ve Hershkowitz20 tarafından yapılan topikal incelemede ve buradaki referanslarda tam olarak tartışılmıştır.
Plazma yoğunluğu 1011 ≤ ne ≤10 18 m-3 için, sıfır emisyon sınırındaki bükülme noktası tekniği önerilir, bu da her biri farklı filament ısıtma akımlarına sahip bir dizi IV izi almak, her bir IV izi için bükülme noktası önyargı voltajını bulmak ve plazma potansiyelini elde etmek için bükülme noktalarını sıfır emisyon sınırına tahmin etmek anlamına gelir, Şekil 2'de gösterildiği gibi.
Langmuir ve yayıcı prob tekniklerinin yarı nötr plazmada hemfikir olduğu, ancak plazmanın uzay yükünün göründüğü sınırla temas halinde olan bölgesi olan kılıfta aynı fikirde olmadığı yaygın bir varsayımdır. Çalışma, bu yaygın varsayımı test etmek için düşük sıcaklıkta, düşük basınçlı plazmada, plazma sınırlarına yakın plazma potansiyeline odaklanmaktadır. Hem Langmuir probu hem de yayıcı prob ile potansiyel ölçümleri karşılaştırmak için, Şekil 3'te gösterildiği gibi Langmuir probu I-V'ye bükülme noktası tekniği uygulanarak plazma potansiyeli de belirlenir. Genel olarak kabul edilir1 Plazma potansiyeli, toplanan akımın ikinci türevinin öngerilim gerilimine göre farklılaştığı prob öngerilim gerilimini, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ11.jpg">yani dI/dV eğrisinin tepe noktasını, prob öngerilim gerilimine göre farklılaştırarak bulunur. Şekil 3, akım-voltaj karakteristiğinin bükülme noktası olan dI/dV'deki bu maksimumun nasıl bulunduğunu göstermektedir.
Langmuir probları (toplama) ve yayıcı problar (yayma), Şekil 4'te gösterildiği gibi, prob ucunun geometrisine de bağlı olan farklı IV özelliklerine sahiptir. Prob imalatından önce probun uzay yükü etkisi dikkate alınmalıdır. Deneylerde, düzlemsel Langmuir probları için 1/4" düzlemsel Tantal disk kullandık. Daha büyük bir diskle daha fazla akım toplayabilir ve daha büyük sinyaller alabiliriz. Bununla birlikte, yukarıdaki analizlerin uygulanabilmesi için, probun alanı, Ap, odanın elektron kaybı alanından daha küçük tutulmalıdır, Aw,eşitsizliği <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ12.jpg">21 sağlar. Silindirik Langmuir probu için, silindirik Langmuir probu için 0.025 mm kalınlığında, 1 cm uzunluğunda bir Tungsten teli ve yayıcı prob için Tungsten teli için aynı kalınlıkta kullandık. Silindirik Langmuir probları için, bu deneylerin plazma parametreleri için, prob ucunun yarıçapının, rp'nin, uzunluğundan, Lp'den çok daha küçük ve Debye uzunluğundan, λD'den daha küçük olduğuna dikkat etmek önemlidir; yani, <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ13.jpg">, ve <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ14.jpg">. Bu parametre aralığında, Orbital Hareket Sınırlı teorisini ve Laframboise'ın termal elektronlar ve iyonlar için22 geliştirmesini uygulayarak, plazma potansiyeline eşit veya daha büyük prob öngerilim gerilimleri için, toplanan elektron akımının, üssün <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ16.jpg"> bulunduğu formun <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/61804/61804equ15.jpg">bir fonksiyonu ile parametrelendirilebileceğini bulduk.. Buradaki önemli nokta, bu üssün birlikten küçük değerleri için, yukarıdaki paragrafta açıklandığı gibi plazma potansiyelini belirlemek için bükülme noktası yönteminin silindirik Langmuir probları için de geçerli olmasıdır.

