Diagnostyka plazmy - Plasma diagnostics

Diagnostyka plazmy to zbiór metod, przyrządów i technik eksperymentalnych stosowanych do pomiaru właściwości plazmy , takich jak gęstość składników plazmy , funkcja rozkładu w funkcji energii ( temperatura ), ich profile przestrzenne i dynamika, które pozwalają na wyznaczenie parametrów plazmy .

Inwazyjne metody sondowania

Sonda długopisowa

Sonda długopis jest nowa technika stosowana do bezpośredniego pomiaru do potencjału w osoczu w namagnesowane osocza. Sonda została wynaleziona przez Jiříego Adámka w Instytucie Fizyki Plazmy AS CR w 2004 roku. Sonda długopisowa równoważy prąd nasycenia elektronów do tej samej wielkości, co prąd nasycenia jonów. W tym przypadku jego pływający potencjał staje się identyczny z potencjałem plazmy. Cel ten osiąga się dzięki ceramicznej osłonie, która ze względu na znacznie mniejszy promień żyroskopowy elektronów odcina regulowaną część prądu elektronowego z kolektora sondy. Temperatura elektronów jest proporcjonalna do różnicy potencjału sondy długopisowej (potencjał plazmy) i sondy Langmuira (potencjał pływający). W ten sposób temperaturę elektronów można uzyskać bezpośrednio z wysoką rozdzielczością czasową bez dodatkowego zasilania .

Puchar Faradaya

Konwencjonalny kubek Faradaya jest stosowany do pomiarów przepływów jonów (lub elektronów) z granic plazmy oraz do spektrometrii mas .

Sonda Langmuira

Pomiary sondami elektrycznymi, zwanymi sondami Langmuira , to najstarsze i najczęściej stosowane procedury dla plazmy niskotemperaturowej. Metoda została opracowana przez Irvinga Langmuira i jego współpracowników w latach dwudziestych XX wieku i od tego czasu była dalej rozwijana w celu rozszerzenia jej zastosowania na warunki bardziej ogólne niż te, które zakładał Langmuir. Pomiary sondy Langmuira oparte są na estymacji prądu w funkcji napięcia charakterystyki układu składającego się z dwóch metalowych elektrod, które są zarówno zanurzony w osoczu badanego. Interesujące są dwa przypadki: (a) Pola powierzchni dwóch elektrod różnią się o kilka rzędów wielkości. Jest to znane jako metoda jednosondowa . (b) Obszary powierzchni są bardzo małe w porównaniu z wymiarami naczynia zawierającego plazmę i są w przybliżeniu równe sobie. To jest metoda podwójnej sondy .

Konwencjonalna teoria sondy Langmuira zakłada bezkolizyjny ruch nośników ładunku w kosmicznej osłonie ładunku wokół sondy. Ponadto zakłada się, że granica osłonki jest dobrze określona i poza tą granicą plazma nie jest całkowicie zakłócona obecnością sondy. Oznacza to, że pole elektryczne wywołane różnicą pomiędzy potencjałem sondy a potencjałem plazmy w miejscu, w którym znajduje się sonda jest ograniczone do objętości wewnątrz granicy osłony sondy.

Ogólny opis teoretyczny pomiaru sondą Langmuira wymaga jednoczesnego rozwiązania równania Poissona , bezkolizyjnego równania Boltzmanna lub równania Własowa , oraz równania ciągłości w odniesieniu do warunku brzegowego na powierzchni sondy i wymaga tego, przy dużych odległościach od sonda, rozwiązanie zbliża się do oczekiwanego w niezakłóconej plazmie.

