Langmuirsonde

Langmuirsonde

Die Langmuir-Sonde (Langmuir probe – LP) ist eine elektrostatische Messmethode, bei der ein Leiter in das Plasma eingebracht wird. An diesen wird eine Spannungsrampe typischerweise im Bereich von 0 V bis einige 10 V angelegt und der resultierende Strom gemessen. Die typische Strom-Spannungs-Charakteristik liefert dann Plasmaparameter. Üblicherweise wird ein Leiter genutzt, dessen Länge deutlich größter ist als der Durchmesser. Als Material kommt beispielsweise Wolfram zum Einsatz. In der Strom-Spannungs-Charakteristik werden drei Regionen unterschieden: Im Ionensättigungsbereich ist der gemessene Strom negativ. Hier werden aufgrund des negativen Potentials Ionen angezogen und Elektronen abgestoßen, sodass je nach angelegter Spannung nur noch sehr energetische Elektronen den Messdraht erreichen. Je geringer die Differenz der angelegten Spannung zum sogenannten Floatingpotential ist, desto mehr Elektronen können das Potential überwinden, bis am Floatingpotential Ionen- und Elektronenstrom sich angleichen und der Nettostromfluss null ist. Durch Erhöhung der Spannung wird der Elektronenanlaufstrom erreicht, in dem der Elektronenstrom größer ist als der Ionenstrom, da mehr und mehr Elektronen das Gegenfeld abhängig von ihrer kinetischen Energie überwinden. Der Wendepunkt beschreibt das Plasmapotential. Ab dieser Spannung werden alle Elektronen in der unmittelbaren Umgebung des Drahtes angezogen. Die weitere Steigerung des Stroms folgt aus der Erweiterung des Einflussvolumens der Sonde durch die höhere Spannung. Im Elektronensättigungsstrom werden also Elektronen aus einem immer größeren Bereich von der Sonde abgezogen.

Mittels der zweiten Ableitung des Stroms nach der angelegten Spannung kann die Elektronenenergieverteilungsfunktion bestimmt werden. Die Elektronentemperatur kann beispielsweise aus der Steigung bestimmt werden. Die Elektronendichte kann entweder aus dem Integral der Verteilungsfunktion oder im Falle einer Maxwellverteilung aus dem Plasmapotential berechnet werden.

Das Besondere der In-House-Entwicklung APS4 ist zum einen die Verfahrbarkeit der Sonde im Vakuum entlang einer Achse. Zum anderen kann der Sondendraht zurückgefahren werden, sodass er vor dem Gas bzw. dem Plasma geschützt ist. Zudem kann er bei Oxidation oder Beschichtung freigeglüht werden. Für Hochfrequenzplasmen verfügt die Langmuirsonde über eine effektive HF-Kompensation direkt am Sondendraht und einen Bandpassfilter zum Schutz der Elektronik.

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