Ұлы Плазмалық Құрылғы: UCLA-дағы Плазма Физикасы Зерттеу Орталығы
Large Plasma Device
UCLA-дағы ірі плазмалық құрылғы (LAPD) – плазма физикасы зерттеулері үшін арналған ғылыми лаборатория. BaPSF ұлттық ғылыми базасы, энергия зерттеулері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Үлкен плазма құрылғысы (көбінесе LArge Plasma Device немесе LAPD деп стильдестіріледі) – UCLA-да орналасқан эксперименталды физикалық құрылғы. Ол плазма физикасының эксперименталды зерттеулері үшін көп мақсатты зертхана ретінде жобаланған. Құрылғы 1991 жылы жұмыс істеуге кірісті және 2001 жылы қазіргі нұсқасына жаңартылды. Қазіргі заманғы LAPD – АҚШ Энергетика министрлігінің, Фьюжн Энергия ғылымдары және Ұлттық ғылым қоры қолдауымен жұмыс істейтін, Негізгі плазмалық ғылым орталығының (немесе BaPSF) ұлттық бірлескен зерттеу орталығы үшін негізгі құрылғы болып табылады. Құрылғының жұмыс уақытының жартысы басқа мекемелер мен ұйымдардағы ғалымдарға жыл сайынғы өтініш арқылы уақытқа қатысу мүмкіндігімен беріледі.
The Large Plasma Device (often stylized as LArge Plasma Device or LAPD) is an experimental physics device located at UCLA. It is designed as a general purpose laboratory for experimental plasma physics research. The device began operation in 1991 and was upgraded in 2001 to its current version. The modern LAPD is operated as the primary device for a national collaborative research facility, the Basic Plasma Science Facility (or BaPSF), which is supported by the US Department of Energy, Fusion Energy Sciences and the National Science Foundation. Half of the operation time of the device is available to scientists at other institutions and facilities who can compete for time through a yearly solicitation.
Тарих
LAPD-нің алғашқы нұсқасы 1991 жылы Уолтер Гекельман басқаратын команда құрастырған 10 метрлік құрылғы болды. Құрылысы 3,5 жылға созылды және оны Теңіз зерттеулер басқармасы (ONR) қаржыландырды. 1999 жылы 20 метрлік нұсқаға маңызды жаңарту ONR және NSF Major Research Instrumentation сыйлығы арқылы қаржыландырылды. Бұл маңызды жаңарту аяқталғаннан кейін, 2001 жылы АҚШ Энергетика министрлігі мен Ұлттық ғылым қоры берген 4,8 миллион долларлық грант негізгі плазма ғылымы орталығын құруға және LAPD-нің осы ұлттық пайдаланушы орталығының бөлігі ретінде жұмыс істеуіне мүмкіндік берді. Геккелман 2016 жылға дейін орталық директоры болды, содан кейін Трой Картер BaPSF директоры болды.
The first version of the LAPD was a 10 meter long device constructed by a team led by Walter Gekelman in 1991. The construction took 3.5 years to complete and was funded by the Office of Naval Research (ONR). A major upgrade to a 20 meter version was funded by ONR and an NSF Major Research Instrumentation award in 1999. Following the completion of that major upgrade, the award of a $4.8 million grant by the US Department of Energy and the National Science Foundation in 2001 enabled the creation of the Basic Plasma Science Facility and the operation of the LAPD as part of this national user facility. Gekelman was director of the facility until 2016, when Troy Carter became BaPSF director.
Машинаның жалпы көрінісі
LAPD – бұл жоғары (1 Гц) қайталану жиілігінде жұмыс істейтін, Альфвен толқындарын қолдауға жеткілікті физикалық көлемдегі күшті магниттелген фонолық плазманы құрайтын сызықтық импульстік разряд құрылғысы. Плазма 20 метрлік ұзындығы және 1 метрлік диаметрі бар цилиндрлі вакуумдік камераның бір жағындағы барий оксиді (BaO) катоды мен аноды арасындағы разряд арқылы жасалады (сызба). Соның нәтижесінде пайда болатын плазмалық бағананың ұзындығы шамамен 16,5 метр, ал диаметрі 60 см. Камераны айналдыра орналасқан үлкен электромагниттердің тізбегі арқылы туындайтын фонолық магниттік өріс 400 гаусстан 2,5 килогауссқа дейін (40-250 мТ) өзгеруге мүмкіндік береді.
The LAPD is a linear pulsed discharge device operated at a high (1 Hz) repetition rate, producing a strongly magnetized background plasma which is physically large enough to support Alfvén waves. Plasma is produced from a barium oxide (BaO) cathode anode discharge at one end of a 20 meter long, 1 meter diameter cylindrical vacuum vessel (diagram). The resulting plasma column is roughly 16.5 meters long and 60 cm in diameter. The background magnetic field, produced by a series of large electromagnets surrounding the chamber, can be varied from 400 gauss to 2.5 kilogauss (40 to 250 mT).
