Los diagnósticos de plasma son un conjunto de métodos, instrumentos y técnicas experimentales que se utilizan para medir las propiedades de un plasma , como la densidad de los componentes del plasma , la función de distribución sobre la energía ( temperatura ), sus perfiles espaciales y su dinámica, que permiten derivar los parámetros del plasma .
Métodos de sonda invasiva
Sonda de bolígrafo
Una sonda de bolígrafo es una técnica novedosa que se utiliza para medir directamente el potencial plasmático en plasmas magnetizados. La sonda fue inventada por Jiří Adámek en el Instituto de Física del Plasma AS CR en 2004. [1] La sonda de bolígrafo equilibra la corriente de saturación de electrones a la misma magnitud que la de la corriente de saturación de iones. En este caso, su potencial flotante se vuelve idéntico al potencial plasmático. Este objetivo se logra mediante un escudo cerámico, que filtra una parte ajustable de la corriente de electrones del colector de la sonda debido al radio giroscópico mucho más pequeño de los electrones. La temperatura del electrón es proporcional a la diferencia de la sonda de bolígrafo (potencial de plasma) y el potencial de la sonda de Langmuir (potencial flotante). Por lo tanto, la temperatura del electrón se puede obtener directamente con alta resolución temporal sin fuente de alimentación adicional .
Copa de faraday
La copa de Faraday convencional se aplica para medir los flujos de iones (o electrones) desde los límites del plasma y para la espectrometría de masas .
Sonda de Langmuir
Las mediciones con sondas eléctricas, llamadas sondas de Langmuir , son los procedimientos más antiguos y más utilizados para plasmas de baja temperatura. El método fue desarrollado por Irving Langmuir y sus colaboradores en la década de 1920, y desde entonces se ha desarrollado aún más para extender su aplicabilidad a condiciones más generales que las que presume Langmuir. Las mediciones de la sonda Langmuir se basan en la estimación de las características de corriente frente a voltaje de un circuito que consta de dos electrodos metálicos que están ambos sumergidos en el plasma en estudio. Dos casos son de interés: (a) Las áreas superficiales de los dos electrodos difieren en varios órdenes de magnitud. Esto se conoce como método de sonda única . (b) Las áreas superficiales son muy pequeñas en comparación con las dimensiones del recipiente que contiene el plasma y aproximadamente iguales entre sí. Este es el método de doble sonda .
La teoría de la sonda de Langmuir convencional asume un movimiento sin colisión de los portadores de carga en la vaina de carga espacial alrededor de la sonda. Además, se supone que el límite de la vaina está bien definido y que, más allá de este límite, el plasma no se ve afectado por completo por la presencia de la sonda. Esto significa que el campo eléctrico causado por la diferencia entre el potencial de la sonda y el potencial de plasma en el lugar donde se encuentra la sonda está limitado al volumen dentro del límite de la funda de la sonda.
La descripción teórica general de una medición de sonda de Langmuir requiere la solución simultánea de la ecuación de Poisson , la ecuación de Boltzmann libre de colisión o ecuación de Vlasov , y la ecuación de continuidad con respecto a la condición de contorno en la superficie de la sonda y que requiere que, a grandes distancias de la sonda, la solución se acerca a la esperada en un plasma no perturbado.
Sonda magnética (punto B)
Si el campo magnético en el plasma no es estacionario, ya sea porque el plasma en su conjunto es transitorio o porque los campos son periódicos (calentamiento por radiofrecuencia), la tasa de cambio del campo magnético con el tiempo (, lea "B-dot") se puede medir localmente con un bucle o bobina de alambre. Tales bobinas explotan la ley de Faraday , según la cual un campo magnético cambiante induce un campo eléctrico. [2] El voltaje inducido se puede medir y registrar con instrumentos comunes. Además, según la ley de Ampere , el campo magnético es proporcional a las corrientes que lo producen, por lo que el campo magnético medido da información sobre las corrientes que fluyen en el plasma. Tanto las corrientes como los campos magnéticos son importantes para comprender la física fundamental del plasma.
Analizador de energía
Un analizador de energía es una sonda que se utiliza para medir la distribución de energía de las partículas en un plasma. Las partículas cargadas se separan típicamente por sus velocidades de los campos eléctricos y / o magnéticos en el analizador de energía, y luego se discriminan permitiendo que solo las partículas con el rango de energía seleccionado alcancen el detector.
Los analizadores de energía que utilizan un campo eléctrico como discriminador también se conocen como analizadores de campo retardador. [3] [4] Por lo general, consiste en un conjunto de rejillas polarizadas a diferentes potenciales para establecer un campo eléctrico para repeler partículas inferiores a la cantidad deseada de energía fuera del detector.
Por el contrario, los analizadores de energía que emplean el uso de un campo magnético como discriminador son muy similares a los espectrómetros de masas . Las partículas viajan a través de un campo magnético en la sonda y requieren una velocidad específica para llegar al detector. Estos se desarrollaron por primera vez en la década de 1960, [5] y normalmente se construyen para medir iones. (El tamaño del dispositivo está en el orden del radio del giro de la partícula porque el discriminador intercepta la trayectoria de la partícula giratoria).
