LASTNOSTI PLAZME V PILOTSKI RF PLAZEMSKI NAPRAVI
Nikola Jelič, Milan Čerček, Tomaž Gyergyek\ Miran Mozetič^ in Mladen Stanojevič
Institut "Jožef Stefan", Univerza v Ljubljani, Jamova 39, 61111 Ljubljana, Slovenija
^ Fakulteta za elektrotehniko in računalništvo, Univerza v Ljubljani, Tržaška 25, 61111 Ljubljana,
Slovenija
^Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 61111 Ljubljana, Slovenija
Plasma properties in a pilot RF plasma device Abstract
In the Plasma Physics Latporatory of the Jožel Stefan Institute in Ljubljana a construction o1 a plasma apparatus for the restauration and conservation of archeological artifacts by a tow pressure fiydrogen plasma was started in 1992. A pilot RF plasma device was built. So far some preliminary measurements in helium and hiydrogen plasma were performed. Results of those measurements are presented in this paper.
Povzetek
V laboratoriju za fiziko plazme na Institutu "Jožef Stefan" v Ljubljani smo v letu 1992 začeli Izdelovati plazemsko napravo, ki bo namenjena za konzervacijo in restavracijo arheoloSklfi Izkopanin z vodikovo plazmo. Zgradili smo pilotsko RF plazemsko napravo. Doslej smo v njej opravili nekaj preliminarnih meritev z vodikovo in helijevo plazmo, katerih rezultate predstavljamo v tem sestavku.
1 Uvod
Za redukcijo oksidov na arheoloških izkopaninah in njihovo konzervacijo se praviloma uporablja vodikovo plazmo, ki se ji lahko doda še druge pline. V laboratoriju za fiziko plazme na Institutu "Jožef Stefan" v Ljubljani smo začeli graditi plazemsko napravo, ki bi bila uporabna v ta namen. Zaenkrat smo postavili pilotsko napravo. Zaradi finančnih omejitev smo uporabili le opremo, ki smo jo že imeli v laboratoriju. V sestavku so opisane nekatere lastnosti plazme v tej napravi.
nato pa vanjo spustimo plin. Doslej smo največ uporabljali helij in vodik. Dotok plina lahko spreminjamo z igelnim ventilom in tako naslavljamo tlak od 0.04 do 1 mbar.
«I,V) iMn
Slika 1. Shema pilotske vakuumske naprave. Kuhinjski lonec je iz nerjavečega jekla. Vsi skozniki so speljani skozi spodnjo aluminijasto prirob-nico. Podane so tudi dimenzije posode v milimetrih.
2 Opis naprave
Za približno 50 litrsko vakuumsko posodo smo uporabili kar kuhinjski lonec iz nerjavečega jekia. Zaradi manjših stroškov je to pogost način konstrukcije laboratorijskih plazemskih naprav, zlasti v laboratorijih, kjer se ukvarjajo z osnovnimi raziskavami plazme (npr. /1/). Ta lonec je poveznjen na aluminijasto, 2 cm debelo prirobnico. Vsi skozniki so napeljani skozi to prirobnico. Izjema je le okence na loncu (slika 1). Posodo izčrpamo z oljno difuzijsko črpalko (Edwards 300 l/s) in rotacijsko črpalko (Pfeiffer DU012). Najnižji tlak, ki ga lahko dosežemo je 2x10"® mbar, samo z rotacijsko črpalko pa dosežemo 2x10'^ mbar. v opisanih poskusih plazmo vzbujamo pri nekoliko višjem tlaku (—1 mbar), zato uporabljamo samo rotacijsko črpalko. Posodo najprej izčrpamo do 1mbar,
Plazmo ustvarimo z induktivno RF razelektritvijo. V napravi je tuljava iz neizolirane bakrene žice. Tuljava ima 6 ovojev s premerom 13 cm ter razmik med sosednjima ovojema približno 2 cm. Tuljavo priključimo na RF generator z močjo 200 W in frekvenco 27 MHz.
3 Eksperimentalni rezultati
Plazemske parametre merimo s cilindrično l_angmuir-jevo sondo /4/. Nekaj primerov karakteristik v helijevi in vodikovi plazmi je prikazanih na sliki 2. Na karakteristiki je opazen visokofrekvenčni šum, ki ga povzroča radiofrekvenčni izvir plazme. Karakteristiko analiziramo z računalnikom. Visokofrekvenčni šum najprej odstranimo z računalniško proceduro, ki uporablja inverzno Fourierovo transformacijo Blackmanovega
Prispevek je bil predstavljen na 1. srečanju vakuumistov Slovenije In Hrvaške v Zagrebu.
O
-0.4 1-M -1.2 -1.6
(a)
p= Qi06(nbar p s 0.1 mbor {> = CL2 mbor p s 0.6 mbor
-20
O
20
40 60
O -0.1 'i-0.2
ev
"-0.3
-o.c
psOil'.mbor-P = a0ömbar-p = 0.i mbof-p = 0.4 mbof.
