Diagnostika plazmy - Plasma diagnostics

Plazmová diagnostika je soubor metod, nástrojů a experimentálních technik používaných k měření vlastností plazmatu , jako je hustota plazmatických složek , distribuční funkce přes energii ( teplotu ), jejich prostorové profily a dynamika, které umožňují odvodit parametry plazmy .

Metody invazivní sondy

Sonda s kuličkovým perem

Kuličkové pero sonda je nová technika použita pro měření přímo v plazmě potenciál v zmagnetizované plazmy. Sondu vynalezl Jiří Adámek z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v roce 2004. Sonda s kuličkovým perem vyvažuje proud nasycení elektronů na stejnou velikost, jakou má proud nasycení iontů. V tomto případě se jeho plovoucí potenciál stává totožným s potenciálem plazmy. Tohoto cíle je dosaženo keramickým štítem, který stíní nastavitelnou část elektronového proudu ze sběrače sondy díky mnohem menšímu gyroskopickému poloměru elektronů. Teplota elektronů je úměrná rozdílu potenciálu sondy s kuličkovým perem (plazmový potenciál) a Langmuirovy sondy (plovoucí potenciál). Teplotu elektronů lze tedy získat přímo s vysokým časovým rozlišením bez dalšího napájení .

Faradayův pohár

Konvenční Faradayův pohár se používá pro měření toků iontů (nebo elektronů) z hranic plazmy a pro hmotnostní spektrometrii .

Langmuirova sonda

Měření elektrickými sondami, nazývanými Langmuirovy sondy , jsou nejstaršími a nejčastěji používanými postupy pro nízkoteplotní plazmy. Metodu vyvinul Irving Langmuir a jeho spolupracovníci ve dvacátých letech minulého století a od té doby byla dále rozvíjena, aby se rozšířila její použitelnost na obecnější podmínky, než jaké předpokládal Langmuir. Měření Langmuir probe jsou založeny na odhadu proudu v závislosti napětí charakteristik obvodu se skládá ze dvou kovových elektrod, které jsou obě ponořeny v plazmě pod studie. Zajímavé jsou dva případy: (a) Povrchové plochy obou elektrod se liší o několik řádů. Toto je známé jako metoda jedné sondy . (b) Povrchové plochy jsou ve srovnání s rozměry nádoby obsahující plazmu velmi malé a navzájem přibližně stejné. Toto je metoda dvojité sondy .

Konvenční teorie Langmuirovy sondy předpokládá bezkolizní pohyb nosičů náboje v plášti vesmírného náboje kolem sondy. Dále se předpokládá, že hranice pláště je dobře definována a že za touto hranicí je plazma přítomností sondy zcela nerušena. To znamená, že elektrické pole způsobené rozdílem mezi potenciálem sondy a plazmatickým potenciálem v místě, kde je sonda umístěna, je omezeno na objem uvnitř hranice pláště sondy.

Obecný teoretický popis měření Langmuirovy sondy vyžaduje současné řešení Poissonovy rovnice , Boltzmannovy rovnice bez kolizí nebo Vlasovovy rovnice a rovnice kontinuity s ohledem na okrajové podmínky na povrchu sondy a vyžadující to ve velkých vzdálenostech od sonda, řešení se blíží tomu, co se očekávalo v nerušeném plazmatu.

Magnetická (B-dot) sonda

Pokud magnetické pole v plazmě není stacionární, buď proto, že je plazma jako celek přechodné, nebo proto, že jsou pole periodická (radiofrekvenční ohřev), rychlost změny magnetického pole s časem ( čtěte „B-tečka ") lze měřit lokálně smyčkou nebo cívkou drátu. Takové cívky využívají Faradayův zákon , přičemž měnící se magnetické pole indukuje elektrické pole. Indukované napětí lze měřit a zaznamenávat běžnými přístroji. Podle Ampérova zákona je magnetické pole úměrné proudům, které jej vytvářejí, takže naměřené magnetické pole poskytuje informace o proudech proudících v plazmě. Proudy i magnetická pole jsou důležité pro pochopení základní fyziky plazmatu.

Energetický analyzátor

Energetický analyzátor je sonda používaná k měření distribuce energie částic v plazmě. Nabité částice jsou typicky odděleny svými rychlostmi od elektrického a/nebo magnetického pole v energetickém analyzátoru a poté rozlišeny tak, že se k detektoru dostanou pouze částice se zvoleným energetickým rozsahem.

Analyzátory energie, které používají jako diskriminátor elektrické pole, jsou také známé jako analyzátory retardujícího pole. Obvykle se skládá ze sady mřížek předpnutých na různé potenciály k nastavení elektrického pole, které odpuzuje částice nižší než požadované množství energie pryč z detektoru.

