CZ304493B6 - Method of measuring ionic distribution function in a low-temperature plasma, measuring system for making the method and a probe for such measuring system - Google Patents
Method of measuring ionic distribution function in a low-temperature plasma, measuring system for making the method and a probe for such measuring system Download PDFInfo
- Publication number
- CZ304493B6 CZ304493B6 CZ2011-890A CZ2011890A CZ304493B6 CZ 304493 B6 CZ304493 B6 CZ 304493B6 CZ 2011890 A CZ2011890 A CZ 2011890A CZ 304493 B6 CZ304493 B6 CZ 304493B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- probe
- plasma
- measuring
- electrode
- voltage source
- Prior art date
Links
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Způsob měření iontové distribuční funkce v nízkoteplotním plazmatu, měřicí systém pro provádění tohoto způsobu a sonda pro měřicí systémMethod of measuring ion distribution function in low temperature plasma, measuring system for performing this method and probe for measuring system
Oblast technikyTechnical field
Vynález spadá do oblasti výzkumu plazmatu a plazmových technologií a týká se způsobu provádění diagnostiky plazmatu, konkrétně způsobu měření iontové distribuční funkce v nízkoteplotním plazmatu, měřicího systému k provádění tohoto způsobu a konstrukce sondy pro měřicí systém.The present invention is in the field of plasma research and plasma technology and relates to a method for performing plasma diagnostics, in particular to a method for measuring the ion distribution function in low temperature plasma, a measuring system for performing this method, and a probe design for a measuring system.
Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
Pro určení iontové distribuční funkce se v současnosti používají hmotnostní a energetické spektrometry (analyzátory), prezentované například na [http://www.hiden.co.uk/index.php/en/product-catalog/51-plasma-characterisation/82-eqpmass-and-energy-analyser-for-plasma-diagnostics, 9.11. 2011], nebo speciální měřicí systémy ktomu určené, jejichž možné řešení je patrné například z [http://www.impedans.com/semion.html, 9.11.2011]. Ve spektrometrech je využíváno dle použitého principu působení Lorentzovy síly na pohybující se nabité částice, a to elektrické složky nebo současně magnetické a elektrické složky. Speciální měřicí systémy využívají pro separaci elektronů vhodně rozloženého elektrického pole, které je tvarováno a polarizováno pomocí kombinace několika speciálních mřížek. Princip využití magnetického pole k separaci elektronů při sondové diagnostice vysokoteplotního plazmatu popsal a aplikoval Katsumata [KATSUMATA, I., OKAZAKI, M. Ion Sensitive Probe - A New Diagnostic Method for Plasma in Magnetic Fields. Jappanese joumal of applied physics, Vol. 6, (1967), pp. 123], Silné magnetické pole se z principu nacházelo ve zkoumaném výboji a působilo tak, že zabraňovalo dopadu elektronů na sběrnou elektrodu ve formě sondy, na jejíž osu byla orientována radiálně. Podobná konfigurace sondy včetně tvaru sondy se používá v silných magnetických polích dle [OHTSU, Y., WAKITA, N. A. simple hollow probe for monitoring ion-beam energy in processing plasmas. IOP Meas. Sci. Technol. 21, (2010), pp. 125405] k měření v iontových svazcích a taktéž k měření potenciálu horkého plazmatu [BÓHM, G., KAMPMANN, B., SCHLÚTER, H. Measurements with an Ion-sensitive Probe in Stationary RF-Discharges of Stellarator Configuration. Physics Letters, 5,6, Vol. 70A, (1979), pp. 413— 415., ADÁMEK, J., STOCKEL, J., HRON, N., RYSZAWY, J. A novel approach to direct measurement of the plasma potential. Czechoslovak Journal of Physics, Supp. C, Vol. 54 (2004), pp. 95-99] v termojaderných reaktorech. Přehled používaných sond pro měření iontové distribuční funkce a teorie se nachází v [KATSUMATA, I. A. Review of Ion Sensitive Probes. Contrib. Plasma Phys. 36 (1996), pp. 73-80] a přehled sond pro diagnostiku plazmatu je dostupný v [DEMIDOV, V. I., Ratynskaia, S. V., RYPDAL, K. Electric probes for plasmas: The link between theory and instrument. Rev. Sci. Instrum. 10, Vol. 73, (2002) pp. 3409 - 3439].Mass and energy spectrometers (analyzers) are currently used to determine the ion distribution function, presented for example at [http://www.hiden.co.uk/index.php/en/product-catalog/51-plasma-characterization/82 -eqpmass-and-energy-analyzer-for-plasma-diagnostics, 9.11. 2011], or special measuring systems designed for this, whose possible solution is evident from [http://www.impedans.com/semion.html, 9.11.2011]. The spectrometers use the Lorentz force acting on the moving charged particles according to the applied principle, namely electric components or simultaneously magnetic and electric components. Special measurement systems utilize a suitably distributed electric field for electron separation, which is shaped and polarized using a combination of several special gratings. The principle of using magnetic field for electron separation in probe diagnostics of high temperature plasma has been described and applied by Katsumata [KATSUMATA, I., OKAZAKI, M. Ion Sensitive Probe - A New Diagnostic Method for Plasma in Magnetic Fields. Jappanese Joumal of Applied Physics, Vol. 6, (1967), s. 123], The strong magnetic field was in principle present in the discharge and was designed to prevent the electrons from reaching the collecting electrode in the form of a probe, the axis of which was directed radially. A similar probe configuration, including probe shape, is used in strong magnetic fields according to [OHTSU, Y., WAKITA, N.A. Simple hollow probe for ion-beam energy monitoring in processing plasmas. IOP Meas. Sci. Technol. 21, (2010), s. 125405] for measurement in ion beams, as well as for measurement of hot plasma potential [BOHM, G., KAMPMANN, B., SCHLUTTER, H. Physics Letters, 5.6, Vol. 70A, (1979), s. 413– 415., ADAMEK, J., STOCKEL, J., HRON, N., RYSZAWY, J. A novel approach to direct measurement of plasma potential. Czechoslovak Journal of Physics, Supp. C, Vol. 54 (2004), s. 95-99] in thermonuclear reactors. An overview of the probes used to measure the ion distribution function and theory is found in [KATSUMATA, I. A. Review of Ion Sensitive Probes. Contrib. Plasma Phys. 36 (1996), s. 73-80] and an overview of the plasma diagnostic probes is available in [DEMIDOV, V.I., Ratynskaia, S.V., RYPDAL, K. Electric Probes for Plasmas: The Link Between Theory and Instrument. Roar. Sci. Instrum. 10, Vol. 73, 2002 3409-3439].