-20
20
<.0
60 Dp (V)
Slika 2. Nekaj primerov karakteristik cilindrične Langmuirjeve sonde v helijevi (a) in vodikovi (b) plazmi. Na karakteristiki opazimo visokofrekvenčni šum, ki ga pred kasnejšo otide-lavo odstranimo z digitalnim filtrom. Šum je predvsem posledica RF proizvodnje plazme.
okna /5/. Plazemski potencial nato določimo iz numeričnega odvoda poglajene karakteristike. Plazemski potencial Vs je pri tisti napetosti na sondi, pri kateri ima odvod karakteristike ekstrem. Na sliki 3 je prikazan primer takšnega odvoda. Ko enkrat poznamo plazemski potencial, odčitamo vrednost toka lo na sondo pri plazemskem potencialu in nato izračunamo gostoto plazme n po enačbi:
n -
Ic
■y/ -me
eoAp 8kTe
(1)
Pri tem je eo osnovni naboj, Ap površina sonde, kTe elektronska temperatura in me masa elektrona. Elektronsko temperaturo ugotovimo iz strmine premice, ki jo z metodo najmanjših kvadratov prilagajamo na prehodnem delu logaritmirane karakteristike /4/. Zgled je prikazan na sliki 4.
Na ta način smo izmerili gostoto plazme, plazemski potencial in elektronsko temperaturo v odvisnosti od tlaka plina za vodikovo in helijevo plazmo. Količina, ki nas najbolj zanima, je seveda gostota plazme. Ugotovimo, da je ta reda velikosti 10^* m'^.
-20
20
iO
60
IJp(V)
Slika 3. Zgled numeričnega odvoda poglajene karakteristike. Plazemski potencial Vs je pri napetosti. pri kateri ima odvod ekstrem.
Slika 4. Zgled logaritmirane poglajene karakteristike. Elektronska temperatura je obratno sorazmerna s strmino premice, ki jo prilagajamo z metodo najmanjših kvadratov prehodnemu delu karakteristike.
4	Sklep
5	cilindrično Langmuirjevo sondo smo izmerili nekaj plazemskih parametrov v pilotski RF plazemski napravi. Diagnostika RF plazem je sicer področje, ki se prav v tem trenutku zelo hitro razvija (npr. /6/). Osnovni problem je odstraniti vpliv modulacije potencialne razlike med plazmo in sondo. Ta problem poskušajo rešiti na različne načine. Eden od teh je opisan v /6/. Ker imamo razmeroma šibak RF gene-
rator (200 W), se je pokazalo, da je karakteristiko Langmuirjeve sonde še vedno mogoče analizirati na običajen način /4/, če šum, ki ga povzroča RF izvir, poprej odstranimo z digitalnim filtrom. To potrjujejo tudi smiselne vrednosti izmerjenih plazemskih parametrov,
Na žalost pa je gostota plazme, ki jo dobimo v pilotski napravi, mnogo premajhna za naš osnovni namen, to je redukcija oksidov na arheoloških vzorcih. Za odstranjevanje kisika, klora In žvepla s kovinskih površin je najprimernejši atomarni vodik. Zaradi šibkega RF generatorja pa je stopnja disociacije vodika v naši napravi zelo nizka. Stopnjo disociacije merimo s katalitično sondo /7/. V naši plazmi pa te sonde tudi po več urah nismo uspeli aktivirati. V opisih RF plazemskih naprav, v katerih konservirajo arheološke najdbe /2,3/, nismo zasledili, da bi kje navajali kakšne izmerjene plazemske parametre. Vzrok za to je lahko tudi v tem, da za proizvodnjo plazme uporabljajo RF generatorje, katerih moč za red velikosti presega moč našega generatorja in so zaradi tega motnje tako velike, da nI več mogoča diagnostika s tako preprosto metodo, kot smo jo uporabili mi.
5 Literatura
/1/ K. N. Leung, N. Hershkowitz and K. R. McKenzie, Phys. Fluids.. 19, (1976), 1045-1053
121 J. Palscheider and S. Veprek, Sludies in conservation, 31, (1936), 29-37
/3/ S. Veprek, J. Elmer, C. Eckmann and M. Jurčik, Journal of Electrochemical Society, 134, (1987), 2398-2405
/4/ F. F. Chen in Plasma Diagnostic Techniques, ed. by R. H. Huddiestone and S, L. Leonard, Academic Press, New York, (1965), 113-200
/5/ M. H. Ackroyd, Digital Filters, Computers in Medicine Series, London Butter worths Publishers
/6/ G. Neumann, U. Bänziger, M. Kammeyer and M. Lange, Rev. Sei. Instrum., 64, (1993), 19-25
/7/ F, Brecelj, M. Mozetič, K. Zupan and M. Drobnič, Vacuum, 44 (1993) 459
Stika 6. Odvisnost gostote plazme (a), eiektronske temperature (b) in plazemskega potenciala (c) od tlaka plina za vodikovo in helijevo plazmo.