Введение
Диагностика плазмы — это набор методов, приборов и экспериментальных техник, используемых для измерения свойств плазмы, таких как плотность компонентов, функция распределения по энергиям (температура), их пространственные профили и динамика, что позволяет определять параметры плазмы.
Зонд с шариковой ручкой
Зонд шариковой ручки – это новая методика, используемая для непосредственного измерения плазменного потенциала в намагниченной плазме. Зонд был изобретен Джири Адамеком в Институте физики плазмы АН ЧР в 2004 году. Зонд шариковой ручки балансирует ток насыщения электронов, приводя его к величине, равной току насыщения ионов. В этом случае его потенциал при плавании становится идентичным плазменному потенциалу. Это достигается с помощью керамического экрана, который отсекает регулируемую часть электронного тока от коллектора зонда благодаря значительно меньшему радиусу гироскопии электронов. Температура электронов пропорциональна разности потенциала зонда шариковой ручки (плазменного потенциала) и потенциала плавания зонда Лангмура. Таким образом, температуру электронов можно определить непосредственно с высоким временным разрешением без дополнительного источника питания.
Чашка Фарадея
Обычная чашка Фарадея используется для измерения потоков ионов (или электронов) с границ плазмы, а также в масс-спектрометрии.
Зонд Лангмура
Измерения с помощью электрических зондов, называемых зондами Лангмура, являются самыми старыми и наиболее часто используемыми методами для исследования низкотемпературной плазмы. Метод был разработан Ирвингом Лангмуиром и его коллегами в 1920-х годах и с тех пор был усовершенствован для расширения области его применимости на более общие условия, чем те, которые предполагались Лангмуиром изначально. Измерения зондом Лангмура основаны на определении вольт-амперных характеристик цепи, состоящей из двух металлических электродов, погруженных в исследуемую плазму. Представляют интерес два случая: (a) Площади поверхности двух электродов различаются на несколько порядков. Это называется методом одиночного зонда. (b) Площади поверхности значительно меньше размеров сосуда, содержащего плазму, и приблизительно равны друг другу. Это метод двойного зонда. Классическая теория зондов Лангмура предполагает бесточечное движение носителей заряда в объемном заряде оболочки вокруг зонда. Кроме того, предполагается, что граница оболочки четко определена и что за ее пределами плазма не испытывает возмущений из-за присутствия зонда. Это означает, что электрическое поле, создаваемое разностью между потенциалом зонда и потенциалом плазмы в точке расположения зонда, ограничено объемом внутри границы оболочки зонда. Общее теоретическое описание измерения зондом Лангмура требует одновременного решения уравнения Пуассона, уравнения Больцмана без столкновений или уравнения Власова и уравнения непрерывности с учетом граничных условий на поверхности зонда и требования, чтобы на больших расстояниях от зонда решение приближалось к решению для невозмущенной плазмы.
(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.
Магнитный зонд (точка B)
Если магнитное поле в плазме непостоянно, либо из-за того, что плазма в целом является переходным процессом, либо из-за периодичности полей (например, при радиочастотном нагреве), скорость изменения магнитного поля во времени (читается как "B точка") может быть измерена локально с помощью петли или катушки из проволоки. Такие катушки используют закон Фарадея, согласно которому изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле. Возникающее напряжение можно измерить и зарегистрировать с помощью стандартных приборов. Кроме того, согласно закону Ампера, магнитное поле пропорционально создающим его токам, поэтому измеренное магнитное поле предоставляет информацию о токах, протекающих в плазме. И токи, и магнитные поля имеют важное значение для понимания фундаментальной физики плазмы.
Анализатор энергии
Энергетический анализатор – это зонд, используемый для измерения распределения энергии частиц в плазме. Заряженные частицы обычно разделяются по скоростям посредством электрических и/или магнитных полей в энергетическом анализаторе, а затем отбираются, пропуская к детектору только частицы с выбранным диапазоном энергий. Энергетические анализаторы, использующие электрическое поле для отбора частиц, также известны как анализаторы с тормозящим полем. Как правило, они состоят из набора сеток, к которым приложены различные потенциалы, создающие электрическое поле, отталкивающее от детектора частицы с энергией ниже требуемой. Анализаторы с цилиндрическим или коническим лицевым полем могут быть более эффективны в подобных измерениях. В отличие от них, энергетические анализаторы, использующие магнитное поле для отбора частиц, очень похожи на масс-спектрометры. Частицы движутся через магнитное поле внутри зонда и должны иметь определенную скорость, чтобы достичь детектора. Они были впервые разработаны в 1960-х годах и обычно создаются для измерения ионов. (Размер прибора сопоставим с радиусом гироциклотрона частицы, поскольку дискриминатор пересекает траекторию вращающейся частицы.) Энергию нейтральных частиц также можно измерить с помощью энергетического анализатора, но для этого их необходимо предварительно ионизировать с помощью ионизатора, использующего электронный удар.
