Диагностика плазмы представляет собой совокупность методов, приборов и экспериментальных методик, используемых для измерения свойств плазмы , таких как плотность компонентов плазмы , функция распределения по энергии ( температуре ), их пространственные профили и динамика, которые позволяют вывести параметры плазмы .
Зонд с шариковой ручкой — это новый метод, используемый для непосредственного измерения потенциала плазмы в замагниченной плазме. Зонд был изобретен Иржи Адамеком в Институте физики плазмы АН ЧР в 2004 году. [1] Зонд с шариковой ручкой уравновешивает ток насыщения электронов до той же величины, что и ток насыщения ионов. В этом случае его плавающий потенциал становится идентичным потенциалу плазмы. Эта цель достигается с помощью керамического экрана, который экранирует регулируемую часть электронного тока от коллектора зонда из-за гораздо меньшего гирорадиуса электронов. Температура электронов пропорциональна разнице потенциалов зонда с шариковой ручкой (потенциал плазмы) и зонда Ленгмюра (плавающий потенциал). Таким образом, температура электронов может быть получена напрямую с высоким временным разрешением без дополнительного источника питания .
Обычный цилиндр Фарадея применяется для измерения потоков ионов (или электронов) с границ плазмы и для масс-спектрометрии .
Измерения с помощью электрических зондов, называемых зондами Ленгмюра , являются старейшими и наиболее часто используемыми процедурами для низкотемпературной плазмы. Метод был разработан Ирвингом Ленгмюром и его коллегами в 1920-х годах и с тех пор был дополнительно развит с целью расширения его применимости к более общим условиям, чем те, которые предполагал Ленгмюр. Измерения зондом Ленгмюра основаны на оценке характеристик тока и напряжения цепи , состоящей из двух металлических электродов, которые оба погружены в исследуемую плазму. Представляют интерес два случая: (a) Площади поверхностей двух электродов различаются на несколько порядков. Это известно как метод одного зонда . (b) Площади поверхностей очень малы по сравнению с размерами сосуда, содержащего плазму, и приблизительно равны друг другу. Это метод двух зондов .
Традиционная теория зонда Ленгмюра предполагает бесстолкновительное движение носителей заряда в оболочке пространственного заряда вокруг зонда. Далее предполагается, что граница оболочки четко определена и что за этой границей плазма совершенно не возмущена присутствием зонда. Это означает, что электрическое поле, вызванное разницей между потенциалом зонда и потенциалом плазмы в месте расположения зонда, ограничено объемом внутри границы оболочки зонда.
Общее теоретическое описание измерения зондом Ленгмюра требует одновременного решения уравнения Пуассона , уравнения Больцмана без столкновений или уравнения Власова и уравнения непрерывности с учетом граничного условия на поверхности зонда и требует, чтобы на больших расстояниях от зонда решение приближалось к ожидаемому в невозмущенной плазме.
Если магнитное поле в плазме не является стационарным, либо потому, что плазма в целом является переходной, либо потому, что поля являются периодическими (радиочастотный нагрев), скорость изменения магнитного поля со временем ( читается как «B-точка») можно измерить локально с помощью петли или катушки провода. Такие катушки используют закон Фарадея , согласно которому изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле. [2] Индуцированное напряжение можно измерить и записать с помощью обычных приборов. Кроме того, по закону Ампера , магнитное поле пропорционально токам, которые его создают, поэтому измеренное магнитное поле дает информацию о токах, текущих в плазме. Как токи, так и магнитные поля важны для понимания фундаментальной физики плазмы.
Анализатор энергии — это зонд, используемый для измерения распределения энергии частиц в плазме. Заряженные частицы обычно разделяются по их скоростям от электрических и/или магнитных полей в анализаторе энергии, а затем дискриминируются, позволяя только частицам с выбранным диапазоном энергии достигать детектора.
Анализаторы энергии, которые используют электрическое поле в качестве дискриминатора, также известны как анализаторы задерживающего поля. [3] [4] Обычно они состоят из набора сеток, смещенных на разные потенциалы, чтобы создать электрическое поле для отталкивания частиц с энергией ниже желаемого значения от детектора. Анализаторы с цилиндрическим или коническим лицевым полем [5] могут быть более эффективными в таких измерениях.
Напротив, анализаторы энергии, которые используют магнитное поле в качестве дискриминатора, очень похожи на масс-спектрометры . Частицы движутся через магнитное поле в зонде и требуют определенной скорости, чтобы достичь детектора. Они были впервые разработаны в 1960-х годах [6] и, как правило, предназначены для измерения ионов. (Размер устройства составляет порядка гирорадиуса частицы , поскольку дискриминатор перехватывает путь вращающейся частицы.)
