Кіріспе
Плазма диагностикасы – плазманың тығыздығы, энергия бойынша (температура) таралу функциясы, кеңістіктік профильдері және динамикасы сияқты қасиеттерін өлшеуге арналған әдістер, құралдар және тәжірибелік техникалар жиынтығы, олар плазма параметрлерін анықтауға мүмкіндік береді.
Шақпен жазылған зонд
Шақ пент зонды – магниттелген плазмадағы плазма потенциалын тікелей өлшеуге арналған жаңа техника. Зондты 2004 жылы АС КР Плазма физикасы институтында Жири Адамек ойлап тапты. Шақ пент зонды электрондардың қанығу тогын иондардың қанығу тогымен бірдей шамаға теңестіреді. Осы жағдайда оның жүзу потенциалы плазма потенциалымен бірдей болады. Бұл мақсат керамикалық қалқан арқылы қол жеткізіледі, ол электрондардың гирорадиусының иондардан әлдеқайда кіші болуына байланысты зонд коллекторынан электрон тогының реттелетін бөлігін қорғайды. Электрон температурасы шақ пент зондының (плазма потенциалы) және Лангмуир зондының (жүзу потенциалы) потенциалдарының айырмасына пропорционал. Осылайша, электрон температурасын қосымша қуат көзі қолданбастан жоғары уақыт шешімімен тікелей өлшеуге болады.
Фарадей тостағаны
Кәдімгі Фарадей тостағы плазма шекараларынан иондық (немесе электрондық) ағындарды өлшеуге және массалық спектрометрияға қолданылады.
Лангмуир зонд
Электр зондтарымен жүргізілетін өлшемдер, Лангмюр зондтары деп аталады, төмен температуралы плазмаларды зерттеу үшін ең ерте пайда болған және ең көп қолданылатын әдістер болып табылады. Бұл әдіс 1920 жылдары Ирвинг Лангмюр және оның әріптестерімен әзірленген, содан бері Лангмюрдың бастапқы болжамдарынан гөрі жалпы жағдайларға қолданылуын кеңейту мақсатында одан әрі жетілдірілді. Лангмюр зондтарымен өлшеулер екі металл электродтан тұратын тізбектің ток пен кернеу сипаттамаларын бағалауға негізделген, олардың екеуі де зерттеліп жатқан плазмаға енгізіледі. Екі жағдай қызығушылық тудырады: (а) Екі электродтың беттік аудандары бірнеше рет ерекшеленеді. Бұл әдіс бір зондтық әдіс деп аталады. (b) Беттік аудандары плазманы қамтитын ыдыстың өлшемдерімен салыстырғанда өте кішкентай және шамамен бірдей. Бұл қос зондтық әдіс. Дәстүрлі Лангмюр зонд теориясы зондтың айналасындағы кеңістіктегі заряд тасымалдаушылардың соқтығысусыз қозғалысын қарастырады. Бұдан әрі, қабықтың шекарасы анық белгіленген және осы шекарадан тыс плазма зондтың болуынан толығымен бұзылмайды деп есептеледі. Бұл зонд пен плазма потенциалы арасындағы айырмашылық тудыратын электр өрісі, зонд орналасқан жердегі зонд қабығының шекарасымен шектелген көлемде ғана болады дегенді білдіреді. Лангмюр зондымен өлшеудің жалпы теориялық сипаттамасы Пуассон теңдеуін, соқтығысусыз Болцман теңдеуін немесе Власов теңдеуін, сондай-ақ зонд бетіндегі шекаралық шарттарды ескере отырып, сабақтастық теңдеуін бір уақытта шешуді қажет етеді, және зондтан қашықтық артқан сайын шешімнің бұзылмаған плазмада күтілетін шешімге жақындауын талап етеді.
