An accurate, non-invasive ex situ diagnostic technique for analyzing plasma generated harmonics in radio frequency (RF) discharges is presented utilizing a broadband Dual Directional Coupler (DDC) that measures accurately both forward and reflected voltage signals in a transmission line. For usual applications such as monitoring forward and reflected power, the DDC is placed between the RF generator and the matching network (MN). However, the MN reflects all plasma generated harmonics back toward the plasma. Hence, no harmonics reach the generator side of the MN. Thus, for monitoring the harmonics, it is necessary to place the DDC between the impedance matching unit and the plasma, which was used for the first time in an asymmetric, parallel plate RF discharge at 13.56 MHz, 10 W-50 W at 200 mTorr (argon). The analysis of DDC data yields voltage, harmonic power contents, complex load impedance, plasma reflection coefficient, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), etc., for the fundamental frequency. For instance, at 10 W net input power, the computed plasma impedance is ZL = Rp + jXp, with Rp = 16.8 Ω and Xp = -81.9 Ω, yielding VSWR ≈11. Additionally, for 50 W input power, the third harmonic (72.31 mW) is dominant, followed by the second (8.28 mW) and fourth harmonics. In contrast, the literature states that the second harmonic is usually dominant, possibly due to the invasive nature of the diagnostics. Because harmonics are an important signature of processes taking place within the plasma, the proposed diagnostic can be effectively used for calibration and verification of theoretical models/simulations for resolving relevant physics issues.

中文翻译：

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一种新的非原位诊断技术，用于表征射频放电中的谐波

使用宽带双向耦合器 (DDC) 来分析射频 (RF) 放电中等离子体产生的谐波，提出了一种准确、非侵入性的非原位诊断技术，该技术可准确测量传输线中的正向和反射电压信号。对于监测正向和反射功率等常见应用，DDC 放置在射频发生器和匹配网络 (MN) 之间。然而，MN 将所有等离子体产生的谐波反射回等离子体。因此，没有谐波到达 MN 的发电机侧。因此，为了监测谐波，必须将 DDC 放置在阻抗匹配单元和等离子体之间，这是首次用于 13.56 MHz、10 W-50 W、200 mTorr 的非对称平行板 RF 放电（氩）。DDC 数据的分析产生电压，基频的谐波功率含量、复杂负载阻抗、等离子体反射系数、电压驻波比 (VSWR) 等。例如，在 10 W 净输入功率下，计算的等离子体阻抗为 ZL = Rp + jXp，其中 Rp = 16.8 Ω 和 Xp = -81.9 Ω，产生 VSWR ≈11。此外，对于 50 W 输入功率，三次谐波 (72.31 mW) 占主导地位，其次是二次 (8.28 mW) 和四次谐波。相比之下，文献指出二次谐波通常占主导地位，可能是由于诊断的侵入性。因为谐波是等离子体内发生的过程的重要特征，所提出的诊断可以有效地用于校准和验证理论模型/模拟以解决相关物理问题。基频的等离子体反射系数、电压驻波比 (VSWR) 等。例如，在 10 W 净输入功率下，计算的等离子体阻抗为 ZL = Rp + jXp，其中 Rp = 16.8 Ω 和 Xp = -81.9 Ω，产生 VSWR ≈11。此外，对于 50 W 输入功率，三次谐波 (72.31 mW) 占主导地位，其次是二次 (8.28 mW) 和四次谐波。相比之下，文献指出二次谐波通常占主导地位，可能是由于诊断的侵入性。由于谐波是等离子体内发生的过程的重要特征，所提出的诊断可有效地用于校准和验证理论模型/模拟以解决相关物理问题。基频的等离子体反射系数、电压驻波比 (VSWR) 等。例如，在 10 W 净输入功率下，计算的等离子体阻抗为 ZL = Rp + jXp，其中 Rp = 16.8 Ω 和 Xp = -81.9 Ω，产生 VSWR ≈11。此外，对于 50 W 输入功率，三次谐波 (72.31 mW) 占主导地位，其次是二次 (8.28 mW) 和四次谐波。相比之下，文献指出二次谐波通常占主导地位，可能是由于诊断的侵入性。由于谐波是等离子体内发生的过程的重要特征，所提出的诊断可有效地用于校准和验证理论模型/模拟以解决相关物理问题。例如，在 10 W 净输入功率下，计算的等离子体阻抗为 ZL = Rp + jXp，其中 Rp = 16.8 Ω 和 Xp = -81.9 Ω，产生 VSWR ≈11。此外，对于 50 W 输入功率，三次谐波 (72.31 mW) 占主导地位，其次是二次 (8.28 mW) 和四次谐波。相比之下，文献指出二次谐波通常占主导地位，可能是由于诊断的侵入性。由于谐波是等离子体内发生的过程的重要特征，所提出的诊断可有效地用于校准和验证理论模型/模拟以解决相关物理问题。例如，在 10 W 净输入功率下，计算的等离子体阻抗为 ZL = Rp + jXp，其中 Rp = 16.8 Ω 和 Xp = -81.9 Ω，产生 VSWR ≈11。此外，对于 50 W 输入功率，三次谐波 (72.31 mW) 占主导地位，其次是二次 (8.28 mW) 和四次谐波。相比之下，文献指出二次谐波通常占主导地位，可能是由于诊断的侵入性。因为谐波是等离子体内发生的过程的重要特征，所提出的诊断可以有效地用于校准和验证理论模型/模拟以解决相关物理问题。31 mW) 占主导地位，其次是二次 (8.28 mW) 和四次谐波。相比之下，文献指出二次谐波通常占主导地位，可能是由于诊断的侵入性。因为谐波是等离子体内发生的过程的重要特征，所提出的诊断可以有效地用于校准和验证理论模型/模拟以解决相关物理问题。31 mW) 占主导地位，其次是二次 (8.28 mW) 和四次谐波。相比之下，文献指出二次谐波通常占主导地位，可能是由于诊断的侵入性。由于谐波是等离子体内发生的过程的重要特征，所提出的诊断可有效地用于校准和验证理论模型/模拟以解决相关物理问题。