Höhere Experimentalphysik II

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1 Höhere Experimentalphysik II Institut für Angewandte Physik Goethe-Universität Frankfurt am Main 2. Teil 6. Vorlesung

2 Letzte Woche Plasmaerzeugung mit Hochfrequenz HF-Einkopplung Experimentiersession mit HF- Ionenquelle = ω e2 p n e ϵ 0 m e λ D= ϵ 0 k B T e n e e 2

3 Plasmaparameter Wann ist ein Plasma ein Plasma? Anzahl der Partikel in der Debye-Kugel nλ D 1 Debye-Länge ist kleiner als die Ausdehnung des Plasmas λ D < L Zeitlängen sind größer als T > 2 /ω pe Quasineutralität z n i = n e

4 Herleitung: Debye-Länge

5 Debye-Länge Mit einer Abschätzung des Potentials für eine Ladung innerhalb des quasineutralen Plasmas lässt sich die Debye- Länge fnden ε 0 Dielektrizitätskonstante k B Boltzmann-Konstante T e Elektronentemperatur λ D= ϵ 0 k B T e n e e 2 n e Teilchendichte der Elektronen

6 Plasma-Frequenz In welcher Zeit spielen sich die Abschirm-Efekte ab? Wenn äußere Einfüsse in das Plasma hineingetragen werden, wie schnell reagiert das Plasma darauf? Um die Anpassungsgeschwindigkeit des Plasmas zu beschreiben, wird die Plasmafrequenz verwendet: = ω e2 p n e ϵ 0 m e

7 Bohm-Kriterium Im Randbereich des Plasmas zu einer geerdeten Metalloberfäche gibt es eine Zone in der Elektronen aufgrund der höheren mittleren Geschwindigkeit (gleiche Temperatur, geringere Masse) statistisch gesehen häufger verloren gehen. Dies führt zu einer positiven Raumladung in dieser Randschicht.

8 Bohm-Kriterium Um die Quasineutralität im Plasma zu erhalten baut sich ein positives Potential im Plasma auf. Dies reduziert die Elektronenverluste an den Wänden, sodass sich ein Gleichgewicht zwischen Elektronen und Ionen einstellt. Die Potentialdiferenz zwischen dem Inneren des Plasmas und der Außenwelt nennt man Plasmapotential. Ein in das Plasma isoliert aufgehängtes Stück Draht läd sich bis auf das Plasmapotential auf es floatea. Dies kann man mit der Langmuir- Sonde messen, wenn man sie isoliert an ein Voltmeter anschließt.

9 Bohm-Kriterium Um die Quasineutralität im Plasma zu erhalten baut sich ein positives Potential im Plasma auf. Dies reduziert die Elektronenverluste an den Wänden, sodass sich ein Gleichgewicht zwischen Elektronen und Ionen einstellt. Die Potentialdiferenz zwischen dem Inneren des Plasmas und der Außenwelt nennt man Plasmapotential. Ein in das Plasma isoliert aufgehängtes Stück Draht läd sich bis auf das Plasmapotential auf es floatea. Dies kann man mit der Langmuir- Sonde messen, wenn man sie isoliert an ein Voltmeter anschließt.

10 Bohm-Kriterium Die Bohm-Ungleichung besagt, dass die Ionengeschwindigkeit in der Plasma-Sheath folgende Bedingung erfüllen muss v i> kt e m i Am Übergang von Pre-sheath zur Sheath müssen die Ionen mindestens die Bohm-Geschwindigkeit haben: v Bohm= kt e m i Daraus ergibt sich der Potentialabfall in der Presheath zu Δ Φ Presheth = kt e 2e.

11 Experiment von letzter Woche Hochfrequenz eingekoppelt in einen Vakuumrezipienten sorgt für die Zündung eines Plasmas M eßwerterfa ssung & Auswertung Langm uir - Sonde C:\ Kera m ikfe nster Druc kmessung & - rege lung Sp annung - sve rso rgung F LS HF - Sender Spule HF - Po tentia l Ho c hfreq ue nzeinkop plung Va kuum p um pe

12 (HF-)Plasmaerzeugung Erzeugung eines quasineutralen Plasmas durch Stoßionisation q n i i n e Bereitstellung freier Atome im Plasmagenerator durch: Einlassen eines Arbeitsgases Schmelzen und Verdampfen Sputtern von Feststofen Bereitstellung freier Elektronen durch: Glühemission Photoionisation Funkenentladung Bereitstellung der Ionisationsenergie durch: Beschleunigung der Elektronen HF-Heizung E x B-Drift

13 Elektronenbewegung im HF-Plasma Im Experiment war die Elektronenbewegung im Plasma erkennbar als die Langmuir-Sonde am Oszi angeschlossen war: Fall 1: HF eingekoppelt aber kein Plasma gezündet kein Signal am Oszi zu sehen Fall 2: HF eingekoppelt und Plasma war gezündet Sinus-Signal am Oszi zu sehen

14 Elektronenbewegung im HF-Plasma Im Fall 1 kann die Langmuir-Sonde kein HF-Signal empfangen, da die HF-Welle nicht in die Sonde einkoppelt: die Wellenlänge ist nicht angepasst (λ für 13,6 MHz: 22 m) Im Fall 2 ist das Plasma gezündet und die HF-Welle sorgt für Dichtewellen von Elektronen im Plasma die die Langmuir- Sonde beeinfussen. Quelle:

15 Langmuirsonae Ein in einer isolierenden Halterung verlaufender Draht wird an der Spitze der Isolierung auf ein Metallplättchen geführt, hier eine Kupferscheibe. Der Draht wird an geerdetes Netzgerät angeschlossen.

16 Langmuirsonae Um die Sondenoberfäche verändert sich das Plasma abhängig von der angelegten Spannung der Sonde. Um das Plasma zu charakterisieren wird ein Spannungsbereich durchfahren und der jeweilige Netto-Strom von/zur Sondenoberfäche aufgezeichnet.

17 Kennlinie aer Langmuir-Sonae Die Bereiche sind wie folgt benannt, wenn die x-achse von positiver zu negativer Spannung verläuft: A Ionensättigungsbereich B (Elektronen)anlaufgebiet C Floating-Potential D (Elektronen)anlaufgebiet E Plasmapotential F Elektronensättigungsbereich Aus dem Anstieg der Kurve lässt sich die Plasmatemperatur T e und die Elektronendichte n e bestimmen.

18 Variation von λ frei una n e Im Experiment wurden durch Einlassen von Gas die Randbedingungen geändert. Durch den höheren Druck wurde die mittlere freie Weglänge verringert und die Elektronendichte n e erhöht. Durch die häufgeren Stöße verrigert sich ebenso T e. Die Debye-Länge die im Experiment gut an der Spähre um die Langmuir-Sonde erkennbar war wurde dadurch beeinfusst: T e n e / m -3 λ D 100 ev ,43 mm 70 ev ,21 mm. 70 ev ,11 mm

19 Einschluss: Cusp-Konfguration una Magnetische Flasche Im Experiment waren zwei Spulen vorhanden, die in zwei Konfgurationen verschaltet werden können. Magnetfeld manipuliert die Beweglichkeit der Elektronen

20 Schönes Wochenenae!