Протонная рентгенография
Протонная радиография использует протонный пучок из одного источника для взаимодействия с магнитным и/или электрическим полем в плазме, при этом профиль интенсивности пучка измеряется на экране после взаимодействия. Магнитные и электрические поля в плазме отклоняют траекторию пучка, и это отклонение приводит к модуляции профиля интенсивности. По профилю интенсивности можно определить интегральное магнитное поле и/или электрическое поле.
Самовозбужденная электронно-плазменная резонансная спектроскопия (SEERS)
Нелинейные эффекты, такие как вольт-амперная характеристика краевой области, используются при измерениях с помощью зонда Лангмура, но обычно игнорируются при моделировании радиочастотных разрядов из-за сложности их математического описания. Метод самовозбужденной спектроскопии электронного плазменного резонанса (SEERS) как раз и использует эти нелинейные эффекты, а также известные резонансные явления в радиочастотных разрядах. Нелинейные элементы, в частности краевые области, генерируют гармоники в токе разряда и возбуждают плазму и краевую область в последовательном резонансе, характеризующемся так называемой геометрической резонансной частотой. SEERS позволяет определить пространственно и временно усредненную плотность электронной плазмы и эффективную частоту столкновений электронов. Частота столкновений электронов отражает стохастический (давление-обусловленный) нагрев и омический нагрев электронов. Модель плазменного объема основана на двумерной гидродинамической модели (нулевые и первые моменты уравнения Больцмана) и полном наборе уравнений Максвелла, приводящем к уравнению Гельмгольца для магнитного поля. Модель краевой области дополнительно базируется на уравнении Пуассона.
Пассивная спектроскопия
Пассивные спектроскопические методы просто наблюдают излучение плазмы. Оно может быть зарегистрировано диагностическими системами, такими как фильтроскоп, который применяется на различных токамаках.
Допплеровское смещение
Если плазма (или один из ионных компонентов плазмы) движется в направлении прямой видимости к наблюдателю, линии излучения будут наблюдаться на иной частоте вследствие эффекта Доплера.
Допплеровское расширение
Тепловое движение ионов приводит к смещению линий излучения в красную или синюю область спектра, в зависимости от того, удаляется ион от наблюдателя или приближается к нему. Величина смещения пропорциональна скорости вдоль луча зрения. Результирующий эффект – это характерное уширение спектральных линий, известное как доплеровское уширение, по которому можно определить температуру ионов.
Эффект Старка
Разделение некоторых эмиссионных линий, вызванное эффектом Старка, может быть использовано для определения локального электрического поля.
Сильное расширение
Независимо от наличия макроскопических электрических полей, на любой атом воздействуют микроскопические электрические поля, создаваемые соседними заряженными частицами плазмы. Это приводит к уширению спектральных линий, которое можно использовать для определения плотности плазмы.
Отношения спектральных линий
Яркость спектральных линий, испускаемых атомами в плазме, зависит от температуры и плотности плазмы. При использовании достаточно полной коллизионно-радиационной модели температуру (и в меньшей степени плотность) плазмы часто можно определить, используя отношения интенсивностей излучения различных атомных спектральных линий.
Эффект Зимана
Присутствие магнитного поля расщепляет атомные энергетические уровни вследствие эффекта Зеемана. Это приводит к уширению или расщеплению спектральных линий. Анализ этих линий, таким образом, позволяет определить напряженность магнитного поля в плазме.
Активная спектроскопия
Активные спектроскопические методы стимулируют атомы плазмы тем или иным способом и наблюдают результат (излучение, поглощение стимулирующего света или другие эффекты).
Абсорбционная спектроскопия
Пропуская лазер с длиной волны, настроенной на определенный переход одного из компонентов плазмы, можно было получить профиль поглощения этого перехода. Этот профиль предоставляет информацию не только о параметрах плазмы, которые можно получить из профиля излучения, но и об интегральной вдоль линии плотности поглощающего компонента.
Спектроскопия лучевой эмиссии
Луч нейтральных атомов направляется в плазму. Некоторые атомы возбуждаются при столкновениях в плазме и испускают излучение. Это можно использовать для зондирования флуктуаций плотности в турбулентной плазме.
Рекомбинантная спектроскопия с обменом зарядов
В плазмах с чрезвычайно высокой температурой, таких как те, что встречаются в экспериментах по магнитному термоядерному синтезу, легкие элементы становятся полностью ионизированными и не излучают линейчатый спектр. Однако, при введении пучка нейтральных атомов в плазму, происходит процесс, известный как обмен зарядом. В ходе обмена зарядом электроны нейтральных атомов пучка переходят на высокоэнергетические ионы плазмы, что приводит к образованию водородоподобных ионов. Эти вновь образованные ионы немедленно излучают линейчатый спектр, который затем анализируется для получения информации о плазме, включая плотность, температуру и скорость ионов. Одним из примеров является метод быстрого ионного дейтерия-альфа (FIDA), применяемый в токамаках. В этом методе обмен зарядом происходит между нейтральными атомами пучка и быстрыми ионами дейтерия, присутствующими в плазме. Метод использует значительное доплеровское смещение, наблюдаемое в линии альфа Бальмера, излучаемой энергичными атомами, для определения плотности быстрых ионов.
