AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA DE SONDA DE LANGMUIR PARA CARACTERIZAÇÃO DE PLASMAS

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1 AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA DE SONDA DE LANGMUIR PARA CARACTERIZAÇÃO DE PLASMAS Milton Flip Souza Santos (IC), Marcos Massi (PQ), Gilbrto Ptraconi (PQ) LPP, Dpartamnto d Física Instituto Tcnológico d Aronáutica (ITA) Pça Mal. Eduardo Goms, 50 CTA, São José dos Campos, São Paulo, Brasil mail: milton@h8.ita.br ; massi@ita.br ; gilbrto@ita.br RESUMO Em 1926, H. M. Mott-Smith I. Langmuir dsnvolvram um método qu foi um dos primiros mais frqüntmnt usados ond através d uma sonda ltrostática é possívl a obtnção d mdidas d rsolução spacial das propridads d um plasma. Dsd ntão, msmo substancialmnt modificado, st método foi chamado d técnica Langmuir. Nst trabalho foi implmntado um sistma para automação dsta técnica utilizando-s um microcomputador qu através da sonda d Langmuir traça a curva caractrística do plasma, obtndo assim os parâmtros do plasma utilizado. O computador colta os dados, traça a curva ftua os cálculos, tornando o trabalho do psquisador mais ficint dvido aos rsultados imdiatos. Os dados obtidos alcançaram rros d aproximadamnt 0,15% comparados com os qu são obtidos na manira convncional d cálculo comprovando a ficiência do sistma montado. ABSTRACT In 1926, H. M. Mott-Smith and I. Langmuir dvlopd a mthod that was on of first and oftn usd whr using a lctrostatic prob it is possibl to gt masurs with spatial rsolution of plasma proprtis. Thn, vn with many changs, this mthod was calld of Langmuir tchniqu. In this work an automation systm was prformd using a microcomputr, that us a Langmuir prob, plot th charactristic of th plasma, thus gtting, th paramtrs of th usd plasma. Th computr colcts data, plots th curv and mak th calculations, bcoming th work of rsarchr mor fficint with immdiat rsults. Th gottn data rachd rrors of approximatly 0,15% if compard with th obtaind in convntional mthod of calculations, this provs th fficint of moutd systm. 1. INTRODUÇÃO Em 1926, H. M. Mott-Smith I. Langmuir dsnvolvram um método qu foi um dos primiros mais frqüntmnt usados ond através d uma sonda ltrostática é possívl a obtnção d mdidas d rsolução spacial das propridads d um plasma. Dsd ntão, msmo substancialmnt modificado, st método foi chamado d técnica Langmuir 1. O método d diagnóstico com sondas d Langmuir fornc uma rsolução spacial, ou sja, prmit mdir as propridads do plasma localmnt ou pontualmnt, cobr uma ampla faixa, qu inclui os plasmas utilizados na indústria m procssos d corrosão dposição. A sonda d Langmuir consist d um pquno ltrodo qu é imrso num plasma com o propósito coltar fluxos d partículas ionizadas 2,3. A sonda é bombardada por létrons do plasma, porém como os létrons têm massa muito mnor qu os íons, ls têm também uma mobilidad muito maior, portanto a maior part da corrnt coltada pla sonda srá d létrons. Fazndo uma varrdura do plasma através da variação do potncial d polarização da sonda mdindo-s a corrnt stablcida no circuito da sonda m função da tnsão d polarização, obtrmos a chamada curva caractrística da sonda d Langmuir, como mostrado na figura 1.