Sonda magnetyczna (punkt B)

Jeśli pole magnetyczne w plazmie nie jest nieruchome, ponieważ plazma jako całość jest nieustalona lub pola są okresowe (nagrzewanie falami radiowymi), szybkość zmian pola magnetycznego w czasie ( , czytaj "B-kropka ") można mierzyć lokalnie za pomocą pętli lub zwoju drutu. Cewki takie wykorzystują prawo Faradaya , zgodnie z którym zmieniające się pole magnetyczne indukuje pole elektryczne. Indukowane napięcie może być mierzone i rejestrowane za pomocą typowych przyrządów. Ponadto, zgodnie z prawem Ampere'a , pole magnetyczne jest proporcjonalne do prądów, które je wytwarzają, więc zmierzone pole magnetyczne dostarcza informacji o prądach płynących w plazmie. Zarówno prądy, jak i pola magnetyczne są ważne dla zrozumienia fundamentalnej fizyki plazmy. ${\ Displaystyle {\ kropka {B}}}$

Analizator energii

Analizator energii to sonda służąca do pomiaru rozkładu energii cząstek w plazmie. Naładowane cząstki są zazwyczaj oddzielane na podstawie ich prędkości od pól elektrycznych i/lub magnetycznych w analizatorze energii, a następnie dyskryminowane przez dopuszczenie do detektora tylko cząstek o wybranym zakresie energii.

Analizatory energii, które wykorzystują pole elektryczne jako dyskryminator, są również znane jako analizatory pola opóźniającego. Zwykle składa się z zestawu siatek o różnym potencjale, aby ustawić pole elektryczne odpychające cząstki o mniejszej niż pożądana ilości energii z dala od detektora.

Natomiast analizatory energii, które wykorzystują pole magnetyczne jako dyskryminator, są bardzo podobne do spektrometrów mas . Cząsteczki przechodzą przez pole magnetyczne w sondzie i wymagają określonej prędkości, aby dotrzeć do detektora. Zostały one po raz pierwszy opracowane w latach 60. XX wieku i są zwykle budowane do pomiaru jonów. (Rozmiar urządzenia jest zgodny z promieniem żyroskopowym cząstki, ponieważ dyskryminator przecina drogę wirującej cząstki.)

Energię cząstek obojętnych można również zmierzyć za pomocą analizatora energii, ale najpierw trzeba je zjonizować za pomocą jonizatora elektronowego.

Radiografia protonowa

Radiografia protonów wykorzystuje wiązkę protonów z jednego źródła do interakcji z polem magnetycznym i/lub polem elektrycznym w plazmie, a profil natężenia wiązki mierzy się na ekranie po interakcji. Pola magnetyczne i elektryczne w plazmie odchylają trajektorię wiązki, a ugięcie powoduje modulację profilu natężenia. Z profilu natężenia można zmierzyć zintegrowane pole magnetyczne i/lub pole elektryczne.

Spektroskopia rezonansu plazmy elektronowej samowzbudnej (SEERS)

Efekty nieliniowe, takie jak charakterystyka IV powłoki granicznej, są wykorzystywane do pomiarów sondą Langmuira, ale zwykle są pomijane w modelowaniu wyładowań RF ze względu na ich bardzo niewygodną obróbkę matematyczną. Spektroskopia rezonansu plazmy samowzbudnej (SEERS) wykorzystuje dokładnie te nieliniowe efekty i znane efekty rezonansowe w wyładowaniach RF. Elementy nieliniowe, w szczególności osłony, zapewniają harmoniczne w prądzie wyładowania i wzbudzają plazmę i osłonę w ich szeregowym rezonansie charakteryzującym się tak zwaną geometryczną częstotliwością rezonansową.

SEERS zapewnia przestrzennie i wzajemnie uśrednioną gęstość plazmy elektronowej oraz efektywny współczynnik zderzeń elektronów. Szybkość zderzeń elektronów odzwierciedla ogrzewanie stochastyczne (ciśnienie) i ogrzewanie omowe elektronów.

Model do objętości osocza podstawie 2d płynu modelu (zerowego i pierwszego rzędu momentów równania Boltzmanna) i pełnym zestawem Maxwellian równań prowadzących do równania Helmholtza dla pola magnetycznego. Model płaszcza jest dodatkowo oparty na równaniu Poissona .

Spektroskopia pasywna

Pasywne metody spektroskopowe po prostu obserwują promieniowanie emitowane przez plazmę.

przesunięcie Dopplera

Jeśli plazma (lub jeden jonowy składnik plazmy) płynie w kierunku linii widzenia obserwatora, linie emisyjne będą widoczne z inną częstotliwością ze względu na efekt Dopplera .