<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

Langmuir probları, 1920'lerin başında Langmuir tarafından icat edilmesinden bu yana, deneysel plazma fiziği araştırmalarında parçacık akışları (yani elektron ve iyon akışları) ve bunların yerel uzamsal konsantrasyonları, elektron sıcaklıkları ve elektrostatik plazma potansiyeli ölçümleri için birincil tanı olarak uzun süredir kullanılmaktadır. Plazma potansiyellerini ölçmek için yayıcı problar kullanılır. Bu çalışmada sergilenen protokoller, bu probların, bir plazma deşarjının sınırlandırılabileceği ve sürdürülebileceği bir vakum odasında kullanılmak üzere nasıl inşa edilebileceğini göstermeye hizmet eder. Bu, esasen bir elektrik beslemesi olan, döndürülebilir ve çevrilebilir olanı oluşturmak için vakum tekniklerini içerir. Elbette, eksiksiz Langmuir prob sistemleri satın alınabilir, ancak bunlar kullanıcı tarafından önemli ölçüde maliyet tasarrufu sağlayacak şekilde üretilebilir ve aynı zamanda belirli bir deneydeki kullanımlarına daha doğrudan uyarlanabilir. İki tanı tekniğini karşılaştırmak ve göreceli avantajlarını ve zayıflıklarını değerlendirmek için plazmanın gövdesinden bir plazma sınırının kılıf bölgesine kadar elektrostatik plazma potansiyelinin haritalanmasında Langmuir problarının ve yayıcı probların kullanımını açıklıyoruz, bu deneylerde plazmanın içine daldırılmış negatif önyargılı bir elektrot tarafından oluşturulur. Langmuir probları, plazma yoğunluğunu ve elektron sıcaklığını en doğru şekilde ölçme avantajına sahip olsa da, yayıcı problar, kılıf bölgesine kadar ve dahil olmak üzere plazma boyunca elektrostatik plazma potansiyellerini daha doğru bir şekilde ölçebilir.

Akışlara ve topladıkları parçacıkların kinetik enerjisine duyarlı olduğu bilinen Langmuir problarının, şimdiye kadar, kılıflar dışında, plazma potansiyelinin geçerli bir ölçümünü sağladığı düşünülüyordu. Ancak Langmuir probları ve yayıcı problar tarafından ölçülen plazma potansiyellerinin doğrudan karşılaştırılması, plazma tarafındaki kılıfla hemen temas halinde olan plazmanın yarı nötr ön kılıf bölgesinde, Langmuir problarının plazma potansiyelinin doğru ölçü...

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

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

Bu çalışmanın temel amacı, Langmuir problarına ve yayıcı problara aşina olmayan araştırma gruplarının, özellikle plazma sınırlarının yakınında, bunları plazma teşhisi olarak kullanmalarını kolaylaştırmaktır. Bunu, probların hazır malzeme ve malzemelerden nasıl oluşturulacağını göstererek yapıyoruz.

Düşük Basınçlı, Düşük Sıcaklıklı Plazmalarda Plazma Potansiyeli Ölçümleri için Langmuir Probları ve Yayıcı Problar Oluşturma