La energía de las partículas neutras también se puede medir con un analizador de energía, pero primero deben ionizarse con un ionizador de impacto de electrones.
Radiografía de protones
La radiografía de protones utiliza un haz de protones de una sola fuente para interactuar con el campo magnético y / o el campo eléctrico en el plasma y el perfil de intensidad del haz se mide en una pantalla después de la interacción. Los campos magnéticos y eléctricos del plasma desvían la trayectoria del rayo y la desviación provoca una modulación en el perfil de intensidad. A partir del perfil de intensidad, se puede medir el campo magnético integrado y / o el campo eléctrico.
Espectroscopía de resonancia de plasma de electrones autoexcitados (SEERS)
Los efectos no lineales como la característica IV de la vaina límite se utilizan para las mediciones de la sonda de Langmuir, pero generalmente se ignoran para el modelado de descargas de RF debido a su tratamiento matemático muy inconveniente. La espectroscopia de resonancia de plasma de electrones autoexcitados (SEERS) utiliza exactamente estos efectos no lineales y efectos de resonancia conocidos en las descargas de RF. Los elementos no lineales, en particular las vainas, proporcionan armónicos en la corriente de descarga y excitan el plasma y la vaina en su resonancia en serie caracterizada por la denominada frecuencia de resonancia geométrica.
SEERS proporciona la densidad de plasma de electrones promediada espacial y recíprocamente y la tasa efectiva de colisión de electrones. La tasa de colisión de electrones refleja el calentamiento estocástico (presión) y el calentamiento óhmico de los electrones.
El modelo para el grueso de plasma se basa en el modelo 2D de fluido (cero y de primer orden momentos de ecuación de Boltzmann) y el conjunto completo de los maxwellianas ecuaciones que conducen a la ecuación de Helmholtz para el campo magnético. El modelo de vaina se basa además en la ecuación de Poisson .
Espectroscopia pasiva
Los métodos espectroscópicos pasivos simplemente observan la radiación emitida por el plasma.
desplazamiento Doppler
Si el plasma (o un componente iónico del plasma) fluye en la dirección de la línea de visión del observador, las líneas de emisión se verán con una frecuencia diferente debido al efecto Doppler .
Ampliación Doppler
El movimiento térmico de los iones dará como resultado un desplazamiento de las líneas de emisión hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de si el ión se acerca o se aleja del observador. La magnitud del cambio es proporcional a la velocidad a lo largo de la línea de visión. El efecto neto es un ensanchamiento característico de las líneas espectrales, conocido como ensanchamiento Doppler , a partir del cual se puede determinar la temperatura de los iones.
Efecto Stark
La división de algunas líneas de emisión debido al efecto Stark se puede utilizar para determinar el campo eléctrico local.
Ampliación de Stark
Incluso si el campo eléctrico macroscópico es cero, cualquier ion experimentará un campo eléctrico debido a las partículas cargadas vecinas en el plasma. Esto da como resultado una ampliación de algunas líneas que pueden usarse para determinar la densidad del plasma.
Relaciones de línea espectral
El brillo de una línea espectral atómica emitida por átomos e iones en un gas (o plasma) puede depender de la temperatura y presión del gas.
Debido a la integridad y precisión de los modelos radiativos de colisión modernos , la temperatura y la densidad de los plasmas se pueden medir tomando proporciones de las intensidades de emisión de varias líneas espectrales atómicas.
Efecto Zeeman
La presencia de un campo magnético divide los niveles de energía atómica debido al efecto Zeeman . Esto conduce a la ampliación o división de las líneas espectrales. El análisis de estas líneas puede, por lo tanto, producir la fuerza del campo magnético en el plasma.
Espectroscopia activa
Los métodos espectroscópicos activos estimulan los átomos del plasma de alguna manera y observan el resultado (emisión de radiación, absorción de la luz estimulante u otros).
Espectroscopía de absorción
Al hacer brillar a través del plasma un láser con una longitud de onda, sintonizado a una cierta transición de una de las especies presentes en el plasma, se podría obtener el perfil de absorción de esa transición. Este perfil proporciona información no solo para los parámetros del plasma, que podrían obtenerse del perfil de emisión, sino también para la densidad numérica integrada en la línea de las especies absorbentes.
Espectroscopia de emisión de haz
Se dispara un haz de átomos neutros en un plasma. Algunos átomos se excitan por colisiones dentro del plasma y emiten radiación. Esto se puede utilizar para sondear las fluctuaciones de densidad en un plasma turbulento.
Espectroscopía de recombinación de intercambio de carga
En plasmas muy calientes (como en los experimentos de fusión magnética), los elementos ligeros están completamente ionizados y no emiten radiación lineal. Cuando se dispara un haz de átomos neutros al plasma, los electrones de los átomos del haz se transfieren a iones de plasma calientes, que forman iones hidrógenos que emiten rápidamente radiación lineal. Esta radiación se analiza para determinar la densidad, temperatura y velocidad de los iones.
Fluorescencia inducida por láser
Si el plasma no está completamente ionizado pero contiene iones que emiten fluorescencia, la fluorescencia inducida por láser puede proporcionar información muy detallada sobre la temperatura, la densidad y los flujos.
