Langmuir-Sonde

Irving Langmuir

Irving Langmuir (* 31. Januar 1881 in Brooklyn, New York; † 16. August 1957 in Woods Hole, Massachusetts) war ein US-amerikanischer Chemiker und Physiker.

Nach seinem Abschluss (Bachelor of Science, B.S.) an der Columbia University im Fachbereich Bergbau 1903 arbeitete er am Institut für Physikalische Chemie des späteren Nobelpreisträgers Walther Nernst in Göttingen und erlangte 1906 einen Doktor der Naturwissenschaften.

Anschließend lehrte Langmuir bis 1909 am Stevens Institute of Technology in Hoboken, New Jersey, danach im General Electrics Forschungslabor (Schenectady, New York). Während seiner Zeit dort erweiterte er mehrere Theorien in der Physik und Chemie, entwickelte die Kondensations-Quecksilbervakuumpumpe, die gasgefüllte Wolfram-Glühlampe, zahlreiche Vakuum-Radioröhren und ein Verfahren zum Schweißen mit atomarem Wasserstoff (Arcatom-Schweißen/Langmuir-Fackel). 1932 wurde ihm der Nobelpreis für Chemie für seine Arbeit im Bereich Oberflächenchemie verliehen.

Seine ersten wissenschaftlichen Beiträge stammten aus der Fortsetzung seiner Doktorarbeit, die sich mit Glühlampen beschäftigte. Durch die Verbesserung der Vakuumtechnik konnte er die Hoch-Vakuum-Glühlampe entwickeln, ein Jahr später entdeckte er, dass die Lebensdauer eines Wolfram-Filaments durch Füllung der Lampe mit einem inerten Gas wie z.B. Argon verlängert werden konnte.

Seine weiteren Untersuchungen zu Filamenten im Vakuum und verschiedenen Gasbedingungen führten ihn zum Studium von geladenen Partikeln aus heißen Filamenten (thermoionische Emission).

Langmuir war einer der ersten Wissenschaftler, der mit Plasma arbeitete und er war der erste, der diesen ionisierten Gasen diesen Namen gab. Er entwickelte das Konzept der Elektronentemperatur und erfand 1924 eine Methode um diese Temperatur zu messen, die nach ihm benannte Langmuir-Sondenmessung.

Nach dem Ersten Weltkrieg trug Langmuir durch das Konzept der Valenzschalen und Isotopen auch zur Atomtheorie und Aufklärung der atomaren Struktur bei.

Zusammen mit Katherine Blodgett arbeitete er an dünnen Filmen und Oberflächenadsorption. Beide entwickelten das Konzept der Monolage und der zweidimensionalen Physik, die eine solche Oberfläche beschreibt. 1932 erhielt er für seine "Entdeckungen und Untersuchungen zur Oberflächenchemie" den Nobelpreis für Chemie. Die Einheit für die Dosis in der Oberflächenchemie Langmuir war nach ihm benannt.

1938 untersuchte er als erster das Phänomen der später nach ihm benannten Langmuir-Zirkulation.

Zu Ehren Langmuirs wurde eine Fachzeitschrift für physikalisch-chemische Aspekte der Kolloid- sowie der Grenzflächenwissenschaften nach ihm benannt.

Langmuir-Sondenmessung

Eine Langmuir-Sondenmessung in einem Plasma ermöglicht die Aufnahme der Strom- Spannungskennlinie am jeweiligen Messpunkt. Daraus können folgende Parameter innerhalb des Plasmas ortsaufgelöst bestimmt werden:

• Elektronendichte $n_e$

• mittlere Elektronenenergie $<E_e>$

• Plasmapotential $U_{Pl}$

• Floatingpotential $U_{Fl}$

Die Parameter werden mit der Software durch die Messung vollautomatisch berechnet.

Theorie

Die verwendete Langmuir-Sonde besteht aus einem 0,05 mm dicken Wolframdraht, der in die Plasmakammer eingeführt wird. Abhängig von dem am Draht anliegenden Potential wird der Strom gemessen und so eine, für das Plasma charakteristische, Strom-Spannungskennlinie aufgenommen. Die Sondenspannung wird immer in Bezug auf das Plasmapotential angegeben.

