Материал: Методы исследования плазмы

Методы исследования плазмы

Реферат

Методы исследования плазмы

Введение

Классификация (активные, пассивные, контактные, бесконтактные). Метод электрических зондов Ленгмюра. Метод магнитных зондов, оптические, корпускулярные методы исследования плазмы.

Диагностика плазмы использует методы ряда фундаментальных физических наук:

атомная физика (спектроскопия во всех диапазонах волн) - анализ спектров.

ядерная физика (анализ продуктов ядерных реакций)

квантовая электроника (эксперименты по рассеянию лазерного излучения на плазме)

радиофизика (зондирование плазмы с помощью радиоволн)

электротехника (зондовые и магнитные измерения).

Направления исследований

измерение концентрации заряженных и нейтральных частиц;

измерение энергетического распределения заряженных частиц;

измерение потоков энергии и частиц на стенки;

измерение T электронной и ионной компонент;

исследование направленного движения плазмы как целого;

исследование ВЧ спектров плазмы;

измерение энергетического времени жизни плазмы;

измерение коэффициента диффузии, теплопроводности, электропроводности и т.д.

Классификация методов изучения свойств плазмы

пассивные методы (анализ излучения) см на обороте);

активные методы (просвечивание плазмы сфокусированным интенсивным пучком эл-маг. излучения. По его рассеянию и ослаблению можно оценить характеристики плазмы).

контактные методы (маг. и эл. зонды) - для холодной плазмы.

бесконтактные методы - для горячей плазмы

Пассивные методы (анализ потоков частиц из плазмы) подразделяются на следующие группы:

анализ потоков излучения: стационарные методы (определяют интегральные характеристики) и динамические (регистрируют развитие процесса во времени). Детекторы для измерения энергетических характеристик: термопары, болометры, терморезисторы. Детекторы для измерения спектральных составляющих: спектрометры + фоторегистраторы;

анализ потоков частиц. Детекторами служат различные формы: фарадеевы цилиндры (для анализа заряженных и нейтральных частиц. Нейтральные частицы могут быть преобразованы в заряженные).

Потоки энергии измеряются калориметрическими методами. Детекторами служат пластины (~ погл. 20%) и глубокие цилиндры (до 100 %).

Динамические измерения производятся с помощью германиевого терморезистора. Разрешение во времени ~ 10 мкс., чувствительность ~

^-4 Дж.

Одним из первых - метод электрического зонда Ленгмюра.

Позволяет определить: концентрацию n, температуру е^-, потенциал плазмы.

Достоинство - локальность измерения характеристики.

Применяют в холодной, разреженной плазме.

Размер зонда выбирают l " λ_{св. пр.}

Пренебрегают электронно-ионной эмиссией, распылением зонда под действием частиц, магнитным полем зонда. Материал зонда W, M_o (поволока).

Рис. 1

Рис. 2. Ионный поток насыщения. Электронный + ионный ток. Электронный ток насыщения

I. : - электроны не проходят на зонд.

Остаётся ионный ток

Формула хаотического тока_i - средняя скорость;- площадь зонда;

/2 - половина ионов движется от зонда;

С ростом U (|U| уменьшается, U<0) наиболее быстрые электроны начинают преодолевать барьер eU зонда и попадают на зонд. I начинает понижаться (I=I_i-I_e-).

Вокруг зонда будет облако ионов на расстоянии ~R_{g (}дебаевский).

В точке S I_i=I_e.. |U| уменьшается - электронный ток растёт, I_общ=I_i-I_e-.

_e>I_i. В точке 0 I_i =0, U_зонда= U_плазмы.

. Весь электронный ток идёт на зонд, плотность тока = j _{хаотического электронного тока в плазме}.

Перемещая зонд можно построить распределение потенциалов, следовательно, установить распределение Е_{прдольн.,}.

Возможно определение температуры электронов:

=   (1)

где j_{eo -} ток насыщения;- потенциал зонда по отношению к потенциалу плазмы;

Логарифмируя (1), а затем дифференцируя по U получаем:

 =  

  =  =

tgα - наклон графика I=I (U), построенного в полулогарифмическом масштабе (Рис.3) (т.е. гр. ln j_e=f (U₃).