2 Figura 1: Curva caractrística típica d Langmuir 4. Para obtrmos sta curva é ncssário fazr uma montagm d polarização da sonda. Esta polarização pod utilizar como rfrência o catodo ou o anodo do plasma. As duas montagns possívis são mostradas nas figuras 2 3. Figura 2: Montagm para obtnção da curva caractrística do plasma utilizando como rfrência o anodo. Figura 3: Montagm para obtnção da curva caractrística do plasma utilizando como rfrência o catodo. A curva mostrada na figura 1 utiliza como rfrência o catodo. Utilizando como rfrência o anodo a curva s mostra um pouco dslocada para a squrda. Est dslocamnto obsrvado pla mudança da rfrência ocorr porqu quando utilizamos como rfrência o anodo stamos aplicando um potncial mnor à sonda, m rlação ao qu é ncssário para obtrmos a curva utilizando como rfrência o catodo. Assim, para facilitar o dsnvolvimnto dsta psquisa, somnt o anodo foi utilizado como rfrência, pois dsta manira é ncssária uma font d amplitud mnor. Quando a tnsão d polarização da sonda é fortmnt ngativa m rlação ao plasma a corrnt srá somnt dvido a íons, mas quando a tnsão d polarização é positiva ocorr uma corrnt ltrônica. A scolha da bas d tmpo para a variação do potncial d polarização não pod sr muito lnta para vitar qu o plasma s modifiqu durant a mdida não pod sr muito rápida dvido aos fitos capacitivos da bainha qu distorcriam a caractrística da sonda ainda por o plasma rqurr um crto tmpo para s adaptar através da formação da bainha ao potncial qu aparc no su sio. S a bainha não tivr tmpo d s rajustar, as caractrísticas também sam falsadas. Assim, a forma d onda aplicada à sonda é do tipo dnt d srra ond é possívl varrr potnciais na faixa d tnsõs dsjadas assim lvantar a curva caractrística. Quando a sonda prmanc no plasma ocorr dposição d matrial na sonda o qu ocasiona uma curva caractrística falsa quando sta é lvantada. Assim, ants d lvantarmos a curva é

3 ncssário limparmos a sonda para rtirar as partículas dpositadas nla. Para isto, basta fazrmos um curto da sonda com o catodo ou o anodo do plasma grado assim bombardarmos a sonda com íons forçando a rtirada do matrial dpositado. Est procdimnto é rcomndado smpr qu smpr qu for lvantar a curva caractrística d um plasma, para garantirmos a intgridad da sonda utilizada. Quando introduzimos a sonda no plasma, dvido a grand quantidad d partículas no plasma a sonda é bombardada por íons létrons. Como sts têm uma mobilidad muito maior, ficam acumulados ao rdor da sonda. O acúmulo d carga ao rdor da sonda fará surgir um campo létrico qu atrai, aclrando os íons rplindo (dsaclrando) os létrons, atuando como uma barrira d potncial, pois até st momnto a sonda não stá polarizada. Quando o fluxo d rsultant d cargas sobr a sonda s anula, o potncial qu a sonda adquir é chamado d potncial flutuant 5 (V f ). Assim, quando aplicamos um potncial V s muito mnor qu V f à sonda, sta, polarizada ngativamnt m rlação ao plasma, faz surgir uma corrnt I s dvido a íons, formando a rgião C 1 mostrada na curva da figura 1. A mdida qu a tnsão na sonda aumnta, tornando-s mnos ngativa m rlação à V f, os létrons mais nrgéticos alcançam a sonda, vncndo a barrira d potncial, ond obtmos a rgião C 2 da figura 1. Quando o fluxo d íons o fluxo d létrons s igualam dvido ao aumnto d V s obtmos o ponto ond tmos o potncial qu chamamos flutuant. Aumntando ainda mais o valor d V s, obsrvamos qu a quantidad d létrons chgando na sonda obdc uma variação xponncial (rgião ntr V f V s da figura 1). Por fim, quando V s é aumntado d modo a passarmos V p, chgamos na rgião d saturação d létrons, a rgião A da figura 1, ond os létrons são atraídos os íons rplidos assim a corrnt, formada principalmnt por létrons, varia muito pouco com a tnsão. Para dtrminarmos os parâmtros macroscópicos do plasma partimos da quação da corrnt coltada através da sonda d Langmuir 2,6. Considrando a função d distribuição uma função maxwlliana, tmos qu com stas quaçõs podmos calcular o fluxo d létrons a corrnt coltada pla sonda. Obsrvamos qu o númro d létrons qu pod alcançar a sonda dpnd da difrnça d potncial xistnt ntr a sonda o plasma, assim, a corrnt d létrons na sonda é uma função d V=V s -V p. Dsta manira, podmos considrar inicialmnt uma sonda plana localizada no plano yz, d modo qu as partículas qu tnham vlocidad na dirção x ( v x ) podrão colidir com a sonda originando uma corrnt. Quando Vs é tal qu stamos na rgião A da figura 1, ou sja, todos os létrons qu s dirigm à sonda são coltados, a corrnt d létrons é chamada d corrnt d saturação. Assim, a corrnt d saturação d létrons é: 2 12 mv x + 2π kt 2kT s = 1 0 x x m kt I na dv v Assim 7, Is = na1 2π m Quando part dos létrons são rplidos (rgiõs B C da figura 1), a corrnt total é: 2 12 mv x + 2π kt 2kT s = is 1 v x x min m I I na dv v 12 V ( 2 mv ) min Como kt kt IV ( ) = Iis na1 2π m Assim, como nas rgiõs A B da figura 1, tmos I is << I, ntão: V kt s IV ( ) = I ond, A 1 é a ára total da sonda; n v α 2 12 = V, tmos: é a vlocidad da partícula α na dirção normal à suprfíci d colta; Tα é a tmpratura da partícula α; n é a dnsidad d partículas α; k é a constant d Boltzmann (k=1,38x10-23 J/K); =1,6x10-19 C m =9,11x10-31 kg; pois a partícula analisada é o létron. Aplicando o logaritmo npriano nos dois mmbros da quação, drivando m rlação à V, obtmos a sguint quação: ( ln ) d I = dv kt