Энергию нейтральных частиц также можно измерить с помощью энергоанализатора, но сначала их необходимо ионизировать с помощью ионизатора электронного удара.
Протонная радиография использует протонный пучок из одного источника для взаимодействия с магнитным полем и/или электрическим полем в плазме, а профиль интенсивности пучка измеряется на экране после взаимодействия. Магнитные и электрические поля в плазме отклоняют траекторию пучка, и отклонение вызывает модуляцию в профиле интенсивности. Из профиля интенсивности можно измерить интегрированное магнитное поле и/или электрическое поле.
Нелинейные эффекты, такие как характеристика IV граничной оболочки, используются для измерений зонда Ленгмюра, но они обычно игнорируются при моделировании ВЧ-разрядов из-за их очень неудобной математической обработки. Спектроскопия самовозбуждающегося электронного плазменного резонанса (SEERS) использует именно эти нелинейные эффекты и известные резонансные эффекты в ВЧ-разрядах. Нелинейные элементы, в частности оболочки, обеспечивают гармоники в токе разряда и возбуждают плазму и оболочку на их последовательном резонансе, характеризуемом так называемой геометрической резонансной частотой.
SEERS обеспечивает пространственно и обратно усредненную плотность электронной плазмы и эффективную частоту столкновений электронов. Частота столкновений электронов отражает стохастический (давление) нагрев и омический нагрев электронов.
Модель для плазменного объема основана на модели 2d-жидкости (нулевой и первый моменты уравнения Больцмана) и полном наборе уравнений Максвелла , приводящих к уравнению Гельмгольца для магнитного поля. Модель оболочки основана дополнительно на уравнении Пуассона .
Пассивные спектроскопические методы просто наблюдают за излучением, испускаемым плазмой. Их можно собирать с помощью диагностики, например, фильтроскопа, который используется в различных токамаках . [7]
Если плазма (или один ионный компонент плазмы) течет в направлении луча зрения к наблюдателю, то линии излучения будут видны на другой частоте из-за эффекта Доплера .
Тепловое движение ионов приведет к смещению линий излучения вверх или вниз, в зависимости от того, движется ли ион к наблюдателю или от него. Величина смещения пропорциональна скорости вдоль линии зрения. Чистый эффект представляет собой характерное расширение спектральных линий, известное как доплеровское уширение , из которого можно определить температуру ионов. [8]
Расщепление некоторых линий излучения вследствие эффекта Штарка можно использовать для определения локального электрического поля.
Независимо от наличия макроскопических электрических полей, любой отдельный атом подвергается влиянию микроскопических электрических полей, вызванных соседними заряженными частицами плазмы. Это приводит к штарковскому уширению спектральных линий, которое может быть использовано для определения плотности плазмы. [9]
Яркость спектральных линий , излучаемых атомами в плазме, зависит от температуры и плотности плазмы.
Если используется достаточно полная модель столкновительного излучения, то температуру (и, в меньшей степени, плотность) плазмы часто можно определить, взяв соотношения интенсивностей излучения различных атомных спектральных линий. [10] [11]
Наличие магнитного поля расщепляет уровни атомной энергии из-за эффекта Зеемана . Это приводит к расширению или расщеплению спектральных линий. Анализ этих линий может, таким образом, дать напряженность магнитного поля в плазме.
Активные спектроскопические методы стимулируют атомы плазмы тем или иным образом и наблюдают результат (испускание излучения, поглощение стимулирующего света или др.).
Просвечивая плазму лазером с длиной волны, настроенной на определенный переход одного из видов, присутствующих в плазме, можно получить профиль поглощения этого перехода. Этот профиль предоставляет информацию не только о параметрах плазмы, которые можно получить из профиля излучения, но и о линейно-интегральной плотности числа поглощающих видов.
Пучок нейтральных атомов выстреливается в плазму. Некоторые атомы возбуждаются столкновениями внутри плазмы и испускают излучение. Это можно использовать для исследования флуктуаций плотности в турбулентной плазме.
В плазме с чрезвычайно высокой температурой, например, в экспериментах по магнитному синтезу, легкие элементы полностью ионизуются и не испускают линейное излучение. Однако, когда пучок нейтральных атомов выстреливается в плазму, происходит процесс, известный как перезарядка . Во время перезарядки электроны из нейтральных атомов пучка переносятся на высокоэнергетические ионы плазмы, что приводит к образованию водородных ионов. Эти вновь образованные ионы быстро испускают линейное излучение, которое впоследствии анализируется для получения информации о плазме, включая плотность ионов, температуру и скорость.