Pro monitorování parametrů plazmatu je velmi často používána diagnostika Langmuirovou sondou, popsaná poprvé v \LANGMUIR I., MOTT-SMITH Η M., Gen., Elec. Rev. 26 (1923) p.p. 731]. Možnosti této metody jsou dále popsány v [BOULOS M., FAUCHAIS P., EFENDER E., Diagnostic techniques in thermal plazma processing, in DOE report, no. DOE/ER-0270, 1 -2 (1986)] a Základní princip měření je uveden v publikacích [HIPPLERR., PFAU S., SCHMIDT M., SCHOENBACH K. Low Temperature plazma Physics - Fundamental Aspects and Applications. Berlin: Wiley - VCH Verlag, 2001.] nebo [ADÁMEK P., KALČÍK J-, ŠÍCHA M., TICHÝM., BIEDERMAN H, SOUKUP, L., JASTRABÍK, L. Contribution to the Application of the Probe technique for plazma Monitoring in the Ar and n-Hexane Mixture plazma during the Polymerisation Process, Czechoslovak Journal of Physics, vol. 49 (1999) 12, p.p. 1685 - 1701.] a vychází ze současných měřicích aparatur pro sondovou diagnostiku, řízených zpravidla osobním počítačem nebo jednočipovým mikropočítačem.Langmuir probe diagnostics, described for the first time in \ LANGMUIR I., MOTT-SMITH-M., Gen., Elec, are very often used to monitor plasma parameters. Roar. 26 (1923) p.p. 731]. The possibilities of this method are further described in [BOULOS M., FAUCHAIS P., EFENDER E., Diagnostic techniques in thermal plasma processing, in DOE report, no. DOE / ER-0270, 1-2 (1986)] and The Basic Principle of Measurement is reported in [HIPPLERR., PFAU S., SCHMIDT M., SCHOENBACH K. Low Temperature Plasma Physics - Fundamental Aspects and Applications. Berlin: Wiley - VCH Verlag, 2001.] or [ADÁMEK P., KALČÍK J-, ŠÍCHA M., TICHÝM., BIEDERMAN H, SOUKUP, L., JASTRABÍK, L. Contribution to the Probe Technique for Plasma Monitoring in the Ar and n-Hexane Mixture plasma during the Polymerization Process, Czechoslovak Journal of Physics, vol. 49 (1999) 12, pp. 1685 - 1701.] and is based on current measuring apparatuses for probe diagnostics, usually controlled by a personal computer or a single-chip microcomputer.
- 1 CZ 304493 B6- 1 GB 304493 B6
Běžné aparatury pro sondovou diagnostiku plazmatu jsou komerční a jsou známé například z [Hiden Analytical http://www.hiden.co.uk/index.php/en/product--catalog/51-plasma-characterisation/80-hiden-espion-advanced-langmuir-probe-for-plasma-diagnosties, 9.11.2011] nebo [Impedans http://wyvw.impedans.com/langmuir~~prohe.html, 9.1 2011], Dále je známa konstrukce měřicího systému pro sondovou diagnostiku plazmatu popsaná ve spise CZ 20273 Ul, který je aplikován na plazmochemickém reaktoru, je vybaven řídicím počítačem a je určen pro monitorování parametrů plazmatu během depozičních nebo jiných procesů.Conventional apparatuses for probe plasma diagnostics are commercial and are known, for example, from [Hiden Analytical http://www.hiden.co.uk/index.php/en/product--catalog/51-plasma-characterization/80-hiden-espion -advanced-langmuir-probe-for-plasma-diagnostics, Nov 9, 2011] or [Impedans http://wyvw.impedans.com/langmuir, Jan. 9, 2011], Also known is the construction of a measurement system for probe diagnostics The plasma described in CZ 20273 U1, which is applied to a plasmachemical reactor, is equipped with a control computer and is intended for monitoring plasma parameters during deposition or other processes.
Úkolem předkládaného vynálezu je vytvořit takový měřicí systém, který by po poměrně jednoduché konstrukční úpravě stávajících známých řešení umožňoval měření iontové distribuční funkce v nízkoteplotním plazmatu bez nutnosti velkých investičních nákladů do speciálního přístrojového vybavení.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a measuring system which, after a relatively simple constructional modification of existing known solutions, would enable the measurement of the ion distribution function in low temperature plasma without the need for large investment costs in special instrumentation.
Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION
Stanoveného cíle je do značné míry dosaženo vynálezem, kterým je způsob měření iontové distribuční funkce v nízkoteplotním plazmatu diagnostikovaného plazmatického objektu v měřicím systému aplikovaném na plazmochemickém reaktoru, který je vybaven napájecím zdrojem napojeným na výbojovou elektrodu a referenční elektrodu, je v něm zabudována sonda opatřená sběrnou elektrodou a který je propojen na řídicí a měřicí jednotku, kde podstata vynálezu spočívá v tom, že po primárním nastavení parametrů měřicího systému pomocí proudových hodnot zdroje referenčního napětí je na sběrné elektrodě snímána volt-ampérová charakteristika iontové složky proudu vzniklého napájením výbojů a procházejícího obvodem: plazmatický objekt - sběrná elektroda - proudový převodník - zdroj referenčního napětí - referenční elektroda, z níž je vyhodnocením v řídicí a měřicí jednotce stanovena iontová distribuční funkce plazmatického zdroje.The object is largely achieved by the invention, which is a method of measuring the ionic distribution function in the low temperature plasma of a diagnosed plasma object in a measurement system applied to a plasma-chemical reactor equipped with a power supply connected to the discharge electrode and reference electrode. The electrode is connected to a control and measuring unit. The principle of the invention consists in that after the primary setting of the measuring system parameters by means of current values of the reference voltage source, the volt-ampere characteristic of the ionic current component plasma object - collecting electrode - current converter - reference voltage source - reference electrode, from which the ion distribution fu is determined by evaluation in the control and measuring unit plasma source function.
Dále je podstatou vynálezu měřicí systém pro měření iontové distribuční funkce v nízkoteplotním plazmatu při výbojích plazmatického objektu, který je situován v plazmochemickém reaktoru, vybaveném napájecím zdrojem napojeným na výbojovou elektrodu a referenční elektrodu, je v něm zabudována sonda opatřená sběrnou elektrodou, propojenou přes v sérii zapojené analogově digitální převodník a proudový převodník na řídicí a měřicí jednotku, která je přes zdroj referenčního napětí napojena na referenční elektrodu napájecího zdroje, kde k řídicí a měřicí jednotce jsou paralelně připojeny zdroj napětí stínícího potenciálu a zdroj separačního napětí, přičemž jednak výstupy zdroje referenčního napětí jsou propojeny se vstupy zdroje napětí stínícího potenciálu, zdroje separačního napětí a proudového převodníku, jednak ke zdroji napětí stínícího potenciálu je napojen přepínač stínění s možností propojení na vodivý plazmochemický reaktor nebo na stínící plášť sondy a jednak ke zdroji separačního napětí je napojen přepínač proudu separovaných elektronů s možností propojení na těleso sondy.The present invention further provides a metering system for measuring the ionic distribution function in a low temperature plasma during a discharge of a plasma object, which is situated in a plasma-chemical reactor equipped with a power supply connected to the discharge electrode and a reference electrode. connected analog to digital converter and current converter to the control and measuring unit, which is connected via the reference voltage source to the reference electrode of the power supply, where the shielding potential voltage source and the separation voltage source are connected in parallel to the control and measuring unit. are connected to the inputs of the voltage supply of the shielding potential, the source of the separation voltage and the current converter; on the other hand, the shield switch with By means of connection to a conductive plasmachemical reactor or to the shielding of the probe and on the other hand to the source of the separation voltage is connected a switch of separated electrons current with the possibility of connection to the probe body.
Také je podstatou vynálezu sonda pro měřicí systém pro měření iontové distribuční funkce v nízkoteplotním plazmatu tvořená tělesem opatřeným v podélné ose průchozí dutinou, kde ve střední části dutiny je vytvořena sběrná komůrka, od níž směrem k vnitřnímu čelu tělesa je kolmo k podélné ose dutiny uložena alespoň jedna dvojice magnetů, které vytvářejí v dutině separační magnetickou komůrku a jejichž vnější póly jsou zajištěny proti působení magnetického pole vně tělesa, přičemž jednak protilehle k separační magnetické komůrce je v dutině suvně stavitelně uložena sběrná elektroda opatřená na povrchu izolantem a jednak povrch sondy je s výjimkou vstupního otvoru dutiny na vnitřním čele tělesa opatřen stínícím pláštěm, který je od tělesa galvanicky oddělen a odizolován.The invention also relates to a probe for a measuring system for measuring the ionic distribution function in a low temperature plasma formed by a body provided with a through cavity in the longitudinal axis, wherein a collecting chamber is formed in the central part of the cavity. one pair of magnets forming a separation magnetic chamber in the cavity and the outer poles of which are secured against the magnetic field outside the body, while the collecting electrode provided with an insulator on the surface and the probe surface is adjustable the inlet opening of the cavity on the inner face of the body is provided with a shielding jacket, which is galvanically separated from the body and isolated.
Ve výhodném provedení je těleso sondy vyrobeno z elektricky vodivého diamagnetického materiálu, těleso sondy i dutina jsou válcového tvaru a sběrná komůrka je tvořena obvodovým zápichem.In a preferred embodiment, the probe body is made of an electrically conductive diamagnetic material, the probe body and the cavity are cylindrical, and the collecting chamber is formed by a circumferential recess.
-2CZ 304493 B6-2GB 304493 B6
Je rovněž výhodné, když v tělese jsou směrem od sběrné komůrky kjeho vnitřnímu čelu uloženy kolmo k podélné ose dutiny tři dvojice magnetů vzájemně pootočených o 120°.It is also preferred that three pairs of magnets rotated by 120 ° relative to each other are arranged perpendicularly to the longitudinal axis of the cavity from the collecting chamber to its inner face.