4 Assim, s traçarmos um gráfico ond o ixo das ordnadas é ln(i) o ixo das abcissas é V, obtrmos uma rta (s a distribuição d létrons for maxwlliana) cujo coficint angular é igual a kt, a partir da qual obtmos a tmpratura d létrons2 (T ) m klvin. Outro parâmtro bastant kt utilizado para indicar a tmpratura d létrons é o m volts mas é comumnt dnotado por létron-volt. Para dtrminarmos a dnsidad d létrons, basta aplicar I s T na quação da corrnt d saturação d létrons. Assim, ncontramos: n I 2πm s = ou A1 kt n I s = A 1 2πm α ond α é o coficint angular qu dtrminou a tmpratura d létrons. O procsso d automação dst trabalho s rfr à utilização d um microcomputador qu através da sonda d Langmuir traça a curva caractrística do plasma, obtndo assim os parâmtros do plasma utilizado. O computador colta os dados, traça a curva ftua os cálculos, tornando o trabalho do psquisador mais ficint dvido aos rsultados imdiatos. O dsnvolvimnto dst método automatizado é o objtivo dst trabalho. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Para a caractrização do plasma através da sonda d Langmuir, foram utilizados um rator d procssamnto d matriais, um Mainfram MPS HP 66000A utilizando uma font d tnsão HP66106A acoplada, uma intrfac USB/GPIB Agilnt 82357A, um multímtro Digital programávl HP 34401A, um microcomputador Pntium II 266MHz utilizando o softwar Agilnt VEE Pro 6.0 uma sonda ltrostática simpls (d Langmuir) d comprimnto ativo 4mm diâmtro 0,2mm. Utilizando uma das fonts d tnsão do Mainfram controlada plo computador, foi possívl grar a forma d onda d dnt d srra aplicar à sonda. Como o sistma do computador é digital consqüntmnt discrto, ou sja, não-contínuo, a forma d onda grada é, na vrdad, uma sqüência d pontos qu formam uma onda dnt d srra. Assim, o sistma s aproxima do contínuo quanto mais aumntamos o númro d pontos da onda grada. Utilizando um multímtro digital obtmos a tnsão nos trminais do rsistor (Rs) conhcndo o valor do rsistor tmos a corrnt da sonda. O sistma qu foi montado é mostrado na figura 4. Figura 4: Sistma automatizado d caractrização com sonda d Langmuir. Assim, com o multímtro digital obtmos a corrnt na sonda os dados são nviados para o microcomputador através d uma intrfac GPIB,, assim, a curva caractrística da sonda d Langmuir é grada. Com a curva, utilizando as opraçõs matmáticas xpostas antriormnt, obtmos a tmpratura a dnsidad dos létrons imdiatamnt, msmo durant o xprimnto.

5 3. RESULTADOS O programa computacional dsnvolvido através do softwar Agilnt VEE Pro 6.0 é rsponsávl plo control da font d tnsão digital d modo a grar o sinal dnt d srra para a sonda d Langmuir. O programa também é rsponsávl pla aquisição d dados da corrnt létrica obtida plo multímtro digital, com sts dados é traçada a curva caractrística do plasma são dtrminados os parâmtros do msmo. O softwar Agilnt VEE Pro 6.0 utiliza uma linguagm gráfica d programação qu facilita a aquisição manipulação dos dados. O programa s aprsnta m quatro parts, calibração do sistma, aquisição d dados, visualização d curvas antriormnt salvas anális d curvas antriormnt salvas. Dv sr xcutado através do módulo RunTim do Agilnt VEE. A tla inicial do programa é mostrada na figura 5 a tla final do itm Adquirir Dados ond é obtida curva caractrística, a tmpratura a dnsidad d létrons é mostrada na figura 6. Figura 5: Tla inicial do programa computacional criado para controlar os quipamntos d modo a obtr a curva caractrística. Figura 6: Tla final do itm Adquirir Dados aprsntando a curva, a tmpratura a dnsidad d létrons. Após a conclusão do programa foram fitos divrsos tsts. Primiramnt, foi lvantada uma curva plo método convncional utilizando uma font um Plottr. Esta curva foi traçada com Vp=843V, Ip=5mA prssão p=6,9x10-2 Torr (vr figura 4). Slcionando alguns pontos para aplicar o oprador logarítmico obtmos as curvas mostradas nas figuras 7 8, ond tmos a part xponncial slcionada aplicada ao logaritmo rspctivamnt. Figura 7: Dados scolhidos da curva caractrística. Figura 8: Dados scolhidos mostrados na figura 7 aplicando o oprador logaritmo.