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

Kendilerini inşa etmek isteyen araştırmacılar için hazır laboratuvar materyallerini kullanarak Langmuir problarının ve yayıcı probların nasıl yapılacağına dair adım adım bir protokol sunuyoruz. Laboratuvarda hazır malzeme kullanmak, plazma teşhisi için elektrostatik probların oluşturulmasını ve bakımını daha ucuz ve kolay hale getirir ve sistemi farklı laboratuvar ortamlarına daha uyarlanabilir hale getirir. Bina protokolümüzde kullanılan vakum arayüzü, diğer düşük basınçlı cihazlar için geçiş yöntemleri olarak da kullanılabilir.Bu protokolü gerçekleştirirken vakum teknikleri elektrik süreklilik kontrolü, seramik macununun kürlenmesi ve probun kırılganlığının yönetilmesi ilk başta zor görünebilir. Langmuire sondalarını inşa ederek başlayın. Prob mili olarak çeyrek inç çapında paslanmaz çelik bir boru alın.Tüpü, prob eksenel olarak hazne uzunluğunun yarısından fazlasını kaplayabilecek şekilde kesin. Milin bükülmemiş tarafını, bir B-4-8 Union boru bağlantı parçasıyla birlikte bir SS-810-UT-A-6 adaptörüyle pirinç bir borudan geçirin. Prob mili için eksenel destek sağlamak için bir B-810-1 VEYA Swagelok arayüzü aracılığıyla özelleştirilmiş flanşlardan uzanan yarım inçlik bir pirinç boru kullanın.Prob milinin bükülmemiş ucunu bir B-400-1 VEYA Swagelok bağlantı parçası aracılığıyla BNC muhafazasına bağlayın. Altın kaplı nikel teli iki tek delikli alümina tüpten geçirin ve daha kalın boruyu prob milinin içine yerleştirin. Altın kaplı nikel telin bir ucunu, prob milinin ucundaki BNC beslemesinin kalemine yapıştırılan bir soyulmuş tel parçasına nokta kaynağı yapın.Ardından, altın kaplı teli, prob mili ile kısa devreyi önlemek için soyulmuş telli bağlantı alümina tüpün içine oturacak şekilde kesin. Çeyrek inçlik bir planya Langmuir prob ucu yapmak için bir tantal tabakayı delin ve altın kaplı nikel telin diğer ucuna ucun kenarına nokta kaynağı yapın, prob ucunu sınır plakasının eksenine normal olarak ayarlayın. Kılıfın içinde ölçüm yaparken probun gövdesi sınır plakasına temas etmeyecek şekilde prob ucunu hafifçe öne doğru konumlandırın.Prob devresi bileşenlerini plazmadan yalıtmak için tüm derzleri seramik macunu ile kapatın ve seramik derzleri beş ila 10 dakika pişirmek için bir ısı adamı kullanın. Prob ucu ile BNC konektörü arasındaki direnci ölçmek için bir multimetre kullanın. Süreklilik gösterilirse, prob vakum odasına konmaya hazırdır.Silindirik bir kabul edici prob oluşturmak için, tek delikli bir boru yerine sekizinci inç iki delikli bir alüminyum boru kullanmak dışında daha önce açıklanan prosedürü izleyin. 0.025 milimetre çapındaki tungsten telini yaklaşık bir santimetreye kesin ve tungsten filamanı altın kaplı tellere nokta kaynağı yapın. Alt derzleri seramik macunla kapatın ve macunun tungsten filamana girmediğinden emin olun.İki BNC ucu arasındaki sürekliliği kontrol edin. Hazneye gaz koymadan önce taban basıncını kontrol etmek için iyon göstergesini açın. Aksi takdirde, sistemde sızıntı olup olmadığını kontrol edin.Sayı artı veya eksi 0,01 militorr içinde yüzene kadar baratron ekranını kalibre etmek için kalemi kullanın. İğne valfin kapalı konumda olduğundan emin olun. Ardından kapatma vanasını açın ve baratron okumasında basınç değişikliği olmadığını kontrol edin.Gerekli basınca ulaşılana kadar gazı hazneye boşaltmak için iğneli valfin düğmesini yavaşça çevirin. Voltaj güç kaynağını açın ve Argonne'un maksimum iyonizasyon kesiti için yeterli elektron enerjisi sağlamak için voltajı eksi 60 volta ayarlayın. Ardından, filamentler için ısıtma güç kaynağını açın ve deşarj akımı gerekli değeri okuyana kadar seviyeyi yavaşça ayarlayın.Voltaj beslemesini sınır plakasına bağlayın ve önyargıyı istenen seviyeye ayarlayın. Ardından ölçüme devam edin. Probu veri toplama ve kontrol devresine takın ve prob tarafından çekilen akımı aynı anda ölçerken proba uygulanan voltajı taramaya devam edin.Mevcut voltaj izini kaydedin. Kabul edici problar, veri toplama ve kontrol devresi ile veri toplamayı tekrarlayın. Langmuir probları dört farklı konfigürasyonda inşa edildi ve J birden dörde kadar bir tamsayı olacak şekilde LPJ olarak etiketlendi.Prob tasarımları, silindirik Langmuir probu LP bir, çift taraflı Langmuir probu, LP iki, planya Langmuir probu, LP üç, tarafı sınır plakasına bakacak şekilde seramik macunla kapatılmış ve düzlemsel Langmuir probu, LP dört, tarafı seramik macunu ile kaplanmış sınır plakasından uzağa bakacak şekilde. Langmuir sondası ile bir missive sondası arasındaki karşılaştırma potansiyel ölçümleri burada gösterilmektedir. Dört Langmuir prob tipinin tümü, plazma sınırlarına yakın, özellikle ön kılıf bölgesindeki plazma potansiyellerini ne kadar iyi ölçtüklerini belirlemek için bir missive prob ölçümleriyle karşılaştırıldı.Langmuir problarının plazma potansiyellerini ölçmek için kullanılma şeklinin doğru sonuçlar verip vermediğini belirlemek için farklı prob tasarımları test edildi. Tüm Langmuir prob ölçümleri, plazma potansiyelinin kabul edici prob ölçümleri ile karşılaştırıldı. Ön kılıfta, ölçülen tüm Langmuir probu plazma potansiyelleri, kabul edici problar tarafından ölçülenlerden farklıdır.Fark, kılıf kenarına yakınlık ile genişler ve birçok elektron sıcaklığının değerine kadar büyür. Plazmanın büyük bir kısmında LP two tarafından yapılan ölçümlerden elde edilen sıcaklık, yoğunluk, satın alma uzunlukları ve alt Langmuir kılıf uzunlukları gibi plazma parametreleri burada gösterilmektedir. Bu parametreler, düzlemsel Langmuir probları için nominal kılıf kalınlığının iyi tahminlerinin oluşturulmasına yardımcı olur.Bu protokolü başarılı bir şekilde gerçekleştirmek için, seramik macunu kuruturken tüm hava kabarcıklarını pişirin. Probu vakum odasına koymadan önce, prob bandı ile BNC kafası arasındaki süreklilik kontrolünü ve ayrıca prob bandı ile prob mili arasındaki kurulum kontrolünü yapmayı unutmayın. Elektrostatik problar, plazma kararsızlıklarının varlığını ölçmek için plazma dalgalarını tespit etmek ve başlatmak ve plazmada bulunan çift katmanlar ve katı tonlar gibi tutarlı yapıyı haritalamak için kullanılır.