Konečně je výhodné, když vnější póly magnetů jsou na povrchu tělesa překryty prstencem vyrobeným z feromagnetického materiálu a když stínící plášť je od tělesa galvanicky oddělen a odizolován izolačním prstencem.Finally, it is preferable that the outer poles of the magnets are covered on the body surface by a ring made of ferromagnetic material and that the shielding sheath is galvanically separated from the body and insulated by an insulating ring.
Novým vynálezem se dosahuje oproti stávajícímu stavu techniky vyššího účinku v tom, že celkový měřicí systém i vlastní sonda jsou odolnější proti kontaminaci probíhajícím technologickým procesem, přičemž sonda má jednoduchou konstrukci, díky níž může být snáze čištěna, když její správná funkce je obnovitelná čištěním a není nezbytná úplná výměna po každém měření. Sonda taktéž nevyžaduje speciální technologie výroby, například elektrostatických mřížek, je minimálně ovlivňována sekundární emisí elektronů způsobenou dopadajícími nabitými částicemi, minimálně ovlivňuje okolní plazma jak elektrickým, tak magnetickým polem, umožňuje jednoduše změnu geometrického uspořádání a tím i rozložení elektrony separuj ících polí. Největším přínosem vynálezu pak je, že uvedená sonda umožňuje měřit ve všech druzích napájení výboje, tedy stejnosměrných, stejnosměrných impulzních, střídavých, střídavých impulzních, vysokofrekvenčních, vysokofrekvenčních impulzních, modulovaných, mikrovlnných, mikrovlnných impulzních, modulovaných nebo vzájemně kombinovaných, tj. stejnosměrných plus vysokofrekvenčních a ještě impulzních, typech napájení výboje. Ve všech impulzních nebo modulovaných typech napájení výboje pak umožňuje provádět jak kontinuální, tak také časově rozlišená měření.The new invention achieves a greater effect over the prior art in that both the overall measurement system and the actual probe are more resistant to contamination by the process, the probe having a simple design that makes it easier to clean when its proper function is renewable by cleaning and is not complete replacement necessary after each measurement. Also, the probe does not require special manufacturing technologies, such as electrostatic gratings, is minimally influenced by secondary electron emission caused by incident charged particles, minimally affects the surrounding plasma by both electric and magnetic fields, allows simple change of geometric arrangement and thus distribution of electron separating fields. The greatest benefit of the invention is that said probe makes it possible to measure in all kinds of discharge power supply, i.e. DC, DC pulse, AC, AC pulse, high frequency, high frequency pulse, modulated, microwave, microwave pulse, modulated or combined, i.e., DC plus RF. and pulse type of discharge power supply. In all impulse or modulated types of power supply, the discharge then enables to make both continuous and time-resolved measurements.
Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Konkrétní příklad provedení vynálezu je zjednodušeně znázorněn na připojených výkresech, kde obr. 1 je celkové základní zjednodušené schéma měřicího systému, obr. 2 je podélný řez sondou separuj ící elektrony a obr. 3 je schéma zjednodušeného principu separace elektronů v sondě.A specific exemplary embodiment of the invention is shown in simplified form in the accompanying drawings, wherein Fig. 1 is an overall basic simplified diagram of a measurement system, Fig. 2 is a longitudinal section of an electron-separating probe, and Fig. 3 is a simplified electron separation principle.
Výkresy, které doplňují a znázorňují vynález, a následně popsaný příklad konkrétního provedení měřicího systému a sondy v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu.The drawings which supplement and illustrate the invention, and the example of a particular measurement system and probe described below, in no way limit the scope of protection given in the definition, but merely illustrate the nature of the invention.
Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Měřicí systém je aplikován na plazmochemickém reaktoru 1, který je vybaven napájecím zdrojem 2 napojeným na výbojovou elektrodu 21 a referenční elektrodu 22, je do něj zavedena sonda 3 separující elektrony vybavená sběrnou elektrodou 301 a je v něm umístěn měřený plazmatický objekt 4.The metering system is applied to a plasma chemistry reactor 1, which is equipped with a power supply 2 connected to the discharge electrode 21 and a reference electrode 22, an electron-detecting probe 3 equipped with a collecting electrode 301, and a measured plasma object 4 therein.
Vlastní měřicí obvod sestává z řídicí a měřicí jednotky 5, která je jednak přes v sérii zapojené analogově digitální převodník 6 a proudový převodník 7 propojena se sběrnou elektrodou 301. sondy 3, a jednak jsou k ní paralelně připojeny zdroj 8 referenčního napětí, zdroj 9 napětí stínícího potenciálu a zdroj 10 separaěního napětí. Zdroj 8 referenčního napětí je dále přímo napojen na referenční elektrodu 22 napájecího zdroje 2 a jeho výstupy jsou také propojeny se vstupy zdroje 9 napětí stínícího potenciálu, zdroje 10 separaěního napětí a proudového převodníku 7. Ke zdroji 9 napětí stínícího potenciálu je napojen přepínač H stínění s možností propojení na vodivý plazmochemický reaktor 1 nebo na stínící plášť 302 sondy 3 a ke zdroji 10 separaěního napětí je napojen přepínač 12 proudu separovaných elektronů s možností propojení na těleso 303 sondy 3.The measuring circuit itself consists of a control and measuring unit 5, which is connected in series via an analog-to-digital converter 6 and a current converter 7 with the collecting electrode 301 of the probe 3, and on the other hand with a reference voltage source 8 and a voltage source 9 and potential source 10 of the separation voltage. The reference voltage source 8 is further directly connected to the reference electrode 22 of the power supply 2 and its outputs are also coupled to the inputs of the shielding potential voltage source 9, the separation voltage source 10 and the current converter 7. The shielding switch H is connected to the shielding voltage source 9. by means of a connection to a conductive plasmachemical reactor 1 or to a shielding sheath 302 of the probe 3, and to the source of the separation voltage 10, a switch 12 of the separated electron current is connected with the possibility of connection to the body 303 of the probe 3.
