Estudio teórico y experimental de la característica iónica de plasmas DC

Abstract

Este trabajo realiza una profunda revisión bibliográfica de las teorías más relevantes, relativas a la vaina iónica positiva que se forma alrededor de una sonda electrostática Langmuir cilíndrica que introducimos en un plasma electropositivo. En el mismo, se desarrolla un dispositivo experimental que permite realizar una descarga DC en gases Argón, Neón y Helio a baja presión que dan lugar a un plasma electropositivo muy adecuado para este estudio, por ser muy estable. Además, dicho dispositivo nos permite controlar las condiciones de la descarga, y obtener un valor de la temperatura electrónica, Te , comparable al de la temperatura de los iones positivos, Ti . Este dispositivo experimental se utiliza para verificar el modelo teórico radial, propuesto recientemente por nuestro grupo de investigación, sobre la vaina iónica positiva que rodea una sonda electrostática de Langmuir cilíndrica. Dicho modelo considera el movimiento térmico de los iones positivos, es decir, que Ti no es despreciable frente a Te (  Ti Te0 ). Asimismo, considera que los iones positivos caen hacia la sonda siguiendo un movimiento radial. Se ha elaborado un dispositivo de medida que nos permite medir con precisión y rapidez la curva característica IV de una sonda electrostática de Langmuir cilíndrica introducida en los plasmas generados en la descarga DC. Por otro lado, se ha implementado un Instrumento Virtual (VI) en el lenguaje de programación gráfica LabVIEW® para realizar la medida automática de las curvas características IV, mediante las cuales se han podido medir varias magnitudes que caracterizan al plasma. Hemos verificado experimentalmente la predicción del modelo, que proporciona un valor para la corriente iónica recogida por la sonda introducida en el plasma superior a la que predice el modelo ABR para las mismas condiciones. Se han llevado a cabo dos comparaciones entre los resultados que aportan los modelos teóricos y los provenientes de las medidas experimentales. Por un lado, se han comparado las curvas características IV teórica y experimental en la zona de saturación iónica. Por otra parte, hemos comparado los Sonin plots para los modelos teóricos radiales para varios valores de  , y los puntos experimentales obtenidos usando los valores medidos de la corriente de iones positivos en un amplio rango de condiciones del plasma. De este modo, el claro acuerdo entre los datos teóricos y experimentales en ambas comparaciones, nos ha permitido establecer la bondad del modelo teórico radial propuesto por los autores. Este método de diagnosis es muy adecuado puesto que utiliza la zona de saturación iónica de la curva característica IV en la que la perturbación producida por la sonda en el plasma es mínima. Se ha podido obtener, con el VI desarrollado, la densidad electrónica usando diferentes métodos de diagnosis basados en diferentes teorías aplicadas en diferentes zonas de la curva característica IV. El buen acuerdo obtenido avala tanto la bondad del modelo como el método de medida. Hemos comprobado que en el caso de los plasmas de Helio, el comportamiento de la corriente iónica positiva recogida por una sonda electrostática de Langmuir cilíndrica muestra una transición desde el movimiento radial al movimiento orbital, debido a que la masa de los iones de Helio es muy baja en comparación con las de los iones de Argón y Neón. Hemos usado varios criterios que discriminan entre el comportamiento radial u orbital para los iones que alcanzan la sonda y que corroboran el comportamiento observado para el caso del Argón, Neón y Helio

This work provides a thorough bibliographical research about the most significant theories dealing with the positive ion sheath, formed in the surroundings of a cylindrical electrostatic Langmuir probe, immersed in an electropositive plasma. It also develops an experimental device to produce DC discharges in argon, neon and helium at low pressure to provide very stable plasmas quite adequate for our purposes. Besides, the experimental device allows us to control the discharge conditions and to produce plasmas in which the electron temperature Te is similar to the positive ion temperature, Ti . The experimental device has been used to verify the theoretical model developed by our research group about the positive ion sheath which takes place in the surroundings of a cylindrical Langmuir probe. The theoretical model takes into account the positive ion thermal motion, i. e. a positive ion temperature Ti which is not negligible compared to the electron one Te ( . .Ti Te.0 ). The theoretical model also considers a radial motion of the positive ions towards the probe. We have developed a measurement device which allows us to measure fast and accurately the I.V current to voltage characteristic curve of the cylindrical Langmuir probe, which is immersed in the plasmas produced by the DC discharge. On another hand, a virtual instrument (VI) has been programmed by using the graphic programming language LabVIEW® in order to automatically acquire the I.V characteristic curves, from which several magnitudes characterizing the plasma are measured. We have verified by the experiments the results concerning to the theoretical model, which provides an ion current higher than the one provided by the ABR model for the same plasma conditions. We have compared the results coming from the theoretical model and from the experimental measurements by using two different methods. On the one hand, we have compared the theoretical and experimental I.V curves in the ion saturation zone. On the other hand, we have compared the Sonin plots, calculated from the theoretical radial models for different . values with the experimental data for a wide plasma parameters range. In this way, the agreement between the experimental data and the theoretical predictions allows us to establish the goodness of the theoretical model developed by our research group. The diagnostic methods based on the ion saturation current zone of the current to voltage characteristic curve is very adequate since the perturbation produced by the presence of the Langmuir probe in the plasma is negligible. The Virtual Instrument, which has been developed, allows us to measure the electron density by using different diagnostic methods which are based on different theories each one applied to each zone of the I.V current to voltage characteristic curve. The good agreement between the different values obtained ensures the goodness of both the theoretical models and measurement method. We have observed that in the case of helium plasmas, the ion current collected by the cylindrical Langmuir probe shows a transition from radial to orbital motion of the positive ions towards the probe, due to the low mass of the helium ions in compared to the ones of argon and neon. We have used some criteria to distinguish between the two behaviours, radial or orbital, of the positive ions which reach the Langmuir probe, and which corroborate the behaviour observed in the cases of argon, neon and helium plasmas.