Naproti tomu analyzátory energie, které využívají použití magnetického pole jako diskriminátoru, jsou velmi podobné hmotnostním spektrometrům . Částice procházejí magnetickým polem v sondě a k dosažení detektoru vyžadují specifickou rychlost. Ty byly poprvé vyvinuty v šedesátých letech minulého století a jsou obvykle stavěny pro měření iontů. (Velikost zařízení je v řádu gyroradius částice, protože diskriminátor zachycuje dráhu vířící částice.)

Energii neutrálních částic lze také měřit energetickým analyzátorem, ale nejprve musí být ionizovány ionizačním ionizátorem.

Protonová radiografie

Protonová radiografie používá k interakci s magnetickým polem a/nebo elektrickým polem v plazmě protonový paprsek z jednoho zdroje a po interakci se na obrazovce měří profil intenzity paprsku. Magnetická a elektrická pole v plazmě vychylují trajektorii paprsku a výchylka způsobuje modulaci v profilu intenzity. Z profilu intenzity lze měřit integrované magnetické pole a/nebo elektrické pole.

Selektivní elektronová plazmová rezonanční spektroskopie (SEERS)

Pro měření Langmuirovy sondy se používají nelineární efekty, jako je charakteristika IV hraničního pláště, ale pro modelování RF výbojů jsou obvykle opomíjeny kvůli jejich velmi nepohodlnému matematickému zpracování. Self Excited Electron Plasma Resonance Spectroscopy (SEERS) využívá přesně tyto nelineární efekty a známé rezonanční efekty ve vysokofrekvenčních výbojích. Nelineární prvky, zejména pláště, zajišťují harmonické ve vybíjecím proudu a budí plazmu a plášť při jejich sériové rezonanci charakterizované takzvanou geometrickou rezonanční frekvencí.

SEERS poskytuje prostorově a recipročně zprůměrovanou hustotu elektronového plazmatu a efektivní rychlost elektronové kolize. Rychlost kolize elektronů odráží stochastické (tlakové) zahřívání a ohmické zahřívání elektronů.

Model pro plazmatický objem je založen na 2d-fluidním modelu (momenty nulového a prvního řádu Boltzmannovy rovnice) a úplné sadě maxwellovských rovnic vedoucích k Helmholtzově rovnici pro magnetické pole. Model pláště je navíc založen na Poissonově rovnici .

Pasivní spektroskopie

Pasivní spektroskopické metody jednoduše pozorují záření vyzařované plazmatem.

Dopplerův posun

Pokud plazma (nebo jedna iontová složka plazmatu) proudí ve směru přímky pohledu na pozorovatele, budou emisní čáry v důsledku Dopplerova jevu vidět na jiné frekvenci .

Dopplerovo rozšíření

Tepelný pohyb iontů bude mít za následek posun emisních čar nahoru nebo dolů v závislosti na tom, zda se ion pohybuje směrem k pozorovateli nebo od něj. Velikost posunu je úměrná rychlosti podél přímky pohledu. Čistý efekt je charakteristické rozšíření spektrálních čar, známé jako Dopplerovo rozšíření , ze kterého lze určit teplotu iontů.

Stark efekt

Rozdělení některých emisních čar v důsledku Starkova jevu lze použít k určení místního elektrického pole.

Silné rozšíření

I když je makroskopické elektrické pole nulové, jakýkoli jednotlivý iont zažije elektrické pole díky sousedním nabitým částicím v plazmě. To má za následek rozšíření některých čar, které lze použít ke stanovení hustoty plazmy.

Poměry spektrálních čar

Jasnost atomové spektrální čáry emitované atomy a ionty v plynu (nebo plazmě) může záviset na teplotě a tlaku plynu.

Vzhledem k úplnosti a přesnosti moderních kolizních radiačních modelů lze teplotu a hustotu plazmatu měřit pomocí poměrů emisních intenzit různých atomových spektrálních čar.

Zeemanův efekt

Přítomnost magnetického pole rozděluje hladiny atomové energie díky Zeemanovu jevu . To vede k rozšíření nebo rozdělení spektrálních čar. Analýza těchto čar může proto poskytnout sílu magnetického pole v plazmatu.

Aktivní spektroskopie

Aktivní spektroskopické metody nějakým způsobem stimulují atomy plazmy a sledují výsledek (emise záření, absorpce stimulujícího světla nebo jiné).

Absorpční spektroskopie

Prozařováním plazmatu laserem s vlnovou délkou naladěným na určitý přechod jednoho z druhů přítomných v plazmě lze získat absorpční profil tohoto přechodu. Tento profil poskytuje informace nejen o parametrech plazmy, které by bylo možné získat z emisního profilu, ale také o liniové integrované hustotě absorbujících druhů.