Рис. 3

А также можно определить концентрацию е ^- и ионов в плазме:

Метод позволяет измерить распределение концентрации по сечению столба плазмы.

При создании высокотемпературной плазмы в некоторых случаях требуется измерить токи . Для измерения таких токов используют методы:

пояс Роговского;

метод шунтов.

Метод пояса Роговского.

Рис. 4

Ток вызывает магнитное поле. Трансформатор тока. Бесконтактность. Процесс измерения не влияет на процессы в разряде. В качестве пояса Роговского используются катушки или проводники, расположенные в области протекания тока. Обычно r, R малы по сравнению с индуктивными сопротивлением катушки.

точнее:

→ n_e =

 - эдс электронно-магниитной индукции

где Φ - магнитный поток, связанный с катушкой.- количество витков в катушке.

Используют импульсный осциллограф: В итоге

где I - ток разряда;- ток в катушке;

Метод шунтов.

Рис. 5

Рис. 7 Конструкция шунта

очень маленькое, λ шунта необходимо уменьшать.

Встречное направление тока

Рис. 6

С ростом ω, следовательно, R повышается на ВЧ, но ω меняется, следовательно, меняется и R, это одна из трудностей измерений.

Большие токи, текущие через зонд, вызывают механические силы, которые могут его деформировать - необходимо жёстко закреплять шунты - ещё одна трудность, используют шунты больших размеров, применяются реже, чем пояс Роговского.

Измерение высоких напряжений.

постоянное U (на накопителях энергии - ёмкостях);

импульсное U - на газовом промежутке при разряде.

Постоянные U - делитель из сопротивлений.

Рис. 8

Импульсные U. При измерении ВЧ-сигналов шунтирующие ёмкости будут искажать измерения, и перераспределять U по R_g, R_изм. Для повышения точности необходимо уменьшать R_g, R_изм., следовательно, повышается мощность, следовательно, емкостной делитель C_g"С_изм. Чтобы Zn не шунтировалось C_g, её выбирают ~ nФ.

Для широкого диапазона измерений параллельно соединяют омический и емкостной делитель.

При измерении больших ёмкостей I и U, необходимо бороться с ВЧ помехами, идущими от камеры разряда.

Методы:

удаление измерений аппаратуры от источника помех;

блоки управления и регистрирующая аппаратура помещается в экранирующие оболочки (комнаты, шкафы);

соединение установки с измерительными приборами выполняют с помощью коаксиальных экранированных кабелей, которые дополнительно помещают в трубы, оплётку и т.д.;

разъемы с экранированными корпусами;

повышенные требования к заземлителям;

защита сети от перенапряжений, перепадов, вызванных импульсным разрядом, следовательно, используют разделительные трансформаторы ВЧ фильтры.

Метод магнитных зондов.

Если измерение I и U позволяет определить усреднённые характеристики разряда, то миниатюрные магнитные катушки позволяют регистрировать локальные характеристики:

распределение Н-поля в плазме;

токи, их распределение;

давления и плотности энергии в плазме.

Этот метод - КОНТАКТНЫЙ (бесконтактных методов измерения конфигурации магнитных полей пока не найдено).

Магнитный зонд - миниатюрная катушка, намотанная тонким проводом. Зонд размещён в исследуемом объёме через вакуумное уплотнение с возможностью перемещения по объёму и поворота по φ.

Рис. 9

. Управляемый разрядник;

. Емкостной накопитель;

Необходимо определить распределение электромагнитного поля. На катушке регистрируется

т.е. необходимо выполнить интегрирование сигнала, это делается графически, или с помощью специального устройства R-C-цепи.

Рис. 10

_{н -} согласующее сопротивление.

Зонд изменяет параметры плазмы:

локальное охлаждение среды;

возмущение токов;

взаимодействие с быстрыми частицами;

Происходит распыление зонда, загрязнение плазмы. В горячей плазме зонд просто сгорает.

Применение: космическая плазма, МГД-генераторы и т.д.

холодная плазма.

Оптические методы исследования плазмы.

Спектральный анализ, определение n_i, n_e-, T_e-.

