Plasmadiagnostik. 2 - Elektrische Messungen

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1 Plasmadiagnostik 2 - Elektrische Messungen Volker Schulz-von der Gathen 1

2 Elektrische Messungen Sehr vage Formulierung Äußere Ströme und Spannungen Global Sonden Lokal DC und RF Entladungen 2

3 2.1 Globale elektrische Messungen DC Entladungen I Vorwiderstand R DC Up Was macht der Vorwiderstand? Up= UDC - RVIp 3

4 DC- Glimmentladung Aufbau einer Glimmentladung Strukturen Beeinflußen äußere Beobachtungen z.b.: Wie weit darf man eine Glimmentladung verlängern oder verkürzen Frage: Wann habe ich es mit einer Glimmentladung zu tun? 4

5 Strom-Spannungs-Charakteristik Prinzipielles Verhalten der DC- Entladung Bestimmung der Arbeitsbereiche/ Moden Vorwiderstand beeinflußt Betriebsart der Entladung Messung von U und I in Abhängigkeit von Länge L erlaubt Abschätzung der Leitfähigkeit Elektronentemperatur (Spitzerleitfähigkeit) T 3/2 [V ] [ Ω/ m ] σ C Z ln Λ ǃ Modell!! RF- Entladungen Vorteil: technisch interessant, Bearbeitung von Dielektrika 5

6 RF-Entladungen Kapazitiv und induktiv gekoppelt I Matchbox CCRF RF MHz Matchbox ICP RF MHz 1000 V, 0,1 A, 100 W E-Feld, Schicht 100 V, 10 A, 1000 W B-Feld Matchbox? ω e >ωrf >ω i Elektronenheizung: 0,1 bis 1000 mbar (Atmosphärendruck-Mikroplasmen) Modenübergänge Instabilitäten (Zeitabhängigkeiten) 6

7 Modenübergänge in RF APPJ's Übergang vom homogenen zum 'Arcing' Mode phase shift 3 normal: P=300W; He=2m /h;o2=10l/h 3 arcing: P=200W; He=2m /h; O2=10L/h Arcing 200 D 150 B C ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 400 normal discharge normal discharge 4 arcing 2 Zero 200 arcing RF Current(A rms) Time(nsec) RF Current(A) A (a) Discharge Voltage(V) Discharge Voltage(V rms) _3.org 600 7

8 RF-Entladungen RF, Kapazitäten C, Induktivitäten L Impedanzen, Zeitabhängigkeiten, Phasen Streukapazitäten Mögliche Ergebnisse und Fragen Leistungen (Effizienz; P=U I cos ) Plasmaimpedanz Betriebsmoden ( Moden, Arcing) Direkte Plasmadaten ( z.b. SEERS, Modellabhängig!) Vergleich von Reaktoren Konsequenz: Realzeitmessungen von U und I mit hoher Zeitauflösung 8

9 Aufbau GEC Zellen Experiment Aufgabe: Messung einer Phasenverschiebung von 1 bei MHz mit einem DSO 9

10 2.1 Strom- und Spannungsmessungen Leistungsmessung bei MHz Was geht in die Entladung? Sender (mit Ableseeinheit) Netzwerk mit Impedanzen Plasmagefäss (mit Streukapazitäten) Kabel Messung möglichst direkt an der Entladung Problem: Kleine I, große U (Potentiale am Sender, Plasma), Phasenlage 10

11 2.1 Strom-Spannungsmessungen Wie messe ich bei RF? U/I Sonde (Probe) U I Spannungsabnahme über Kapazität E-Feld Stromabnahme über Induktivität B-Feld, magnetischer Fluß 11

12 2.2.1 Strom-Messungen Strom-Messung R (Pick-Up Spule, induzierte Spg.) K n V m (t )= I p (t ) R C dφ di 1 =L +RI + dt dt C 1 dφ i R dt L i RF C dφ dt Um t I dt 0 t Induzierter Fluß (in Spule) R L ω und t RC Φ(t ) 1 dφ V m= dt = RC 0 dt RC Φ=K n I p (t ) K: Prop.faktor; n: Windungen K n V m= I p (t ) RC Pick-Up Spule 12