(a) The surface areas of the two electrodes differ by several orders of magnitude. This is known as the single probe method. (b) The surface areas are very small in comparison with the dimensions of the vessel containing the plasma and approximately equal to each other. This is the double probe method. Conventional Langmuir probe theory assumes collisionless movement of charge carriers in the space charge sheath around the probe. Further it is assumed that the sheath boundary is well defined and that beyond this boundary the plasma is completely undisturbed by the presence of the probe. This means that the electric field caused by the difference between the potential of the probe and the plasma potential at the place where the probe is located is limited to the volume inside the probe sheath boundary. The general theoretical description of a Langmuir probe measurement requires the simultaneous solution of the Poisson equation, the collision free Boltzmann equation or Vlasov equation, and the continuity equation with regard to the boundary condition at the probe surface and requiring that, at large distances from the probe, the solution approaches that expected in an undisturbed plasma.
Магниттік (B нүктесі) зонд
Егер плазмадағы магнит өрісі тұрақты болмаса, себебі плазманың өзі уақытша немесе өрістердің периоды (радиожиілік қыздыру) болса, магнит өрісінің уақыт бойынша өзгеру жылдамдығы (оқылысы "B нүктесі") жергілікті түрде сымнан жасалған контур немесе катушка арқылы өлшенуі мүмкін. Мұндай катушкалар Фарадей заңына сүйенеді, онда өзгеретін магнит өрісі электр өрісін тудырады. Тудырылған кернеуді әдеттегі құралдармен өлшеуге және тіркеуге болады. Ампер заңына сәйкес, магнит өрісі оны тудыратын токтарға пропорционалды, сондықтан өлшенген магнит өрісі плазмадағы токтар туралы ақпарат береді. Токтар да, магнит өрістері де плазма физикасының негізгі принциптерін түсіну үшін маңызды.
Энергиялық анализатор
Энергиялық анализатор – плазмадағы бөлшектердің энергия таралуын өлшеуге қолданылатын зонд. Зарядталған бөлшектер энергиялық анализатордағы электр және/немесе магниттік өрістерде олардың жылдамдықтары бойынша ажыратылады, содан кейін детекторға тек қана таңдалған энергия диапазонындағы бөлшектердің өтуіне рұқсат беру арқылы таңдап алынады. Электр өрісін ажыратушы ретінде пайдаланатын энергиялық анализаторлар тежегіш өрістік анализаторлар деп те аталады. Ол әдетте детектордан қажетті энергиядан төмен бөлшектерді кері итеру үшін әртүрлі потенциалдарға орнатылған торлар жиынтығынан тұрады. Мұндай өлшемдерде цилиндрлік немесе конустық беттік өрісі бар анализаторлар тиімдірек болуы мүмкін. Ал магниттік өрісті ажыратушы ретінде пайдаланатын энергиялық анализаторлар массалық спектрометрлерге өте ұқсас. Бөлшектер зондтағы магниттік өріс арқылы қозғалады және детекторға жету үшін белгілі бір жылдамдық қажет. Олар алғаш рет 1960 жылдары жасалды және көбінесе иондарды өлшеу үшін құрылады. (Құрылғының мөлшері бөлшектің гирорадиусымен шамалас, себебі ажыратушы айналып жүретін бөлшектің траекториясын кесіп өтеді.) Энергиялық анализатормен бейтарап бөлшектердің энергиясын да өлшеуге болады, бірақ олар алдымен электрондық соққы арқылы иондалуы керек.
Протондық рентгенография
Протондық радиография плазмадағы магниттік және/немесе электрлік өрістермен өзара әрекеттесу үшін бір көзден шығатын протондық сәулені пайдаланады, ал сәуленің интенсивтілік профилі өзара әрекеттесуден кейін экранда өлшенеді. Плазмадағы магниттік және электрлік өрістер сәуленің траекториясын бұрып, бұл бұрылу интенсивтілік профилінің модуляциясына алып келеді. Интенсивтілік профилінен интегралдық магниттік және/немесе электрлік өрісті өлшеу мүмкін.