Плазма көздері
LAPD-дегі плазманың негізгі көзі барий оксидімен (BaO) қапталған катодтан шығарылатын разряд арқылы туындайды, ол термоиондық эмиссия арқылы электрондарды шығарады. Катод LAPD-нің соңына жақын орналасқан және біркелкі түрде шамамен 900°C-қа дейін қыздырылатын жұқа никель табағынан жасалған. Ток тізбегі аз қашықтықта орналасқан молибден желілі анодпен жабылады. Типикалық разряд тогы 3-8 килоамперді, 60-90 вольтта, 4 Фарад сыйымдылық банктерімен қамтамасыз етілген арнайы жасалған транзисторлық коммутатормен қамтамасыз етіледі. Қажет болған жағдайда, қызып, тығыз плазманы жасау үшін 2010 жылы лантан гексаборидінен (LaB6) жасалған қосымша катод көзі әзірленді. Ол 20x20 см² ауданы құрайтын төрт шаршы плиткадан тұрады және LAPD-нің екінші жағында орналасқан. Контур сонымен қатар молибден желілі анодпен жабылады, оны машинаның ішінде төмен орналастыруға болады, және ол BaO катод көзін жабу үшін қолданылатын анодтан сәл кішірек. LaB6 катоды әдетте графит қыздырғышымен 1750°C-тан жоғары температураға дейін қыздырылады және 150 вольтта 2,2 килоамперлік разряд тогын тудырады. LAPD-дегі плазма әдетте 1 Гц жиілігімен импульстік түрде жасалады, ал фонындағы BaO көзі бір уақытта 10-20 миллисекундқа қосылады. Егер LaB6 көзі қолданылса, ол әдетте BaO катодымен бірге, бірақ әрбір разряд циклының соңына жақын қысқа мерзімге (шамамен 5-8 мс) разрядтанады. Оксидті катодты плазма көзін пайдалану, разряд үшін жақсы жобаланған транзисторлық коммутатормен бірге, кадрдан кадрға өте тұрақты плазма ортасын жасауға мүмкіндік береді. BaO плазма көзінің бір қызықты ерекшелігі – оның "Альфвен масері" ретінде әрекет ету қабілеті, ол үлкен амплитудалы, когерентті қисайған Альфвен толқындарының көзі болып табылады. Резонанстық қуыс жоғары шағылыстырылатын никель катодымен және жартылай өткізгіш желілі анодтан құралады. Көз LAPD-нің негізгі фонындағы магниттік өрісін тудыратын соленоидтың соңында орналасқандықтан, қуыстың ішінде магниттік өрістің градиенті болады. Қисайған толқындар иондық циклотрон жиілігінен жоғары таралмайтындықтан, оның практикалық әсері қоздырылатын режимдерге сүзгі ретінде әрекет етуі мүмкін. Мазерлік белсенділік магниттік өріс күші мен разряд тогының белгілі бір комбинацияларында спонтанды түрде пайда болады және практикалық тұрғыда машина пайдаланушысы оны қосуы (немесе болдырмауы) мүмкін.
The main source of plasma within the LAPD is produced via discharge from the barium oxide (BaO) coated cathode, which emits electrons via thermionic emission. The cathode is located near the end of the LAPD and is made from a thin nickel sheet, uniformly heated to roughly 900 °C. The circuit is closed by a molybdenum mesh anode a short distance away. Typical discharge currents are in the range of 3 8 kiloamperes at 60 90 volts, supplied by a custom designed transistor switch backed by a 4 farad capacitor bank. A secondary cathode source made of lanthanum hexaboride (LaB6) was developed in 2010 to provide a hotter and denser plasma when required. It consists of four square tiles joined to form a 20 20 cm2 area and is located at the other end of the LAPD. The circuit is also closed by a molybdenum mesh anode, which may be placed further down the machine, and is slightly smaller in size to the one used to close the BaO cathode source. The LaB6 cathode is typically heated to temperatures above 1750 °C by a graphite heater, and produces discharge currents of 2.2 kiloamperes at 150 volts. The plasma in the LAPD is usually pulsed at 1 Hz, with the background BaO source on for 10 20 milliseconds at a time. If the LaB6 source is being utilized, it typically discharges together BaO cathode, but for a shorter period of time (about 5–8 ms) nearing the end of each discharge cycle. The use of an oxide cathode plasma source, along with a well designed transistor switch for the discharge, allows for a plasma environment which is extremely reproducible shot to shot. One interesting aspect of the BaO plasma source is its ability to act as an "Alfvén Maser", a source of large amplitude, coherent shear Alfvén waves. The resonant cavity is formed by the highly reflective nickel cathode and the semitransparent grid anode. Since the source is located at the end of the solenoid which generates the main LAPD background field, there is a gradient in the magnetic field within the cavity. As shear waves do not propagate above the ion cyclotron frequency, the practical effect of this is to act as a filter on the modes which may be excited. Maser activity occurs spontaneously at certain combinations of magnetic field strength and discharge current, and in practice may be activated (or avoided) by the machine user.