-3CZ 304493 B6-3GB 304493 B6
Konstrukce sondy 3 separující elektrony je v základním provedení znázorněném na obr. 2 tvořena tělesem 303 s výhodou válcového tvaru, které je vyrobené z elektricky vodivého diamagnetického materiálu. Těleso 303 je opatřeno v podélné ose průchozí dutinou 304, rovněž s výhodou válcového tvaru, v jejíž střední části je vytvořena sběrná komůrka 305, realizovaná například ve formě obvodového zápichu. Směrem od sběrné komůrky 305 k vnitřnímu čelu 3031 tělesa 303 jsou kolmo k podélné ose dutiny 304 uloženy magnety 306, s výhodou permanentní, vytvářející v této dutině 304 separační magnetickou komůrku 3041. Vnější póly magnetů 306 jsou na povrchu tělesa 303 překryty prstencem 307 vyrobeným z feromagnetického materiálu a zabraňujícím působení magnetického pole vně tělesa 303 a zesilujícím pole uvnitř magnetické komůrky 3041. Protilehle k separační magnetické komůrce 3041 je v dutině 304 uložena sběrná elektroda 301 opatřená na povrchu izolantem 308, který ji elektricky odděluje od tělesa 303, přičemž poloha sběrné elektrody 301 i izolantu 308 v dutině 304 je realizována suvně stavitelně s možností zajištění zvolených měřicích ploch například pomocí neznázoměných polohovacích závrtných šroubků. Celý povrch sondy 3 je pak s výjimkou vstupního otvoru 3042 dutiny 304 na vnitřním čele 3031 tělesa 303 opatřen stínícím pláštěm 302, který je od tělesa 303 galvanicky oddělen a odizolován izolačním prstencem 309.The construction of the electron-separating probe 3 in the basic embodiment shown in FIG. 2 consists of a body 303 preferably of cylindrical shape, which is made of an electrically conductive diamagnetic material. The body 303 is provided in a longitudinal axis with a through cavity 304, also preferably of cylindrical shape, in the central part of which a collecting chamber 305, for example in the form of a peripheral recess, is formed. In the direction from the collecting chamber 305 to the inner face 3031 of the body 303, magnets 306, preferably permanent, are positioned perpendicular to the longitudinal axis of the cavity 304, forming a separating magnetic chamber 3041 in this cavity 304. In contrast to the magnetic separation chamber 3041, a collecting electrode 301 is provided in the cavity 304, provided with an insulator 308 on the surface, which electrically separates it from the body 303, wherein the collecting electrode position is provided. 301 of the insulator 308 in the cavity 304 is movably adjustable with the possibility of securing the selected measuring surfaces, for example by means of positioning screws (not shown). The entire surface of the probe 3, with the exception of the inlet opening 3042 of the cavity 304 on the inner face 3031 of the body 303, is provided with a shielding sheath 302 which is galvanically separated from the body 303 and insulated with an insulating ring 309.
Při vlastní aplikaci měření iontové distribuční funkce v nízkoteplotním plazmatu je nejprve provedeno primární nastavení měřicího systému, a pokud je měření prováděno ve vodivém kovovém plazmochemickém reaktoru I, je stínící plášť 302 sondy 3 připojen přepínačem _Π stínění na potenciál reaktoru L Pokud je měření prováděno v nevodivé nádobě reaktoru i, musí nejprve proběhnout měření, a to tím způsobem, že na zdroji 8 referenčního napětí je postupně nastavováno napětí na sběrné elektrodě 301, přepínač 12 proudu spojuje sondu 3 též s nastavovaným napětím zdroje 8 referenčního napětí, takže vzniká obvod: plazmatický objekt 4 - sběrná elektroda 301 - proudový převodník 7 - zdroj 8 referenčního napětí - referenční elektroda 22. Současně jsou prostřednictvím proudového převodníku 7 a analogově digitálního převodníku 6 řídicí a měřicí jednotkou 5 měřeny a zaznamenávány hodnoty proudu procházejícího sběrnou elektrodou 301, a to včetně hodnot napětí zdroje 8 referenčního napětí. Po zjištění při jaké hodnotě napětí zdroje 8 referenčního napětí j proud procházející sběrnou elektrodou 301 nulový, je tato hodnota napětí nastavena řídicí a měřicí jednotkou 5 na zdroji 9 napětí stínícího potenciálu a přepínač H stínění připojí toto napětí na stínící plášť 302. Po provedení tohoto kroku nastavování je opět provedeno měření způsobem, že na zdroji 8 referenčního napětí je postupně nastavováno napětí na sběrné elektrodě 301, přepínač 12 proudu spojuje sondu 3 také s nastavovaným napětím zdroje 8 referenčního napětí, takže vzniká opět obvod: plazmatický objekt 4 - sběrná elektroda 301 - proudový převodník 7 - zdroj 8 referenčního napětí - referenční elektroda 22. Současně jsou prostřednictvím proudového převodníku 7 a analogově digitálního převodníku 6 řídicí a měřicí jednotkou 5 měřeny a zaznamenávány hodnoty proudu procházejícího sběrnou elektrodou 301 včetně hodnot napětí zdroje 8 referenčního napětí. Pokud má naměřená volt-ampérová charakteristika odpovídající tvar a taktéž nejsou hodnoty iontového proudu naměřené sběrnou elektrodou 301 příliš malé nebo příliš velké, přepínač 12 proudu separovaných elektronů zůstává v poloze spojující sondu 3 se zdrojem 8 referenčního napětí. Následně probíhá měření výše uvedeným způsobem s tím, že na zdroji 8 referenčního napětí je postupně nastavováno napětí na sběrné elektrodě 301, přepínač 12 proudu spojuje sondu 3 také s nastavovaným napětím zdroje 8 referenčního napětí se vznikem obvodu: plazmatický objekt 4 - sběrná elektroda 301 - proudový převodník 7 - zdroj 8 referenčního napětí - referenční elektroda 