Өзін-өзі қозғайтын электронды плазмалық резонанстық спектроскопия (SEERS)
Шекті қабықтың I-V сипаттамасы сияқты сызықтық емес әсерлер Лангмуир зондының өлшемдерінде пайдаланылады, бірақ олар математикалық өңдеудің қиындығына байланысты RF разрядтарын модельдеуде көбінесе ескерілмейді. Өзін-өзі күшейткен электрондық плазмалық резонанстық спектроскопия (SEERS) осы сызықтық емес әсерлерді және RF разрядтарындағы белгілі резонанстық құбылыстарды пайдаланады. Сызықтық емес элементтер, әсіресе қаптамалар, разряд тогында гармоникаларды тудырады және плазма мен қаптаманы геометриялық резонанс жиілігі деп аталатын қатарлық резонанспен қоздырады. SEERS электрондық плазманың кеңістіктік және өзара байланысты орташа тығыздығын, сондай-ақ электрондық соқтығысудың тиімді жылдамдығын анықтайды. Электрондық соқтығысу жылдамдығы электрондардың стохастикалық (қысымға байланысты) және омикалық қызуын көрсетеді. Плазманың негізгі бөлігінің моделі 2D сұйықтық моделіне (Болцман теңдеуінің нөлдік және бірінші реттік моменттері) және магнит өрісі үшін Гельмгольц теңдеуіне алып келетін Максвелл теңдеулерінің толық жиынтығына негізделген. Қаптама моделі Пуассон теңдеуіне қосымша сүйенеді.
Пассивті спектроскопия
Пассивті спектроскопиялық әдістер плазмадан шығатын сәулеленуді ғана байқайды. Оларды фильтроскоп сияқты диагностикалық құралдар арқылы жинауға болады, ол түрлі токамак құрылғыларында қолданылады.
Допплер ауысуы
Егер плазма (немесе плазманың бір иондық құраушысы) бақылаушыға қарай ағын болса, Доплер эффектісі салдарынан эмиссиялық сызықтар басқа жиілікте байқалады.
Допплер кеңітуі
Иондардың жылулық қозғалысы ионның бақылаушыға қарай немесе одан алыстауына байланысты, эмиссиялық сызықтардың жоғары немесе төмен қарай ығысуына себеп болады. Ығысудың мөлшері, көру сызығы бойындағы жылдамдыққа пропорционалды. Нәтижесінде, спектрлік сызықтардың ерекше кеңеюі пайда болады, ол Допплер кеңеюі деп аталады және одан ион температурасын анықтауға болады.
Старк эффектісі
Кейбір эмиссиялық сызықтардың Старк эффектісінен бөлінуі жергілікті электр өрісін анықтауға қолданылуы мүмкін.
Үлкен кеңейту
Макроскопиялық электр өрістерінің болуына қарамастан, әрбір жеке атом плазмадағы жақын орналасқан зарядталған бөлшектердің тудырған микроскопиялық электр өрістерінің әсеріне ұшырайды. Бұл спектрлік сызықтардың Старк кеңеюіне алып келеді, оны плазма тығыздығын анықтау үшін қолдануға болады.
Спектрлік сызық қатынастары
Плазмадағы атомдардың шығаратын спектрлік сызықтарының жарықтығы плазманың температурасы мен тығыздығына байланысты. Егер жеткілікті толық соқтығысу сәулелену моделі қолданылса, плазманың температурасы (және, шамалы дәрежеде тығыздығы) әртүрлі атомдық спектрлік сызықтардың сәуле шығару қарқындылығының қатынасын есептеу арқылы көбінесе анықталады.
Земан эффектісі
Магниттік өрістің болуы Земан эффектісіне байланысты атомдық энергия деңгейлерін бөліп шығарады. Бұл спектральдық сызықтардың кеңеюіне немесе айырылуына алып келеді. Осы сызықтарды талдау плазмадағы магниттік өрістің күшін анықтауға мүмкіндік береді.
Активті спектроскопия
Белсенді спектроскопиялық әдістер плазма атомдарын белгілі бір тәсілмен қозуға мүмкіндік береді және оның нәтижесін қадағалайды (сәулеленудің шығуы, қозушы жарықтың жұтылуы немесе басқа да әсерлер).