Зондтар
Негізгі диагностикалық құрал – жылжымалы зонд. Электрондардың салыстырмалы түрде төмен температурасы зондты құрастыруды жеңілдетеді және экзотикалық материалдарды қолдану қажеттілігін жояды. Көптеген зондтар ұйымның ішінде жасалады және магниттік өріс зондтары, Лангмуир зондтары, Мах зондтары (ағынды өлшеу үшін), электр диполь зондтары және тағы да басқаларын қамтиды. Стандартты зонд дизайны сыртқы пайдаланушыларға қажет болған жағдайда өз диагностикалық құралдарын әкелуге мүмкіндік береді. Әрбір зонд жеке вакуумдық құлпы арқылы орнатылады, бұл құрылғы жұмыс істеп тұрғанда зондтарды қосуға және алып тастауға мүмкіндік береді. 1 Гц қайталау жиілігі және фондық плазманың жоғары тұрақтылығы зор деректер жиынтығын жылдам жинауға мүмкіндік береді. LAPD-дегі эксперимент әдетте секундына бір рет қайталанады, толық бақылау жиынтығын жинау үшін қажетті сағаттар немесе күндер бойы. Бұл, көптеген басқа құрылғыларда қолданылатын үлкен зондтық массивтерге қарағанда, аз ғана жылжымалы зондтарды пайдалана отырып эксперименттерді диагностикалауға мүмкіндік береді. Құрылғының барлық ұзындығы "сфералық буындармен" (LAPD қызметкері ойлап тапқан вакуумдық герметикалық бұрыштық жалғауыштар) жабдықталған, бұл зондтарды тік және көлденең бағытта орнатуға және айналдыруға мүмкіндік береді. Іс жүзінде, бұл компьютерлік басқарудағы моторлы зондтық жетектермен бірге қолданылады, осы арқылы кез келген қажетті зондты пайдалана отырып, фондық плазманың "жазықтықтарын" (тік қималарын) алуға болады. Алынатын деректер көлеміне (жазықтықтағы нүктелер санына) тек 1 Гц жиілігімен жазбаларды тіркеуге жұмсалатын уақыт шектеу қояды, сондықтан әртүрлі осьтік орналасулардағы көптеген жазықтықтардан тұратын үлкен көлемді деректер жиынтығын құрастыруға болады. Мұндай көлемдік өлшемдерден жасалған визуализацияларды LAPD галереясында көруге болады. Сфералық буындарды қоса алғанда, машинада барлығы 450 кіру порты бар, олардың кейбіреулерінде оптикалық немесе микротолқындық бақылау үшін терезелер орнатылған.
The main diagnostic is the movable probe. The relatively low electron temperature makes probe construction straightforward and does not require the use of exotic materials. Most probes are constructed in house within the facility and include magnetic field probes, Langmuir probes, Mach probes (to measure flow), electric dipole probes and many others. Standard probe design also allows external users to bring their own diagnostics with them, if they desire. Each probe is inserted through its own vacuum interlock, which allows probes to be added and removed while the device is in operation. A 1 Hz rep rate, coupled with the high reproducibility of the background plasma, allows the rapid collection of enormous datasets. An experiment on LAPD is typically designed to be repeated once per second, for as many hours or days as is necessary to assemble a complete set of observations. This makes it possible to diagnose experiments using a small number of movable probes, in contrast to the large probe arrays used in many other devices. The entire length of the device is fitted with "ball joints," vacuum tight angular couplings (invented by a LAPD staff member) which allow probes to be inserted and rotated, both vertically and horizontally. In practice, these are used in conjunction with computer controlled motorized probe drives to sample "planes" (vertical cross sections) of the background plasma with whatever probe is desired. Since the only limitation on the amount of data to be taken (number of points in the plane) is the amount of time spent recording shots at 1 Hz, it is possible to assemble large volumetric datasets consisting of many planes at different axial locations. Visualizations composed from such volumetric measurements can be seen at the LAPD gallery. Including the ball joints, there are a total of 450 access ports on the machine, some of which are fitted with windows for optical or microwave observation.
Басқа диагностика
LAPD-де зондтық өлшемдерді толықтыру үшін тағы да бірнеше диагностикалық құралдар қолжетімді. Оларға фотодиодтар, микротолқындық интерферометрлер, жоғары жылдамдықты камера (3 нс/кадр) және лазерлік люминесценция жатады.
A variety of other diagnostics are also available at the LAPD to complement probe measurements. These include photodiodes, microwave interferometers, a high speed camera (3 ns/frame) and laser induced fluorescence.