Обычная фотография применима для стационарной медленно-меняющейся плазмы. Для регистрации быстропротекающих процессов, когда необходима не интегральная характеристика, а развитие процесса во времени, используют сверхскоростные фоторегистраторы. Параметры: до 10⁸ кадров/с с длительностью экспонирования менее 5нс.

Принципиальная схема.

Рис. 11

Ограничения по скорости записи:

качество поверхности зеркала;

скорость вращения зеркала.

Для кадровой развёртки вводят диафрагму с системой линз.

В качестве высокоскоростного затвора используют ячейку Керра. Ёе действие основано на изменении плоскости поляризации кристалла под влиянием электрического поля. Время установления ~ 10^-10 с, с учётом внешних емкостей (провода, ввода) - время перезаряда ~ 5∙10^-8 с.

При записи быстропротекающих процессов из-за малого времени экспонирования чувствительность плёнки бывает недостаточна. Кроме этого спектральная чувствительность плёнки не всегда совпадает со спектром излучения плазмы. Используют электронно-оптические усилители яркости и электронно-оптические преобразователи изображения. Принцип - преобразование излучения в электронный сигнал, который в свою очередь, после усиления, преобразуется в видимое излучение или электрон. Сигнал регистрируется, вводится в компьютер.

Пример: прибор ночного видения - преобразует ИК-диапазон в видимое излучение с усилением.

Рис. 12

Если ф/катод чувствителен к ИК, УФ, рентгеновским излучениям, получаем преобразование изображения по диапазону.

При подаче импульсного U можем изучать короткие временные интервалы, рассматривать динамику процесса.

Качество (в зависимости от качества люминофора, экрана, вакуума) достигает 1000 линий/мм.

Для усиления изображения используется несколько секций (каскадов).

К_ус ~ 10⁵, разрешение падает до 10 линий/мм. Необходима тщательная экранировка от электрических и магнитных полей.

В высокотемпературной плазме основную роль играет тормозное излучение электронов на ядрах атомов и ионах. Спектральная плотность излучения в предположении максвелловского распределения частиц по V, изотропности и стационарности, химической однородности газового разряда определяется общей формулой Зоммерфельда. Её упрощённый вариант имеет такой вид:

 (1)

где

 - комптоновская длина волны электрона

χ_n - энергия ионизации;- заряд иона;

ν - частота излучаемого фотона;

Т_{е -} температура электронов;_i ~ n_e - концентрации.

Часто используют (Е_λ) _{терм -} спектральная плотность отнесённую к шкале длин волн. Определяя максимум функции (1) можно найти температуру электронов т.к. максимум определяется соотношением:

 (2)

Начало страницы пояснений, т.е. чем выше Т_е тем короче длина волны излучения, соответствующего максимуму функции Е_λ (λ). Определив Т_е, можно получить значения n_i ~ n_e из формулы Зоммерфельда. Для снятия характеристики (1) необходим диспергирующий прибор (разлагающий излучение в спектр) и измеритель мощности.

Жесткое рентгеновское излучение регистрируется с помощью сцинтилляционных датчиков. Обычно для этого используют кристалл NaJ, обработанный Т_е. Он помещается в защитный экран против обычного излучения. При попадании γ-кванта в кристалл возникает вспышка света, интенсивность которой пропорциональна энергии кванта. Сигнал попадает в ФЭУ и регистрируется. Регистрация излучения из плазмы - целое направление в диагностике плазмы. Используются бесконтактные пассивные методы.

К пассивным методам диагностики относятся методы регистрации потоков частиц. Основным устройством, применяющимся для измерения интенсивности потоков, является цилиндр Фарадея.

Рис. 13

Заряженные частицы создают ток I, который регистрирует осц. С помощью диафрагм и внешнего магнитного поля или комбинации электрического и магнитного полей можно выделять потоки частиц различных энергий, следовательно, делать спектральный анализ.

Цилиндр можно изготавливать из нескольких частей, на которые попадают составляющие пучка с различными энергиями. Нейтральные частицы регистрируются по их действию на специальные датчики. Например: генерация электронов, генерация световых квантов и т.д.