Sonda s kuličkovým perem - Ball-pen probe

Sonda s kuličkovým perem použitá na tokamaku CASTOR v roce 2004. Sběrač z nerezové oceli se pohybuje uvnitř keramické stínící trubice (nitrid boritý).

Schematický obrázek jedné sondy s kuličkovým perem. Iony (červeně) mají velký gyromagnetický poloměr a mohou se k kolektoru dostat snadněji než elektrony (modře).

Kuličkové pero sonda je modifikovaný Langmuir sonda používá k měření plazmového potenciálu v zmagnetizované plazmy. Sonda s kuličkovým perem vyvažuje proudy nasycení elektronů a iontů, takže její plovoucí potenciál se rovná potenciálu plazmy. Protože elektrony mají mnohem menší gyroradius než ionty, lze k odstínění nastavitelné části elektronového proudu ze sběrače sondy použít pohyblivý keramický štít.

Sondy s kuličkovým perem se používají ve fyzice plazmatu, zejména v tokamakech jako CASTOR (Česká akademie věd Torus) ASDEX Upgrade , COMPASS , ISTTOK , MAST , TJ-K, RFX, H-1 Heliac , IR-T1, GOLEM as stejně jako nízkoteplotní zařízení jako DC válcový magnetron v Praze a lineární magnetizované plazmové zařízení v Nancy a Lublani .

Zásada

Pokud je do plazmy vložena Langmuirova sonda (elektroda) , její potenciál se nerovná potenciálu plazmy, protože se vytváří Debyeho plášť , ale místo toho plovoucímu potenciálu . Rozdíl s potenciálem plazmy je dán teplotou elektronu : ${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle V_ {fl}}$ ${\ displaystyle T_ {e}}$

${\ displaystyle \ Phi -V_ {fl} = \ alfa * T_ {e}}$

kde je koeficient dán poměrem proudové hustoty elektronů a iontů ( a ) a sběrných ploch pro elektrony a ionty ( a ): ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle j_ {e} ^ {sat}}$${\ displaystyle j_ {i} ^ {sat}}$${\ displaystyle A_ {e}}$${\ displaystyle A_ {i}}$

${\ displaystyle \ alpha = ln \ left ({\ frac {A_ {e} j_ {e} ^ {sat}} {A_ {i} j_ {i} ^ {sat}}} \ right) = ln (R) }$

Sonda s kuličkovým perem upravuje sběrné oblasti pro elektrony a ionty takovým způsobem, že poměr je roven jedné. V důsledku toho se plovoucí potenciál sondy s kuličkovým perem rovná plazmatickému potenciálu bez ohledu na teplotu elektronů : ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ alpha = 0}$

${\ displaystyle V_ {fl} = \ Phi}$

Návrh a kalibrace

Potenciál a ln (R) sondy kuličkového pera pro různé polohy kolektoru.

Sonda s kuličkovým perem se skládá z kuželovitě tvarovaného kolektoru (nemagnetická nerezová ocel , wolfram , měď , molybden ), který je stíněn izolační trubicí ( nitrid boritý , oxid hlinitý ). Kolektor je plně stíněný a celá hlavice sondy je umístěna kolmo na čáry magnetického pole .

Když kolektor sklouzne ve stínění, poměr se mění a lze jej nastavit na 1. Odpovídající retrakční délka silně závisí na hodnotě magnetického pole . Zatažení kolektoru by mělo být zhruba pod poloměrem Larmor iontu . Kalibraci správné polohy kolektoru lze provést dvěma různými způsoby: ${\ displaystyle R}$

1. Kolektor sondy s kuličkovým perem je předpjatý nízkofrekvenčním napětím, které poskytuje vlastnosti IV a získává saturační proud elektronů a iontů. Sběrač se poté zatáhne, dokud se IV charakteristiky nestanou symetrickými. V tomto případě je poměr blízký jednotě, i když ne přesně. Pokud je sonda zasunuta hlouběji, zůstávají charakteristiky IV symetrické. ${\ displaystyle R}$
2. Potenciál kolektoru sondy kuličkového pera je ponechán plovoucí a kolektor je zasunut, dokud se jeho potenciál nenasycuje. Výsledný potenciál je nad potenciálem sondy Langmuir.

Měření teploty elektronů

Pomocí dvou měření potenciálu plazmy se sondami, jejichž koeficient se liší, je možné získat teplotu elektronu pasivně (bez vstupního napětí nebo proudu). Použitím sondy Langmuir (se nezanedbatelnou) a sondy s kuličkovým bodem (jejíž sdružená hodnota je blízká nule) je teplota elektronu dána vztahem: ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle T_ {e} = {\ frac {\ Phi -V_ {fl}} {\ alpha}}}$

kde se měří sondou s kuličkovým perem, standardní Langmuirovou sondou a je dána geometrií Langmuirovy sondy , složením plazmatického plynu, magnetickým polem a dalšími vedlejšími faktory ( emise sekundárních elektronů , expanze pláště atd.) lze teoreticky vypočítat, jeho hodnota je asi 3 pro nemagnetizované vodíkové plazmy. ${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle V_ {fl}}$${\ displaystyle \ alpha}$

V praxi se poměr sondy kuličkového pera nerovná přesně jedné, takže koeficient musí být opraven empirickou hodnotou pro : ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle T_ {e} = {\ frac {\ Phi _ {BPP} -V_ {fl}} {\ bar {\ alpha}}},}$

kde ${\ displaystyle {\ bar {\ alpha}} = \ alpha -ln (R).}$

Reference

externí odkazy

• Disertační práce, Jiří Adamek (český a anglický jazyk)
• Přehled: Konstrukce sondy s kuličkovým perem, teorie a první výsledky na různých fúzních zařízeních .
• Zkoumání špiček plazmového proudu a obecná analýza výstřelů v režimu H v tokamaku COMPASS
• Měření elektrických sond na tokamaku COMPASS
• Měření sondy na tokamaku COMPASS
• Skenování iontově citlivé sondy pro měření plazmatického profilu na hranici tokamaku Alcator C-Mod
• Vývoj sond pro hodnocení transportu iontového tepla a tepelného toku pláště na hranici Alcator C-Mod Tokamak
• Video: Časová evoluce ELM typu I v oblasti divertoru na tokamaku COMPASS.
• Nový divertor Ball-pen a Langmuir sondy na tokamaku COMPASS.