Одним из примеров этого является метод Fast-Ion Deuterium-Alpha (FIDA), используемый в токамаках. [12] [13] В этой технике обмен зарядами происходит между нейтральными атомами пучка и быстрыми ионами дейтерия , присутствующими в плазме. Этот метод использует существенный доплеровский сдвиг, проявляемый светом Бальмера-альфа , испускаемым энергичными атомами, для определения плотности быстрых ионов. [14]
Лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF) — это спектроскопический метод, используемый для исследования свойств плазмы путем наблюдения за флуоресценцией, испускаемой при стимуляции плазмы лазерным излучением. Этот метод позволяет измерять параметры плазмы, такие как поток ионов, температура ионов, напряженность магнитного поля и плотность плазмы. [15] Обычно для проведения этих измерений используются перестраиваемые лазеры на красителях . Пионерское применение LIF в физике плазмы произошло в 1975 году, когда исследователи использовали его для измерения функции распределения скоростей ионов в плазме аргона. [16] С тех пор были разработаны различные методы LIF, включая однофотонный метод LIF и двухфотонную абсорбционную лазерно-индуцированную флуоресценцию (TALIF). [17]
TALIF — это модификация метода лазерно-индуцированной флуоресценции. В этом подходе верхний энергетический уровень возбуждается посредством поглощения двух фотонов, и наблюдается последующая флуоресценция, возникающая в результате радиационного распада возбужденного уровня. TALIF способен обеспечить точные измерения абсолютных атомных плотностей основного состояния , таких как плотность водорода, кислорода и азота. Однако достижение такой точности требует соответствующих методов калибровки, которые могут быть достигнуты посредством титрования или более современного подхода, включающего сравнение с благородными газами. [18]
TALIF также дает представление о температуре частиц внутри плазмы, помимо атомных плотностей. Однако для этого требуется использование лазеров с высоким спектральным разрешением , чтобы отличить гауссовский вклад температурного уширения от естественного уширения профиля двухфотонного возбуждения и спектрального уширения самого лазера.
Фотоотрыв объединяет измерения зонда Ленгмюра с падающим лазерным лучом. Падающий лазерный луч оптимизируется пространственно, спектрально и по энергии импульса для отрыва электрона, связанного с отрицательным ионом. Измерения зонда Ленгмюра проводятся для измерения электронной плотности в двух ситуациях: одна без падающего лазера и одна с падающим лазером. Увеличение электронной плотности с падающим лазером дает плотность отрицательных ионов.
Если атом движется в магнитном поле, сила Лоренца будет действовать в противоположных направлениях на ядро и электроны, как это делает электрическое поле. В системе отсчета атома есть электрическое поле, даже если его нет в лабораторной системе. Следовательно, некоторые линии будут разделены эффектом Штарка . При соответствующем выборе вида пучка, скорости и геометрии этот эффект можно использовать для определения магнитного поля в плазме.
Оптическая диагностика выше измеряет линейное излучение от атомов. Альтернативно, эффекты свободных зарядов на электромагнитное излучение могут быть использованы в качестве диагностики.
В замагниченной плазме электроны будут вращаться вокруг линий магнитного поля и испускать циклотронное излучение . Частота излучения определяется условием циклотронного резонанса . В достаточно толстой и плотной плазме интенсивность излучения будет следовать закону Планка и зависеть только от температуры электронов.
Эффект Фарадея будет вращать плоскость поляризации пучка, проходящего через плазму с магнитным полем в направлении пучка. Этот эффект может быть использован в качестве диагностики магнитного поля, хотя информация смешивается с профилем плотности и обычно представляет собой только интегральное значение.
Если плазму поместить в одно плечо интерферометра , сдвиг фаз будет пропорционален плотности плазмы, интегрированной вдоль пути.
Рассеяние лазерного света электронами в плазме известно как томсоновское рассеяние . Температуру электронов можно определить очень надежно из доплеровского уширения лазерной линии. Плотность электронов можно определить из интенсивности рассеянного света, но требуется тщательная абсолютная калибровка. Хотя томсоновское рассеяние доминирует над рассеянием электронами, поскольку электроны взаимодействуют с ионами, в некоторых обстоятельствах можно также извлечь информацию о температуре ионов.
Термоядерная плазма с использованием DT-топлива производит альфа-частицы с энергией 3,5 МэВ и нейтроны с энергией 14,1 МэВ. Измеряя поток нейтронов, можно определить такие свойства плазмы, как температура ионов и мощность термоядерного синтеза.