Абсорбциялық спектроскопия
Плазма арқылы плазмадағы бір компоненттің белгілі бір өтуіне реттелген толқын ұзындығы бар лазер сәулелендіру арқылы, сол өтудің сіңіру профилін алу мүмкін. Бұл профиль эмиссия профилінен алынған плазма параметрлері туралы ғана емес, сонымен қатар сіңіретін компоненттің сызықтық интегралданған сандық тығыздығы туралы да ақпарат береді.
Жарық эмиссиялық спектроскопиясы
Бейтарап атомдар сәулесі плазмаға жіберіледі. Плазма ішіндегі соқтығысулардың нәтижесінде кейбір атомдар қоздырылып, сәуле шығарады. Бұл, турбулентті плазмадағы тығыздық өзгеруін зерттеуге қолданылуы мүмкін.
Заряд алмасу рекомбинациялық спектроскопиясы
Магниттік синтез эксперименттерінде кездесетін өте жоғары температуралы плазмаларда жеңіл элементтер толығымен иондалады және сызықтық сәулелену шығармайды. Дегенмен, егер бейтарап атомдар сәулесі плазмаға бағытталса, заряд алмасу процесі жүзеге асады. Заряд алмасу кезінде бейтарап сәуле атомдарының электрондары жоғары энергетикалық плазма иондарына беріледі, нәтижесінде сутектік иондар пайда болады. Бұл жаңадан пайда болған иондар дереу сызықтық сәулелену шығарып, оны кейіннен талдау плазма туралы, оның ішінде ион тығыздығы, температурасы және жылдамдығы туралы ақпарат алуға мүмкіндік береді. Мұның бір мысалы – токамактарда қолданылатын Жылдам Ионды Дейтерий Альфа (FIDA) әдісі. Бұл техникада заряд алмасу плазмадағы бейтарап сәуле атомдары мен жылдам дейтерий иондары арасында өтеді. Бұл әдіс, энергетикалық атомдар шығаратын Альфа-Балмер сызығының айқын Допплер жылжуын пайдаланып, жылдам иондардың тығыздығын анықтайды.
Лазерлік флуоресценция
Лазерлік флуоресценция (ЛИФ) – плазманы лазерлік сәулелендіру арқылы қозу кезінде шығарылатын флуоресценцияны бақылау арқылы плазманың қасиеттерін зерттеуге қолданылатын спектроскопиялық әдіс. Бұл әдіс плазманың иондық ағыны, иондық температурасы, магнит өрісінің күші және плазма тығыздығы сияқты параметрлерін өлшеуге мүмкіндік береді. Әдетте, мұндай өлшемдерді жүргізу үшін реттелетін бояу лазерлері пайдаланылады. ЛИФ-тің плазма физикасындағы алғашқы қолданылуы 1975 жылы болды, онда ғалымдар оны аргон плазмасындағы иондық жылдамдық таралу функциясын өлшеу үшін қолданды. Содан бері бір фотонды ЛИФ әдісі және екі фотонды сіңіруге негізделген лазерлік флуоресценция (TALIF) сияқты әртүрлі ЛИФ әдістері әзірленді.
Екі фотоны сіңіретін лазерлік флуоресценция
TALIF – лазерлік флуоресценция әдісінің модификациясы. Бұл тәсілде жоғарғы энергия деңгейі екі фотонның сіңірілуі арқылы қозады, ал қозған деңгейдің радиациялық ыдырауынан туындайтын флуоресценция байқалады. TALIF сутегі, оттегі және азот сияқты абсолютті негізгі күйдегі атомдық тығыздықтарды дәл өлшеуге мүмкіндік береді. Дегенмен, мұндай дәлдікке қол жеткізу үшін тиісті калибрлеу әдістері қажет, оларды титрлеу арқылы немесе асыл газдармен салыстыруды қамтитын заманауи тәсілдермен жүзеге асыруға болады. TALIF атомдық тығыздықтан өзгеше, плазмадағы түрлердің температурасы туралы да мәлімет береді. Алайда, бұл екі фотондық қозу профилінің табиғи кеңдеуіне және лазердің өзінің спектрлік кеңдеуіне қарсы температураның кеңдеуінің Гаусс үлесін ажырату үшін жоғары спектрлік ажыратымдылыққа ие лазерлерді пайдалануды талап етеді.