Флуоресценция, вызванная лазером
Лазерно-индуцированная флуоресценция (ЛИФ) – это спектроскопический метод, используемый для исследования свойств плазмы путем наблюдения за флуоресценцией, возникающей при облучении плазмы лазерным излучением. Этот метод позволяет измерять параметры плазмы, такие как ионный поток, температура ионов, напряженность магнитного поля и плотность плазмы. Как правило, для проведения этих измерений используются перестраиваемые лазеры на красителях. Первое применение ЛИФ в физике плазмы состоялось в 1975 году, когда исследователи использовали его для измерения функции распределения скоростей ионов в аргонной плазме. С тех пор были разработаны различные методы ЛИФ, включая однофотонную ЛИФ и лазерно-индуцированную флуоресценцию с двухфотонным поглощением (TALIF).
Флуоресценция, вызванная лазером с двухфотонным поглощением
TALIF — модификация метода лазерно-индуцированной флуоресценции. В этом подходе верхний энергетический уровень возбуждается посредством поглощения двух фотонов, а затем наблюдается последующая флуоресценция, возникающая при радиационном распаде возбужденного уровня. TALIF позволяет проводить точные измерения абсолютных плотностей атомов в основном состоянии, таких как водород, кислород и азот. Однако для достижения такой точности требуются соответствующие методы калибровки, которые можно осуществить с помощью титрования или более современного подхода, основанного на сравнении с благородными газами. Помимо атомных плотностей, TALIF также предоставляет информацию о температуре частиц в плазме. Однако для этого необходимо использовать лазеры с высоким спектральным разрешением, чтобы различить гауссово расширение, обусловленное температурой, от естественного расширения профиля двухфотонного возбуждения и спектрального расширения самого лазера.
Фотоотделение
Фотоотделение объединяет измерения зонда Лэнгмуара с направленным лазерным лучом. Направленный лазерный луч оптимизируется по пространственным, спектральным характеристикам и энергии импульса для отрыва электрона, связанного с отрицательным ионом. Измерения с помощью зонда Лэнгмуара проводятся для определения плотности электронов в двух случаях: без направленного лазера и с направленным лазером. Разница в плотности электронов при наличии направленного лазера позволяет определить плотность отрицательных ионов.
Эффект Старка
Если атом движется в магнитном поле, сила Лоренца будет действовать на ядро и электроны в противоположных направлениях, подобно тому, как это делает электрическое поле. В системе отсчета атома возникает электрическое поле, даже если в лабораторной системе оно отсутствует. Следовательно, некоторые спектральные линии будут расщепляться под действием эффекта Старка. При соответствующем выборе типа и скорости пучка, а также геометрии эксперимента, этот эффект можно использовать для определения магнитного поля в плазме.
Оптические эффекты от свободных электронов
Оптическая диагностика, описанная выше, измеряет линейчатое излучение атомов. В качестве альтернативы, для диагностики можно использовать влияние свободных зарядов на электромагнитное излучение.
Электронная циклотроновая эмиссия
В намагниченной плазме электроны будут вращаться вокруг линий магнитного поля и излучать циклотронное излучение. Частота излучения определяется условием циклотронного резонанса. В достаточно толстой и плотной плазме интенсивность излучения будет подчиняться закону Планка и зависеть только от температуры электронов.
Ротация Фарадея
Эффект Фарадея поворачивает плоскость поляризации пучка света, проходящего через плазму в магнитном поле вдоль направления пучка. Этот эффект можно использовать для диагностики магнитного поля, однако полученная информация смешивается с профилем плотности и обычно представляет собой лишь интегральную величину.
Интерферометрия
Если плазма помещена в одно плечо интерферометра, сдвиг фазы будет пропорционален интегралу плотности плазмы вдоль траектории распространения.
Рассеяние Томсона
Рассеяние лазерного света от электронов в плазме известно как рассеяние Томсона. Температуру электронов можно очень надежно определить по доплеровскому уширению лазерной линии. Плотность электронов можно определить по интенсивности рассеянного света, но для этого требуется тщательная абсолютная калибровка. Хотя рассеяние Томсона в основном обусловлено рассеянием на электронах, поскольку электроны взаимодействуют с ионами, в некоторых случаях можно также получить информацию о температуре ионов.
Нейтронная диагностика
Плазма, в которой используется топливо D-T, производит альфа-частицы с энергией 3,5 МэВ и нейтроны с энергией 14,1 МэВ. Измеряя нейтронный поток, можно определить характеристики плазмы, такие как температура ионов и мощность термоядерного синтеза.