22. Současně jsou prostřednictvím proudového převodníku 7 a analogově digitálního převodníku 6 řídicí a měřicí jednotkou 5 měřeny a zaznamenávány hodnoty proudu procházejícího sběrnou elektrodou 301 včetně hodnot napětí zdroje 8 referenčního napětí. Pak je možno provést vyhodnocení měření a určit iontovou distribuční funkci. Je pak nutno zdůraznit, že ve všech výše uvedených případech je proud separovaných elektronů ze sondy 3 odveden vždy mimo proudový převodník 7, který měří, tedy převádí, vždy pouze iontovou složku proudu tekoucí přes sběrnou elektrodu 301. Proud separovaných elektronů je však odváděn, buď společně s iontovým proudem přes přepínač 12 proudu a zdroj 8 referenčního napětí, nebo odděleně přes zdroj 10 separačního napětí.In the actual application of the measurement of the ion distribution function in low temperature plasma, the primary setting of the measurement system is first performed, and if the measurement is performed in a conductive metal plasma chemical reactor I, the shielding sheath 302 of probe 3 is connected to the potential L of the reactor. In the vessel 1 of the reactor 1, the measurement must first be carried out by gradually adjusting the voltage at the collecting electrode 301 at the reference voltage source 8, the current switch 12 also connects the probe 3 to the reference voltage source 8 4 - collecting electrode 301 - current transducer 7 - reference voltage source 8 - reference electrode 22. At the same time, the values for the current transducer 7 and the analogue digital transducer 6 are measured and recorded by the control and measuring unit 5. udu passing through the collecting electrode 301, including the voltage values of the reference voltage source 8. After detecting at which voltage value of the reference voltage source 8 the current passing through the collecting electrode 301 is zero, this voltage value is set by the control and measuring unit 5 on the shielding potential voltage source 9 and the shield switch H applies this voltage to the shielding sheath 302. again, the measurement is performed in such a way that at the reference voltage source 8 the voltage at the collecting electrode 301 is gradually adjusted, the current switch 12 also connects the probe 3 to the adjusted voltage at the reference voltage source 8, current transducer 7 - reference voltage source 8 - reference electrode 22. At the same time, through the current transducer 7 and the analogue digital transducer 6, the control and measuring unit 5 measures and records the values of the current passing through the collecting electrode 301 including reference voltage source 8 values. If the measured volt-amp characteristic has a corresponding shape and the ionic current values measured by the collecting electrode 301 are not too small or too large, the separated electron current switch 12 remains in the position connecting the probe 3 to the reference voltage source 8. The measurement is then carried out as described above, with the reference electrode 301 being gradually adjusted to the reference voltage source 8, the current switch 12 also connecting probe 3 to the reference voltage source 8 being adjusted to the circuit: plasma object 4 - collecting electrode 301 - current converter 7 - reference voltage source 8 - reference electrode 22. At the same time, through the current converter 7 and the analogue digital converter 6, the control and measuring unit 5 measures and records the values of the current passing through the collecting electrode 301 including the voltage values of the reference voltage source 8. The measurement evaluation can then be performed and the ion distribution function determined. It should then be pointed out that in all the above cases, the separated electron current from the probe 3 is always discharged away from the current converter 7, which only measures the ionic component of the current flowing through the collecting electrode 301. together with the ion current through the current switch 12 and the reference voltage source 8, or separately through the separation voltage source 10.
-4CZ 304493 B6-4GB 304493 B6
Pokud má naměřená volt-ampérová charakteristika deformovaný tvar nebojsou sběrnou elektrodou 301 získávány příliš malé nebo příliš velké hodnoty proudu, je nutno experimentálně, v závislosti na parametrech zkoumaného plazmatického zdroje 4 a konfiguraci plazmochemického reaktoru 1, provést úpravy měřicího systému, a to změnit konfiguraci sondy 3 vysunutím či zasunutím sběrné elektrody 301, přepínačem 12 proudu připojit zdroj 10 separačního napětí a měnit napětí tohoto zdroje 10 separačního napětí na sondě 3, pokud je nutné, aby byly jeho hodnoty odlišně od nastavovaných hodnot napětí zdroje 8 referenčního napětí na sběrné elektrodě 301.If the measured volt-ampere characteristic is deformed or if current collector electrode 301 is obtained too small or too large, it is necessary to adjust the measuring system experimentally, depending on the parameters of the plasma source 4 and the configuration of the plasma chemical reactor 1, to change the probe configuration. 3 by connecting or collecting the collecting electrode 301, by a current switch 12, to connect the separation voltage source 10 and vary the voltage of the separation voltage source 10 at the probe 3 if its values need to be different from the set voltage values of the reference voltage source 8 at the collecting electrode 301.