Фотоауыстыру
Фотоауыстыру Langmuir зонды өлшеулерін келіп түсетін лазер сәулесімен үйлестіреді. Келіп түсетін лазер сәулесі кеңістікте, спектрде және импульстік энергия бойынша оңтайландырылады, ол теріс ионға байланысқан электронды бөліп шығарады. Langmuir зонды өлшеулері электрон тығыздығын екі жағдайда өлшеу үшін жүргізіледі: біреуі лазерлік сәулесіз, екіншісі лазерлік сәулемен. Лазерлік сәуле қолданылғанда электрон тығыздығының артуы теріс ион тығыздығын көрсетеді.
Қозғалыс Старк эффектісі
Егер атом магнит өрісінде қозғалса, Лоренц күші ядроға және электрондарға электр өрісі сияқты қарама-қарсы бағытта әсер етеді. Атомның санау жүйесінде, тіпті зертханалық санау жүйесінде болмаса да, электр өрісі пайда болады. Осының салдарынан, кейбір сызықтар Старк эффектісінен бөлінеді. Сәуленің түрін, жылдамдығын және геометриясын тиісті түрде таңдау арқылы, бұл эффект плазмадағы магнит өрісін анықтау үшін қолданылуы мүмкін.
Еркін электроннан пайда болатын оптикалық әсерлер
Жоғарыдағы оптикалық диагностика атомдардан шығатын сызықтық сәулеленуді өлшейді. Балама ретінде, электромагниттік сәулеленуге еркін зарядтардың әсерін диагностика ретінде пайдалануға болады.
Электрондық циклотронның эмиссиясы
Магниттелген плазмаларда электрондар магнит өрісі сызықтарының айналасында айналып, циклотрон сәулеленуін шығарады. Сәулеленудің жиілігі циклотрон резонанс шартымен анықталады. Жеткілікті қалың және тығыз плазмада сәулелену қарқындылығы Планк заңына сәйкес келеді және тек электрондардың температурасына тәуелді болады.
Фарадей айналуы
Фарадей эффектісі магнит өрісі бар плазмадан өтетін сәуленің поляризация жазықтығын сәуле бағыты бойынша бұрады. Бұл эффект магнит өрісін диагностикалау үшін қолданылуы мүмкін, бірақ ақпарат тығыздық профилімен шатастырылады және көбінесе тек интегралдық шама ретінде ғана алынады.
Интерферометрия
Егер плазма интерферометрдің бір тоғысына орналастырылса, фазалық ығысу плазма тығыздығының осы тоғыс бойымен интегралданған мәніне пропорционалды болады.
Томсон шашырауы
Плазмадағы электрондардан лазерлік жарық шашырауы Томсон шашырауы деп аталады. Электрондардың температурасын лазерлік сызықтың Допплер кеңдеуі арқылы өте сенімді анықтауға болады. Шашыраған жарықтың қарқындылығынан электрондық тығыздықты анықтауға болады, бірақ мұқият абсолюттік калибрлеу талап етіледі. Томсон шашырауы электрондардан шашыраумен доминирленгенімен, электрондар иондармен өзара әрекеттесетіндіктен, кейбір жағдайларда ион температурасы туралы да мәлімет алуға болады.
Нейтрондық диагностика
DT отыны қолданылатын термоядролық плазмалар 3,5 МэВ альфа бөлшектері мен 14,1 МэВ нейтрондары шығарады. Нейтрон ағынын өлшеу арқылы ион температурасы және термоядролық қуат сияқты плазманың қасиеттерін анықтауға болады.