Poszerzenie dopplerowskie

Ruch termiczny jonów spowoduje przesunięcie linii emisji w górę lub w dół, w zależności od tego, czy jon porusza się w kierunku obserwatora, czy od niego. Wielkość przesunięcia jest proporcjonalna do prędkości wzdłuż linii wzroku. Efektem netto jest charakterystyczne poszerzenie linii widmowych, znane jako poszerzenie Dopplera , z którego można określić temperaturę jonów.

Efekt Starka

Rozszczepienie niektórych linii emisyjnych w wyniku efektu Starka można wykorzystać do określenia lokalnego pola elektrycznego.

Stark poszerzanie

Nawet jeśli makroskopowe pole elektryczne wynosi zero, każdy pojedynczy jon doświadczy pola elektrycznego z powodu sąsiednich naładowanych cząstek w plazmie. Powoduje to poszerzenie niektórych linii, które można wykorzystać do określenia gęstości plazmy.

Stosunki linii widmowych

Jasność atomowej linii widmowej emitowanej przez atomy i jony w gazie (lub plazmie) może zależeć od temperatury i ciśnienia gazu.

Ze względu na kompletność i dokładność nowoczesnych kolizji modeli promieniowania, temperaturę i gęstość plazmy można mierzyć, biorąc stosunki natężeń emisji różnych atomowych linii widmowych.

Efekt Zeemana

Obecność pola magnetycznego rozdziela poziomy energii atomowej w wyniku efektu Zeemana . Prowadzi to do poszerzenia lub rozszczepienia linii widmowych. Analizując te linie można zatem uzyskać natężenie pola magnetycznego w plazmie.

Spektroskopia aktywna

Aktywne metody spektroskopowe stymulują w pewien sposób atomy plazmy i obserwują efekt (emisja promieniowania, pochłanianie stymulującego światła lub inne).

Spektroskopia absorpcyjna

Oświetlając plazmę laserem o długości fali dostrojonej do pewnego przejścia jednego z gatunków obecnych w plazmie, można było uzyskać profil absorpcji tego przejścia. Profil ten dostarcza informacji nie tylko o parametrach plazmy, które można uzyskać z profilu emisji, ale także o całkowanej liniowo gęstości liczbowej cząstek absorbujących.

Spektroskopia emisyjna wiązki

Wiązka neutralnych atomów zostaje wystrzelona w plazmę. Niektóre atomy są wzbudzane przez zderzenia w plazmie i emitują promieniowanie. Można to wykorzystać do sondowania fluktuacji gęstości w turbulentnej plazmie.

Spektroskopia rekombinacji wymiany ładunku

W bardzo gorącej plazmie (jak w eksperymentach z fuzją magnetyczną) lekkie pierwiastki są w pełni zjonizowane i nie emitują promieniowania liniowego. Kiedy wiązka neutralnych atomów zostaje wystrzelona do plazmy, elektrony z atomów wiązki są przenoszone na jony gorącej plazmy, które tworzą jony wodorowe, które natychmiast emitują promieniowanie liniowe. To promieniowanie jest analizowane pod kątem gęstości jonów, temperatury i prędkości.

Fluorescencja indukowana laserem

Jeśli plazma nie jest w pełni zjonizowana, ale zawiera jony, które fluoryzują, fluorescencja indukowana laserem może dostarczyć bardzo szczegółowych informacji na temat temperatury, gęstości i przepływów.

Fotooderwanie

Fotooddzielanie łączy pomiary sondą Langmuira z padającą wiązką laserową. Padająca wiązka lasera jest zoptymalizowana przestrzennie, spektralnie i energia impulsu, aby oderwać elektron związany z jonem ujemnym. Pomiary sondą Langmuira są prowadzone w celu pomiaru gęstości elektronowej w dwóch sytuacjach, jednej bez lasera padającego i jednej z laserem padającym. Wzrost gęstości elektronowej za pomocą padającego lasera daje gęstość jonów ujemnych.

