Langmuirprobeneilla

Langmuir-probeilla (Langmuir-probeina) ovat plasma-diagnostiikan välineitä, joiden avulla voidaan mitata plasman elektroninen tiheys, elektronilämpötila ja plasman potentiaali. Niitä käytetään sekä laboratorioplaseissa että avaruusplasmoissa, ja ne ovat keskeisiä monien pistemäisten plasmaprotokollien työkaluihin. Nimensä ne saivat Irving R. Langmuirilta, joka kehitti tämän menetelmän 1920-luvulla.

Periaate perustuu elektrodiin upotettuun, plasman varaukselle altistettuun johdeikoon ja sen biasattuun jännitteeseen. Kun elektrodia biasataan, virta I riippuu sekä elektronien että ionien virtauksista. Negatiivinen bias houkuttaa pääasiassa ioneja ja aiheuttaa ionisaturaatio-virran, kun taas suuri positiivinen bias kerää elektronivirtaa ja lähestyy elektronisaturaatioarvoa. Välitilassa, jossa bias on lähellä plazman potentiaalia, I-V-käyrä muuttuu jyrkästi ja siitä voidaan johtaa plasman parametreja. Elektrodin potentiaalin suoraan määrittäminen sekä sitoutuvan (floating) potentiaalin mittaus ovat tärkeitä sovelluksissa.

Tyypillisesti Langmuir-probeilla pyritään määrittämään elektroninen tiheys ne, elektronilämpötila Te sekä plazman potentiaali Vp. Näiden arvojen saamiseksi käytetään erilaista analyysia: yksittäinen Langmuir-probe, kaksois- tai kolmioprobetekniikka sekä eräät kalibrointimetodit, jotka hyödyntävät I-V-käyrän karakteristisia alueita. Menetelmät vaativat hyväksikäyttöä plazman olosuhteille, kuten epäideaaliset tilanteet ja hajaantuvat ensembles, sekä huomioita kuten säteily, RF-noise ja elektrodit.

Käyttökohteita ovat muun muassa perusplasmadiagnostiikka laboratoriossa, fuusiolaitteet, magnetoituneet plasmat sekä avaruusplasman mittaukset. Käytännön haasteita ovat elektrodi-ikkunoiden kalibrointi, pinnan puhtaus, elektrodiemissio sekä plazman paine- ja jännitteenvaihtelut, joiden vaikutukset on erikseen huomioitava tulkinnassa. Langmuir-probeja käytetään yhä laajasti arkipäivän tutkimuksessa sekä teoreettisten mallien tukena plasman käyttäytymisen ymmärtämisessä.