13 Strommessungen Kalibrierung Referenzwiderstand S Geometrische Einflüsse Leitungslängen? Solenoid mit vielen Windungen I= S dn B μ0 n S Φ I= μ n A μ0 A K = S S= Länge des Solenoids Problem: Hohe Windungen L, Querströme 13

14 Rogowski-Spule Problem: Erfassung des tatsächlichen Plasmastroms Rückführende Leitung innerhalb des Solenoid kompensiert Einfluß von Querströmen U=M di dt Robust, besonders gut für große Sinus-Ströme (sonst Verstärker und/oder Integration notwendig) 14

15 Spezielle Stromsonden Kleines R, kleines L I I U NiCr- Resistor Magnetfeld vollständig eingeschlossen: Kein d /dt I U I Kräfte 15

16 2.2.2 Spannungsmessungen Hohe Spannungen and den Kondensatoren Steile Spannungsänderungen bei RF Lösung: Kapazitive Spannungsteiler C1 1 V 0= V i ; C 1 C 2 ; C 1+C 2 ωc R2 R1 = C1 C2 = V0 Vi Kalibrierung 16

17 Phasenlage Phasenlage beeinflußt Leistung P= U I cos = 0 <P> = 0 = 4 <P> = 0,1 Zeitlich gemittelte Leistung steigt schnell an Phasenlage: Impedanzen des Systems Kabellängen Aufgabe: Um wie viel Grad verschiebt ein 1 m längeres Kabel an der U-Messung diese gegenüber der parallel durchgeführten Strommessung? 17

18 Sondentypen 18

19 2.3 Mathematische Vorgehensweise Vierpoltheorie Ersatzschaltbild a b U2 c d I 2 ( ) ( )( ) U1 I1 = a,b,c,d: komplex und frequenzabhängig! Frage: Welche Ströme fliessen tatsächlich im Plasma? Kabel, Streukapazitäten Ersatzschaltbild: Plasma Kabel Schicht Plasma Schicht 19

20 2.3 Mathematische Vorgehensweise Plasmasystem Meßgrößen U m =a U pe +b I pe I m =c U pe +d I pe Geerdete Elektrode I pe=e I t U ge U gs =f I t U gs =I ge Z W Wand Messung: Offener Kreis: Ipe=0; Kurzschluß: Upe=0 Transformationsmatrix ( )( )( ) d b U m Up = c a I Ip m Größen komplex und Zeitabhängig: Fourieranalyse 20

21 Bsp: Elektronentemperatur Ohmsche Leistung und Leitfähigkeit Annahme: Vollständig ionisiertes Plasma Ohmsches Gesetz j =σ E Achtung: Lokale Größen! (Schichten) Bsp: DC-Glimm in H? Was ist das Plasma? Konsequenz für die Feldstärke? Messung: E bei Verlängerung der pos. Säule Messe U l= 75 cm: 510 V; l= 85 cm: 520 V; = 2 mm; I= 1 A T 3/2 [V ] [ Ω/m ] σ C Z ln Λ 21

22 Tips und Tricks Kabel Geringe Verluste (RG mm, 0,02 db/km; RG-58 5mm, 0,2 db/km) Kurze Kabel Möglichst wenige Verbinder Matchbox Hohe Verluste Möglichst nahe an Entladung Sonde Möglichst schnell Anpassung an Kabel Oszillograph Möglichst schnell; Schnelle Signale: 50,! Eingangskapazität 22

23 Shunt Streuströme größer als reale Ströme Kompensationsschaltkreis Spule, variable Kapazität RF-Anregung ohne Plasma Ströme in äußerem Kreis kompensieren Fehlströme Fazit: Im Meßkreis fließen nur noch tatsächliche Ströme 23