Magnetically confined cold plasma characterization using Langmuir probes and optical emission spectroscopy

The “Plasma State” is an aggregated arrangement of matter that is formed by both charged and neutral particles that composes an ionized gas. The charged particles founding the plasma are exemplified by a state of local quasi-neutrality and a long-range collective behavior. Plasma is at the core of different applications, with the most notable being thermonuclear fusion, deposition systems, space propulsion engines, and plasma particle accelerators. Most applications are based on a distinctive behavior of the plasma state such as plasma wall interaction, plasma sheath formations, and plasma confinement. Such behaviors need to be investigated and identified for the specific system utilized for an optimal implementation of the main characteristic. For that reason, diagnostic tools of multiple genres aid the qualitative and quantitative description of the plasma behavior. The aim of this work is primarily to use Langmuir probes for the description of Helium plasma generated in the Linear Plasma Device GyM. The focus of the investigation is mostly aimed at the electron number density and temperature distribution. Moreover, the data can be exploited for plasma simulation code verification and modelling applications to generate a predictive behavior tool. In parallel, qualitative identification of plasma composition was undertaken for the analysis of the Magnetron Sputtering Device situated at Politecnico Di Milano. After a preliminary diagnostic using Optical Emission Spectroscopy, the drawbacks of this system emerged and prompted the inclusion of a preliminary design step for a quantitative diagnostic tool in conjunction with the existing system. The expertise obtained working in GyM paved the way to design a Langmuir probe system for such application. Specifically, by exploiting both types of diagnostic systems, it would be possible to relate the properties of the plasma to the operational parameters of deposition. This, in turn, would allow to obtain preliminary information about the sputtering yield or the deposition rate, thus benefiting the experimental activity related to the film depositions.

Il Plasma è uno stato della materia composto da particelle sia cariche sia neutre che vanno formano un gas ionizzato. Le particelle cariche contenute nel plasma sono caratterizzate da uno stato locale di quasi-neutralità e da fenomeni collettivi a lungo raggio. Questo stato della materia è alla base di diverse applicazioni, tra cui le più note sono la fusione termonucleare, i sistemi di deposizione di film sottili, i motori per la propulsione spaziale e gli acceleratori di particelle al plasma. Molte di queste applicazioni sono basate su comportamenti caratteristici del plasma come la sua interazione con la materia, la formazione delle regioni di sheath o il suo confinamento. In particolare, questi comportamenti richiedono di essere identificati ed investigati tenendo conto dello specifico sistema utilizzato per la generazione del plasma. Per questo motivo, sistemi diagnostici di diverso tipo sono fondamentali per poter descrivere sia qualitativamente che quantitativamente il comportamento di un plasma. In primo luogo, lo scopo di questo lavoro è di caratterizzare, mediante l’utilizzo di sonde di Langmuir, il plasma di elio generato all’interno della Macchina Lineare GyM. Nello specifico, l’obiettivo è quello di approfondire le conoscenze circa la densità elettronica e la distribuzione di temperatura nel plasma. I risultati ottenuti, fornendo maggiori informazioni sulla fisica e la distribuzione del plasma di elio analizzato, possono risultare utili per la ricerca legata allo sviluppo di futuri reattori a fusione termonucleare. Inoltre, i dati sperimentali possono essere impiegati per la verifica di codici di simulazione e di modelli predittivi del comportamento del plasma. In parallelo con questa attività, il plasma generato in un Sistema di Deposizione Magnetron Sputtering, situato presso il Politecnico di Milano, è stato analizzato con l’obiettivo di identificarne qualitativamente la composizione. In seguito ad un’analisi iniziale mediante l’utilizzo di uno Spettrometro ad Emissione Ottica, i limiti di questo strumento sono emersi e hanno evidenziato la necessità di considerare il design preliminare di un sistema diagnostico di tipo quantitativo da accoppiare con quello già esistente. L’esperienza acquisita durante il lavoro sperimentale sulla Macchina Lineare GyM ha permesso di considerare la progettazione di una sonda di Langmuir per questo scopo. In particolare, sfruttando entrambi i tipi di sistemi diagnostici, sarebbe possibile mettere in relazione le proprietà del plasma con i parametri operativi di deposizione. Questo, a sua volta, permetterebbe di ottenere informazioni preliminari circa lo sputtering yield o il rateo di deposizione avvantaggiando, dunque, l’attività sperimentale relativa alla deposizione dei film.