Výše popisovaný princip separace elektronů pomocí sondy 3 speciální konstrukce vychází z působení Lorentzovy síly na nabité částice a je schematicky znázorněn na obr. 3. Průchodem nabitých částic průchozí dutinou 304 se zkříženým stacionárním, radiálním osově symetrickým magnetickým polem a proměnným elektrickým polem. Při vhodném umístění sondy 3 do plazmatu, respektive proudu nabitých částic a následném měření volt-ampérové charakteristiky mezi plazmatickým objektem 4, sběrnou elektrodou 301, proudovým převodníkem 7, zdrojem 8 referenčního napětí a referenční elektrodou 22, jsou nejprve elektrony, které vstupují do dutiny 304 separační magnetickou komůrkou 3041 separuj ící sondy 3, zachyceny radiálním magnetickým polem 3061 magnetů 306. Díky malému Larmorovu poloměru jejich dráhy, jsou kolem siločar gyrující elektrony postupně odsáty ze separační magnetické komůrky 3041 a sběrné komůrky 305 a odvedeny jejich vodivým povrchem působením příčného elektrického pole 3031, které vytváří napětí připojené na těleso 303 sondy 3 přes přepínač 12 proudu pomocí zdroje 8 referenčního napětí nebo zdroje 10 separačního napětí. Jiná situace nastává u těžkých nabitých částic, iontů, které mají díky mnohonásobně vyšší hmotnosti též mnohonásobně větší Larmorův poloměr gyrace kolem magnetických siločar a magnetické pole 3061 směr jejich toku téměř neovlivní. Ionty jsou pak zachyceny působením podélného axiálního elektrického pole 3011, vyvolaného zpravidla rovinnou sběrnou elektrodou 301 a zdrojem 8 referenčního napětí. Ze sběrné elektrody 301 je pak odváděna iontová složka proudu, která je v proudovém převodníku 7 a analogově digitálním převodníku 6 měřena a zaznamenávána společně s hodnotami zdroje 8 referenčního napětí a řídicí a měřicí jednotkou 5. Hodnotám proudu naměřeným sběrnou elektrodou 301 jsou pak přiřazeny hodnoty napětí zdroje 8 referenčního napětí a je tak získána volt-ampérová charakteristika, ze které je pak vyhodnocena iontová distribuční funkce.The above-described principle of electron separation using a special construction probe 3 is based on the Lorentz force applied to the charged particles and is schematically illustrated in Fig. 3. Through the passage of the charged particles through a cavity 304 with a stationary, radial axially symmetrical magnetic field and variable electric field. By properly placing the probe 3 in the plasma or charged particle current and then measuring the volt-ampere characteristic between the plasma object 4, the collecting electrode 301, the current transducer 7, the reference voltage source 8 and the reference electrode 22 are first electrons entering the cavity 304 by the magnetic separation chamber 3041 of the separating probe 3, captured by the radial magnetic field 3061 of the magnets 306. Due to the small Larmor radius of their path, electron gyrating electrons around the magnetic field lines are successively sucked out of the magnetic separation chamber 3041 and the collecting chamber 305. that generates a voltage connected to the probe body 303 via a current switch 12 by a reference voltage source 8 or a separation voltage source 10. A different situation occurs with heavy charged particles, ions, which, due to many times greater mass, also have many times greater Larmor's radius of gyration around the magnetic field lines, and the magnetic field 3061 has little effect on their flow direction. The ions are then captured by the action of a longitudinal axial electric field 3011, typically caused by a planar collecting electrode 301 and a reference voltage source 8. The ionic current component is then removed from the collecting electrode 301, which is measured and recorded in the current transducer 7 and the analogue digital transducer 6 together with the reference voltage source 8 and the control and measuring unit 5. The current values measured by the collecting electrode 301 are then assigned voltage values. the reference voltage source 8 to obtain a volt-ampere characteristic from which the ion distribution function is then evaluated.