Spektroskopie emisí paprsků

Paprsek neutrálních atomů je vypálen do plazmy. Některé atomy jsou excitovány srážkami v plazmě a vyzařují záření. Toho lze využít k měření fluktuací hustoty v turbulentním plazmatu.

Rekombinační spektroskopie s výměnou náboje

Ve velmi horkých plazmatech (jako v experimentech s magnetickou fúzí) jsou světelné prvky plně ionizované a nevyzařují liniové záření. Když je paprsek neutrálních atomů vypálen do plazmy, elektrony z atomů paprsku jsou přeneseny do horkých iontů plazmy, které tvoří vodíkové ionty, které okamžitě vyzařují liniové záření. Toto záření je analyzováno na hustotu iontů, teplotu a rychlost.

Laserem indukovaná fluorescence

Pokud není plazma plně ionizovaná, ale obsahuje ionty, které fluoreskují, laserem indukovaná fluorescence může poskytnout velmi podrobné informace o teplotě, hustotě a průtocích.

Fotodispozice

Fotodetachment kombinuje měření Langmuirovy sondy s dopadajícím laserovým paprskem. Dopadající laserový paprsek je optizován, prostorově, sprektálně a pulzní energií, aby se oddělil elektron vázaný na negativní ion. Měření Langmuirovy sondy se provádí za účelem měření hustoty elektronů ve dvou situacích, jedné bez dopadajícího laseru a jedné s dopadajícím laserem. Zvýšení hustoty elektronů dopadajícím laserem dává zápornou hustotu iontů.

Pohybový Starkův efekt

Pokud se atom pohybuje v magnetickém poli, bude Lorentzova síla působit na jádro a elektrony v opačných směrech, stejně jako elektrické pole. V rámci odkazu na atom, tam je elektrické pole, a to i v případě, že není nikdo v laboratoři rámu. V důsledku toho budou určité čáry rozděleny Starkovým efektem . Při vhodném výběru druhů paprsků, rychlosti a geometrie lze tento efekt použít ke stanovení magnetického pole v plazmatu.

Dvoufotonová absorpční laserem indukovaná fluorescence

Laserová fluorescence indukovaná dvěma fotony (TALIF) je modifikací laserem indukované fluorescenční techniky. Při tomto přístupu je horní úroveň buzena absorbováním dvou fotonů a je pozorována následná fluorescence způsobená radiačním rozpadem excitované hladiny. TALIF je schopen poskytnout míru absolutních atomových hustot základního stavu, jako je vodík, kyslík a dusík. To je však možné pouze s vhodnou kalibrací; to lze provést buď titrační metodou, nebo modernějším porovnáním s ušlechtilými plyny.

TALIF je schopen poskytnout informace nejen o atomových hustotách, ale také o teplotách druhů. To však vyžaduje lasery s vysokým spektrálním rozlišením k určení Gaussova příspěvku teplotního rozšíření proti přirozenému rozšíření profilu dvoufotonového buzení a spektrálního rozšíření samotného laseru.

Optické efekty z volných elektronů

Optická diagnostika výše měří liniové záření z atomů. Alternativně lze jako diagnostiku použít účinky volných nábojů na elektromagnetické záření.

Emise elektronového cyklotronu

V magnetizovaných plazmech budou elektrony kroužit kolem magnetických siločar a vyzařovat cyklotronové záření . Frekvence emise je dána podmínkou cyklotronové rezonance . V dostatečně hustém a hustém plazmatu se bude intenzita emise řídit Planckovým zákonem a závisí pouze na teplotě elektronu.

Faradayova rotace

Faradayův jev bude otáčet rovinu polarizace potkávacího světla pomocí plazmy s magnetickým polem ve směru paprsku. Tento efekt lze použít jako diagnostiku magnetického pole, i když jsou informace smíchány s profilem hustoty a obvykle představují pouze integrální hodnotu.

Interferometrie

Pokud je plazma umístěna do jednoho ramene interferometru , fázový posun bude úměrný hustotě plazmy integrované podél dráhy.

Thomsonův rozptyl

Rozptyl laserového světla z elektronů v plazmě je známý jako Thomsonův rozptyl . Teplotu elektronů lze velmi spolehlivě určit z Dopplerova rozšíření laserové čáry. Hustotu elektronů lze určit z intenzity rozptýleného světla, je však nutná pečlivá absolutní kalibrace. Přestože Thomsonovu rozptylu dominuje rozptyl z elektronů, protože elektrony interagují s ionty, za určitých okolností lze také extrahovat informace o teplotě iontů.

Diagnostika neutronů

Fúzní plazma využívající palivo DT produkuje 3,5 MeV alfa částice a 14,1 MeV neutronů. Měřením toku neutronů lze určit vlastnosti plazmy, jako je teplota iontů a fúzní výkon.

Viz také

Reference