Введение

Большое плазменное устройство (часто стилизованное как LArge Plasma Device или LAPD) — это экспериментальное физическое устройство, расположенное в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA). Оно спроектировано как универсальная лаборатория для проведения экспериментальных исследований в области физики плазмы. Устройство начало работу в 1991 году и было модернизировано в 2001 году до текущей версии. Современный LAPD функционирует как основное устройство для национального центра коллективных исследований — Basic Plasma Science Facility (или BaPSF), который поддерживается Министерством энергетики США, программой Fusion Energy Sciences и Национальным научным фондом. Половина времени работы устройства доступна ученым из других институтов и организаций, которые могут претендовать на него посредством ежегодного конкурса.

История

Первая версия LAPD представляла собой 10-метровое устройство, созданное командой под руководством Уолтера Гекельмана в 1991 году. Строительство заняло 3,5 года и было профинансировано Управлением военно-морских исследований (ONR). Значительная модернизация до 20-метровой версии была профинансирована ONR и грантом NSF Major Research Instrumentation в 1999 году. После завершения этой крупной модернизации, получение гранта в размере 4,8 миллиона долларов США от Министерства энергетики США и Национального научного фонда в 2001 году позволило создать Базовую научно-исследовательскую базу по физике плазмы и осуществлять работу LAPD в рамках этого национального центра коллективного пользования. Гекельман был директором базы до 2016 года, когда Трой Картер стал директором BaPSF.

Обзор машины

LAPD — это линейное импульсное устройство с разрядом, работающее на высокой частоте повторения (1 Гц) и создающее сильно намагниченную фоновую плазму, физические размеры которой достаточны для поддержания волн Альфвена. Плазма генерируется в результате разряда между катодом из оксида бария (BaO) и анодом на одном конце цилиндрической вакуумной камеры длиной 20 метров и диаметром 1 метр (см. схему). Образующийся плазменный столб имеет длину около 16,5 метров и диаметр 60 см. Фоновое магнитное поле, создаваемое серией крупных электромагнитов, окружающих камеру, может изменяться в диапазоне от 400 гаусс до 2,5 килогаусс (40 до 250 мТ).

Источники плазмы

Основной источник плазмы в LAPD создается посредством разряда с катода, покрытого оксидом бария (BaO), который излучает электроны посредством термоионной эмиссии. Катод расположен вблизи конца LAPD и изготовлен из тонкого никелевого листа, равномерно нагретого примерно до 900 °C. Электрическая цепь замыкается молибденовой сетчатой анодом, расположенным на небольшом расстоянии. Типичные токи разряда находятся в диапазоне 3–8 килоампер при 60–90 вольтах, обеспечиваемые разработанным по специальному заказу транзисторным переключателем, поддерживаемым банком конденсаторов емкостью 4 фарады. В 2010 году был разработан дополнительный катодный источник из гексаборида лантана (LaB6) для обеспечения более горячей и плотной плазмы при необходимости. Он состоит из четырех квадратных плиток, соединенных для формирования площади 20x20 см², и расположен на другом конце LAPD. Электрическая цепь также замыкается молибденовой сетчатой анодом, который может быть расположен дальше по устройству и имеет немного меньший размер, чем анод, используемый для источника BaO. Катод LaB6 обычно нагревается до температуры выше 1750 °C графитовым нагревателем и генерирует токи разряда 2,2 килоампера при 150 вольтах. Плазма в LAPD обычно импульсируется с частотой 1 Гц, при этом фоновый источник BaO включен в течение 10–20 миллисекунд за раз. Если используется источник LaB6, он обычно разряжается одновременно с катодом BaO, но в течение более короткого периода времени (около 5–8 мс) к концу каждого цикла разряда. Использование источника плазмы с оксидным катодом в сочетании с хорошо спроектированным транзисторным переключателем для разряда обеспечивает чрезвычайно воспроизводимую плазменную среду от импульса к импульсу. Одной из интересных особенностей источника плазмы BaO является его способность функционировать как «Альфвеновский мазер» – источник больших амплитудных, когерентных сдвиговых волн Альфвена. Резонансная полость формируется высокоотражающим никелевым катодом и полупрозрачным сетчатым анодом. Поскольку источник расположен в конце соленоида, генерирующего основное фоновое поле LAPD, в полости существует градиент магнитного поля. Поскольку сдвиговые волны не распространяются выше ионной циклотронной частоты, практический эффект этого заключается в фильтрации возбуждаемых мод. Мазерная активность возникает спонтанно при определенных комбинациях напряженности магнитного поля и тока разряда и на практике может быть активирована (или избегаема) оператором устройства.

Зонды

Основной диагностический инструмент – подвижный зонд. Относительно низкая температура электронов упрощает конструкцию зондов и не требует использования экзотических материалов. Большинство зондов изготавливаются на месте, в лаборатории, и включают в себя зонды магнитного поля, зонды Лангмюра, зонды Маха (для измерения потока), электрические дипольные зонды и многие другие. Стандартная конструкция зондов также позволяет внешним пользователям приносить собственные диагностические инструменты по желанию. Каждый зонд вводится через собственный вакуумный шлюз, что позволяет добавлять и удалять зонды во время работы установки. Частота повторения 1 Гц в сочетании с высокой воспроизводимостью фоновой плазмы обеспечивает быстрое накопление огромных объемов данных. Эксперимент на LAPD обычно проектируется для повторения один раз в секунду в течение необходимого количества часов или дней для получения полного набора наблюдений. Это позволяет проводить диагностику экспериментов с использованием небольшого числа подвижных зондов, в отличие от больших зондовых решеток, используемых во многих других установках. По всей длине установки установлены "шаровые шарниры" – вакуумные угловые соединения (разработанные сотрудником LAPD), позволяющие вставлять и вращать зонды как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. На практике они используются совместно с компьютеризированными моторизованными приводами зондов для сканирования "плоскостей" (вертикальных поперечных сечений) фоновой плазмы с помощью любого необходимого зонда. Поскольку единственным ограничением на объем собираемых данных (количество точек в плоскости) является время, затрачиваемое на запись кадров с частотой 1 Гц, можно создавать большие объемные наборы данных, состоящие из множества плоскостей в различных осевых положениях. Визуализации, полученные на основе таких объемных измерений, можно посмотреть в галерее LAPD. С учетом шаровых шарниров, общее количество портов доступа на установке составляет 450, некоторые из которых оснащены окнами для оптического или микроволнового наблюдения.

Другие диагностические средства

В LAPD также доступны различные другие методы диагностики, дополняющие зондовые измерения. К ним относятся фотодиоды, микроволновые интерферометры, высокоскоростная камера (3 нс/кадр) и лазерно-индуцированная флуоресценция.