Strom-Spannungskennlinie einer Langmuir-Sondenenmessung

Der typische Verlauf dieser Kennlinie ist in der Abbildung (Entnommen aus der Versuchsbeschreibung zur Langmuir-Sonde) rechts dargestellt und lässt sich in drei Bereiche unterteilen:

Ionensättigungsbereich: Die Sonde ist stark negativ gegenüber dem Plasmapotential vorgespannt, sodass Elektronen von dieser abgestoßen werden. Da nur Ionen auf die Sonde treffen, kann auf diese Weise der Ionenstrom bestimmt werden. Bei Erhöhung der angelegten Spannung sinkt der Ionenstrom während der Elektronenstrom zunimmt. Beim Floatingpotential $U_{float}$ befinden sich Elektronen-und Ionenstrom im Gleichgewicht und es ist kein Strom messbar. Auf dieses Potential würde sich ein nicht vorgespannter Leiter im Plasma aufladen.

Elektronenanlaufstrombereich: Oberhalb des Floatingpotentials ist die Sonde nur schwach negativ vorgespannt und einige Elektronen können diese aufgrund ihrer thermischen Energie erreichen. Der Elektronenstrom steigt exponentiell mit steigender Spannung an. Ab dem Plasmapotential werden Elektronen auf die Sonde beschleunigt.

Ableitungen der Strom-Spannungskennlinie

Es lässt sich in guter Näherung aus dem Maximum der ersten bzw. dem Nullpunkt der zweiten Ableitung der Sondenkennlinie bestimmen.

Elektronensättigungsbereich: Ist die an der Sonde angelegte Spannung größer als das Plasmapotential, so werden die Elektronen auf die Sonde beschleunigt. Der exponentielle Anstieg bricht ab, es stellt sich ein konstanter Strom ein.

Aus dem exponentiellen Anstieg des Elektronenstroms im Elektronenanlaufstrombereich können Elektronentemperatur und -dichte bestimmt werden. Die Elektronen besitzen gemäß der Elektronenenergieverteilungsfunktion (EEDF) unterschiedliche Energien. Daher können, abhängig von der angelegten Spannung, nur einige Elektronen die Sonde erreichen. Die Messung mit der Langmuirsonde geschieht im Plasma. Daher wird bei jeder Messung die Umgebung der Sonde im Plasma beeinflusst und verändert. Qualitativ lassen sich trotzdem Aussagen über die Plasmaeigenschaften machen.

Durchführung des Experiments

Schematische darstellung des Reaktors zum Versuch 402

Der Versuchsaufbau ist in der nebenstehenden Abbildung dargestellt. Die mit Hilfe des PCs erzeugte Spannungsrampe (-5V bis +5V) wird durch einen bipolaren Verstärker verstärkt und dann über den Messwiderstand sowie einen Tiefpaß-Filter auf die Sonde gegeben. Der Trennverstärker verstärkt das einkommende Signal und schützt gleichzeitig die Rechnerelektronik vor eventuellen Spannungsspitzen.

Für die Messung wird die Sonde ins Plasmas gefahren und schrittweise herausgezogen. Dabei wird pro Zentimeter eine Messreihe aufgenommen. Pro angelegtem Spannungswert am Sondendraht werden 10 Messungen durchgeführt. Es werden demnach 100 Linien an einem Messpunkt aufgenommen, über die zur Minimierung des Rauschens gemittelt wird.

Aufbau des Sondenkopfs

Der Sondenkopf (siehe Abbildung Sondenkopf) besteht aus 8 Teilen. Er besteht aus einer Sondenspitze (1), mit der die Sondenkennlinie aufgenommen wird. Am Ende des Drahtes ist eine Elektrode (3) angebracht, über die das Floatingpotential bestimmt werden kann. Kapillarröhrchen (2) dient zur Isolierung des Sondendrahtes gegenüber dem Plasma. Weitere wichtige Komponenten sind der Schrittmotor und die Bremse (7), die die Sonde in das Plasma herein oder heraus fahren können. Die weiteren Komponenten dienen zum Anbringen an die Kammer bzw. zur Isolierung.

Bedienung

Die Bedienung am Plasma wird schrittweise erklärt.