6 Pla curva mostrada na figura 8, obtivmos o coficint angular da rta (α) assim, a tmpratura d létrons. Como mostrado abaixo: KT 1 = = 15, 790V 0, α=0, , 6 10 T = = K 23 Kα 1, , Utilizando o sistma automatizado foi lvantada a curva mostrada na figura 9, cujos dados são mostrados na tabla 2. Esta curva foi traçada utilizando Vp=841V, Ip=8,5mA sobr uma prssão d p=7,2x10-2 Torr (vr figura 4). A figura 10 mostra a curva aplicada ao logaritmo no ixo das corrnts. Figura 9: Curva caractrística obtida com o sistma automatizado. Figura 10: Curva caractrística obtida com o sistma automatizado sobr um ixo logaritmico. Com sta curva foram fitos duas analiss para comprovar o funcionamnto do programa computacional dsnvolvido, uma plo método tradicional utilizando uma calculadora para fazr os cálculos outra plo programa dsnvolvido. Plo método tradicional, scolhndo os pontos cuja tnsão varia d 40 a 75V calculando o coficint angular da part slcionada ncontramos o valor da tmpratura d létrons; T=14,8V. Utilizando o programa computacional dsnvolvido nst projto obtivmos T=14,78V para a msma curva. Assim, obsrvamos qu comparando o método manual com o cálculo do programa computacional tmos um rro rlativo mnor qu 0,15% para os cálculos ralizados. Visto qu as tmpraturas d létrons das curvas mostradas nas figuras 7 9 são próximas, stas não podm sr comparadas, pois foram obtidas d plasmas difrnts grados com valors d tnsão, corrnt prssão difrnt. 4. CONCLUSÕES Com st trabalho foi possívl a obtnção da curva caractrística d um plasma através d um sistma automatizado d sonda d Langmuir. Um programa computacional foi criado instalado m um microcomputador intrligado a alguns quipamntos por uma rd GPIB d modo a fazr a anális dos dados obtidos imdiatamnt, msmo durant o xprimnto. Com sts dados, o msmo programa dtrmina os parâmtros macroscópicos do plasma como tmpratura dnsidad d létrons d forma bastant simpls, rápida, prática confiávl. Os dados obtidos alcançaram rros d aproximadamnt 0,15% comparados com os qu são obtidos na manira convncional d cálculo comprovando a ficiência do sistma montado.

7 AGRADECIMENTOS Os autors gostariam d agradcr a profa. Íria Vndram do PIBIC-ITA, a toda a quip do LPP-ITA à Prof ª Marisa Robrto do PIBIC-IEF-ITA. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 Chn F. F., Huddlston R. H. Lonard S. L., Plasma diagnostic tchniqu, 1965, Acadmic. 2 Massi M., Formação caractrização d plasma-duplo com gração do plasma-font por acoplamnto indutivo d RF, 1994, Ts d mstrado, ITA, São Paulo. 3 Hbrt M., Cylindrical Langmuir Prob Tchniqu in th Aftrglow of a Pulsd Low Prssur Inductivly Coupld Plasma, 2002, Advancd Plasma Tchnology, ME8361, Univrsity of Minnsota. 4 Marsca A., M. Mastr s Thsis, 2001, Univrsity of Minnsota. 5 Librman M. A. Lichtnbrg A. J., Principls of plasma dischargs and matrials procssing, 1994, John Wily & Sons. 6 Wong A. Y., Introduction to xprimntal plasma physics, 1977, Apostila publicada pla univrsidad da califórnia. 7 Chn F. F., Introduction to Plasma Physics and Controlld Fusion, 1984, 2ª d., Vol.1, Plnum, Nw York.