Popsané provedení sondy 3 není jejím jediným možným konstrukčním řešením, ale v závislosti na měřeném plazmatickém objektu 4 může být délka či tvarové provedení magnetické komůrky 3041 měněno, například může být opatřena třemi dvojicemi magnetů 306 vzájemně pootočených o 120°, takže může být postupně pootočena i orientace siločar magnetických polí 3061.The described embodiment of the probe 3 is not its only possible constructional solution, but depending on the measured plasma object 4 the length or shape of the magnetic chamber 3041 can be changed, for example it can be provided with three pairs of magnets 306 rotated 120 orientation of magnetic field lines 3061.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Způsob měření iontové distribuční funkce v nízkoteplotním plazmatu, měřicí systém pro provádění tohoto způsobu a sonda pro měřicí systém jsou určeny zejména pro užití v oblasti výzkumu plazmatu a plazmových technologií, kde je nutno monitorovat parametry plazmatu během různých procesů jak v kontinuálních, tak v časově rozlišených měřeních.Method of measuring ion distribution function in low temperature plasma, measuring system for this method and probe for measuring system are designed especially for use in the field of plasma research and plasma technology, where it is necessary to monitor plasma parameters during various processes in both continuous and time resolved measurements.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2011-890A CZ304493B6 (en) | 2011-12-28 | 2011-12-28 | Method of measuring ionic distribution function in a low-temperature plasma, measuring system for making the method and a probe for such measuring system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2011-890A CZ304493B6 (en) | 2011-12-28 | 2011-12-28 | Method of measuring ionic distribution function in a low-temperature plasma, measuring system for making the method and a probe for such measuring system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2011890A3 CZ2011890A3 (en) | 2013-07-10 |
| CZ304493B6 true CZ304493B6 (en) | 2014-05-28 |
Family
ID=48741997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2011-890A CZ304493B6 (en) | 2011-12-28 | 2011-12-28 | Method of measuring ionic distribution function in a low-temperature plasma, measuring system for making the method and a probe for such measuring system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ304493B6 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022117130A1 (en) | 2020-12-03 | 2022-06-09 | Univerzita Palackého v Olomouci | Device for deposition of dielectric optical thin films by the help of sputtering plasma sources and sources of energy ions |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ308234B6 (en) * | 2019-05-09 | 2020-03-11 | Univerzita Palackého v Olomouci | Method of measuring the ion mass distribution function in a low temperature plasma and apparatus for this |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050035770A1 (en) * | 2003-08-12 | 2005-02-17 | Michael Hopkins | Radio frequency langmuir probe |
| CZ20273U1 (en) * | 2009-09-21 | 2009-11-26 | Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. | Measuring system for plasma diagnostic using Langmuir probe |
| CZ2009765A3 (en) * | 2009-11-18 | 2011-05-25 | Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. | Synchronization method of measuring for plasma probe diagnostics and measuring system for making the same |
| CZ23356U1 (en) * | 2011-12-28 | 2012-01-30 | Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. | Measuring system to measure ion distribution function in low-temperature plasma and probe for such measuring system d |
-
2011
- 2011-12-28 CZ CZ2011-890A patent/CZ304493B6/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050035770A1 (en) * | 2003-08-12 | 2005-02-17 | Michael Hopkins | Radio frequency langmuir probe |
| CZ20273U1 (en) * | 2009-09-21 | 2009-11-26 | Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. | Measuring system for plasma diagnostic using Langmuir probe |
| CZ2009765A3 (en) * | 2009-11-18 | 2011-05-25 | Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. | Synchronization method of measuring for plasma probe diagnostics and measuring system for making the same |
| CZ23356U1 (en) * | 2011-12-28 | 2012-01-30 | Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. | Measuring system to measure ion distribution function in low-temperature plasma and probe for such measuring system d |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Kluson J. a kol.:"Langmuir probe diagnostics of DC hollow cathode discharge in 1 kHz pulsed regime" WDS´09 Proceedings of Contributed Papers, Part II, 2009, str. 233-237 (str. 234, 235, obr. 1) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022117130A1 (en) | 2020-12-03 | 2022-06-09 | Univerzita Palackého v Olomouci | Device for deposition of dielectric optical thin films by the help of sputtering plasma sources and sources of energy ions |
| EP4081671A4 (en) * | 2020-12-03 | 2023-09-27 | Univerzita Palackého v Olomouci | Device for deposition of dielectric optical thin films by the help of sputtering plasma sources and sources of energy ions |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2011890A3 (en) | 2013-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105637611B (en) | Apparatus and method for monitoring the electric discharge in corona treatment portion | |
| Ablikim et al. | Determination of Strong-Phase Parameters in D→ KS, L 0 π+ π | |
| TWI725180B (en) | Cold cathode ionization vacuum gauge with multiple cathodes | |
| CZ304493B6 (en) | Method of measuring ionic distribution function in a low-temperature plasma, measuring system for making the method and a probe for such measuring system | |
| CZ23356U1 (en) | Measuring system to measure ion distribution function in low-temperature plasma and probe for such measuring system d | |
| EP2782430A1 (en) | Plasma evaluation apparatus | |
| CN103091698A (en) | Test method of proton/electronic synthetical irradiation beam fluence | |
| JPH04505828A (en) | Partial pressure gauge using cold cathode ion source for leak detection in vacuum equipment | |
| CZ33034U1 (en) | Device for measuring the mass of ions in low temperature plasma | |
| Shi et al. | The spatial-temporal distribution of the electron density and temperature in nanosecond pulsed discharge plasma measured by laser Thomson scattering | |
| CN109307880B (en) | Multiple electrode positive charging 218 Po collection efficiency measurement cavity and method | |
| CZ308234B6 (en) | Method of measuring the ion mass distribution function in a low temperature plasma and apparatus for this | |
| Chen et al. | Fully relativistic study of forbidden transitions of O II: Electron density diagnosis for planetary nebulas | |
| Maurmann et al. | A Magnetic Multipole Plasma Source for the Investigation of Electron‐Atom Collision Processes | |
| Li et al. | Optimization of A Self-integrating PCB Rogowski Coil for Discharge Plasma Current Detection | |
| Fan et al. | Development of a heavy ion beam probe diagnostic for HL-2A tokamak | |
| QI et al. | Measurement of He à | |
| Sikora et al. | Design of an electron cloud detector in a quadrupole magnet at CesrTA | |
| Stano et al. | UPGRADE OF THE 5-CHANNEL NEUTRAL PARTICLE ANALYSER FOR THE COMPASS TOKAMAK | |
| Ablikim et al. | Observation of χ c J→ 3 (K+ K-) | |
| Ido et al. | Development of 6MEV heavy ion beam probe for large helical device | |
| Ouroua et al. | Plasma potential measurements on text‐upgrade with a 2 MeV heavy ion beam probe (abstract) a | |
| Bradley et al. | The diagnosis of plasmas used in the processing of textiles and other materials | |
| Zhongyi et al. | Arc behaviours in vacuum interrupters with axial magnetic field electrodes | |
| Hannum | Characterizing the plasma of the rotating wall machine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20191228 |