Ruchomy efekt Starka

Jeśli atom porusza się w polu magnetycznym, siła Lorentza będzie działać w przeciwnych kierunkach na jądro i elektrony, tak jak działa pole elektryczne. W ramce odniesienia atomu nie jest pole elektryczne, nawet jeśli nie ma żadnego w laboratoryjnym. W konsekwencji niektóre linie zostaną podzielone przez efekt Starka . Przy odpowiednim doborze rodzaju i prędkości wiązki oraz geometrii, efekt ten może być wykorzystany do określenia pola magnetycznego w plazmie.

Fluorescencja indukowana laserem absorpcji dwufotonowej

Dwufotonowa fluorescencja indukowana laserem (TALIF) jest modyfikacją techniki fluorescencji indukowanej laserem. W tym podejściu górny poziom jest wzbudzany przez pochłonięcie dwóch fotonów i obserwuje się późniejszą fluorescencję wywołaną radiacyjnym zanikiem poziomu wzbudzonego. TALIF jest w stanie podać miarę bezwzględnych gęstości atomowych w stanie podstawowym, takich jak wodór, tlen i azot. Jest to jednak możliwe tylko przy odpowiedniej kalibracji; można to zrobić albo metodą miareczkowania, albo nowocześniejszym porównaniem z gazami szlachetnymi.

TALIF jest w stanie podać informacje nie tylko o gęstości atomowej, ale także o temperaturach gatunków. Wymaga to jednak laserów o wysokiej rozdzielczości spektralnej, aby określić wkład Gaussa poszerzenia temperatury w stosunku do naturalnego poszerzenia profilu wzbudzenia dwufotonowego i poszerzenia spektralnego samego lasera.

Efekty optyczne od swobodnych elektronów

Powyższa diagnostyka optyczna mierzy promieniowanie liniowe od atomów. Alternatywnie, wpływ bezpłatnych ładunków na promieniowanie elektromagnetyczne można wykorzystać jako diagnostykę.

Emisja cyklotronu elektronowego

W namagnesowanej plazmie elektrony będą wirować wokół linii pola magnetycznego i emitować promieniowanie cyklotronowe . Częstotliwość emisji jest określona przez warunek rezonansu cyklotronu . W wystarczająco grubej i gęstej plazmie intensywność emisji będzie zgodna z prawem Plancka i zależeć będzie tylko od temperatury elektronu.

Rotacja Faradaya

Efekt Faradaya obróci płaszczyznę polaryzacji wiązki przechodzącej przez plazmę z polem magnetycznym w kierunku wiązki. Efekt ten może być wykorzystany jako diagnostyka pola magnetycznego, chociaż informacja jest zmieszana z profilem gęstości i zwykle jest tylko wartością całkowitą.

Interferometria

Jeśli plazma zostanie umieszczona w jednym ramieniu interferometru , przesunięcie fazowe będzie proporcjonalne do gęstości plazmy zintegrowanej wzdłuż ścieżki.

Rozpraszanie Thomsona

Rozpraszanie światła laserowego elektronów w plazmie znane jest jako rozpraszanie Thomsona . Temperaturę elektronów można bardzo wiarygodnie określić na podstawie poszerzenia Dopplera linii lasera. Gęstość elektronową można określić na podstawie natężenia rozproszonego światła, ale wymagana jest ostrożna kalibracja bezwzględna. Chociaż rozpraszanie Thomsona jest zdominowane przez rozpraszanie od elektronów, ponieważ elektrony oddziałują z jonami, w pewnych okolicznościach można również uzyskać informacje o temperaturze jonów.

Diagnostyka neutronowa

Plazmy termojądrowe wykorzystujące paliwo DT wytwarzają cząstki alfa o energii 3,5 MeV i neutrony o energii 14,1 MeV. Mierząc strumień neutronów, można określić właściwości plazmy, takie jak temperatura jonów i moc syntezy jądrowej.

Zobacz też

• Deflektometria laserowa schlieren

Bibliografia

• Hutchinson, IH (2005). Zasady diagnostyki osocza . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge . Numer ISBN 978-0521675741.
• Żukow, MF; Owsiannikow, AA (2000). Diagnostyka plazmy . Cambridge Wydawnictwo Naukowe. Numer ISBN 9781898326236.
• Szunko, EV (2009). Sonda Langmuira w teorii i praktyce . Wydawcy uniwersalni. Numer ISBN 9781599429359.