Research

JoVE Journal

Engineering

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

Ultra-düşük sıcaklıklarda Açı çözüldü Photoemission Spektroskopi

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

Mühendislik

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Aşırı basınç ve Sıcaklıklarda sentezi ve mikrodifraksiyon

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

Yazma ve Oksit Nanoyapıların Düşük Sıcaklık Karakterizasyonu

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

Nasıl herhangi bir ilave Ateşleyici olmadan bir Atmosferik Basınç Mikrodalga Plazma Torch tutuşturmak için

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

Yarıiletken Teknolojisi ile uyumlu Düşük Sıcaklık Karbon Nanotüp Dikey Bağlantıları Fabrikasyon

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

Yeni Malzemelerin Düşük sıcaklık Magnetotransport Ölçüm İleri Deneysel Yöntemler

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

Yüksek Sıcaklık Plazma Tanı olarak Kullanım için X-ışını Görüntüleme Kristal Spektroskopisi Uygulanması

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

Zeolit ​​Yüksek Sıcaklık Yüksek Basınçlı Gaz Adsorpsiyon için Langatate kristal mikro dayanarak Adsorpsiyon Cihazı H-ZSM-5

We present a high-temperature and high-pressure gas adsorption measurement device based on a high-frequency oscillating microbalance (5 MHz langatate ...

An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation

Bir Atmosfer Basıncı Plazma Kurulum Reaktif Türler Oluşumu Araştırma

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

Tek yönlü Kumaşlar Testleri esneklik: Kılcal Parametrelerinin Ölçümleri Sıvı Kompozit Kalıp Süreçlerinde Kılcal Basınç değerlendirin

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