Fotodesprendimiento
El fotodesprendimiento combina las mediciones de la sonda Langmuir con un rayo láser incidente. El rayo láser incidente se optimiza, espacialmente, en forma esférica y con energía de pulso, para separar un electrón unido a un ion negativo. Las mediciones de la sonda Langmuir se realizan para medir la densidad de electrones en dos situaciones, una sin el láser incidente y otra con el láser incidente. El aumento de la densidad de electrones con el láser incidente da la densidad de iones negativos.
Efecto Motional Stark
Si un átomo se mueve en un campo magnético, la fuerza de Lorentz actuará en direcciones opuestas sobre el núcleo y los electrones, tal como lo hace un campo eléctrico. En el marco de referencia del átomo, no es un campo eléctrico, incluso si no hay ninguno en el marco del laboratorio. En consecuencia, ciertas líneas se dividirán por el efecto Stark . Con una elección adecuada de la especie del haz, la velocidad y la geometría, este efecto se puede utilizar para determinar el campo magnético en el plasma.
Fluorescencia inducida por láser de absorción de dos fotones
La fluorescencia inducida por láser de absorción de dos fotones (TALIF) es una modificación de la técnica de fluorescencia inducida por láser. En este enfoque, el nivel superior se excita absorbiendo dos fotones y se observa la fluorescencia subsiguiente causada por la desintegración radiativa del nivel excitado. TALIF puede dar una medida de densidades atómicas absolutas en estado fundamental, como hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Sin embargo, esto solo es posible con una calibración adecuada; esto se puede hacer usando un método de titulación o una comparación más moderna con gases nobles. [6]
TALIF puede brindar información no solo sobre densidades atómicas, sino también sobre temperaturas de las especies. Sin embargo, esto requiere láseres con una alta resolución espectral para determinar la contribución gaussiana de la ampliación de temperatura contra la ampliación natural del perfil de excitación de dos fotones y la ampliación espectral del propio láser.
Efectos ópticos de los electrones libres
Los diagnósticos ópticos anteriores miden la radiación lineal de los átomos. Alternativamente, los efectos de las cargas gratuitas sobre la radiación electromagnética se pueden utilizar como diagnóstico.
Emisión ciclotrónica de electrones
En los plasmas magnetizados, los electrones girarán alrededor de las líneas del campo magnético y emitirán radiación de ciclotrón . La frecuencia de la emisión viene dada por la condición de resonancia del ciclotrón . En un plasma suficientemente espeso y denso, la intensidad de la emisión seguirá la ley de Planck y solo dependerá de la temperatura del electrón.
Rotación de Faraday
El efecto Faraday rotará el plano de polarización de un rayo que atraviesa un plasma con un campo magnético en la dirección del rayo. Este efecto se puede utilizar como diagnóstico del campo magnético, aunque la información se mezcla con el perfil de densidad y suele ser solo un valor integral.
Interferometria
Si se coloca un plasma en un brazo de un interferómetro , el cambio de fase será proporcional a la densidad del plasma integrada a lo largo del recorrido.
Dispersión de Thomson
La dispersión de la luz láser de los electrones en un plasma se conoce como dispersión de Thomson . La temperatura del electrón se puede determinar de forma muy fiable a partir del ensanchamiento Doppler de la línea láser. La densidad de electrones se puede determinar a partir de la intensidad de la luz dispersa, pero se requiere una cuidadosa calibración absoluta. Aunque la dispersión de Thomson está dominada por la dispersión de los electrones, dado que los electrones interactúan con los iones, en algunas circunstancias también se puede extraer información sobre la temperatura de los iones.
Diagnóstico de neutrones
Los plasmas de fusión que utilizan combustible DT producen partículas alfa de 3,5 MeV y neutrones de 14,1 MeV. Al medir el flujo de neutrones, se pueden determinar las propiedades del plasma, como la temperatura de los iones y el poder de fusión.
Ver también
- Deflectometría láser schlieren
Referencias
- ↑ Adámek, J .; Stöckel, J .; Hron, M .; Ryszawy, J .; Tichý, M .; Schrittwieser, R .; Ionită, C .; Balan, P .; Martines, E. (2004). "Un enfoque novedoso para la medición directa del potencial plasmático". Revista checoslovaca de física . 54 (S3): C95 – C99. Código bibliográfico : 2004CzJPS..54C..95A . doi : 10.1007 / BF03166386 . ISSN 0011-4626 . S2CID 54869196 .
- ^ Everson, ET; Pribyl, P .; Constantin, CG; Zylstra, A .; Schaeffer, D .; Kugland, NL; Niemann, C. (2009). "Diseño, construcción y calibración de una sonda magnética de alta frecuencia de tres ejes (sonda de punto B) como diagnóstico de plasmas explosivos". Revisión de instrumentos científicos . 80 (11): 113505–113505–8. Código Bibliográfico : 2009RScI ... 80k3505E . doi : 10.1063 / 1.3246785 . ISSN 0034-6748 . PMID 19947729 .
- ^ Pitts, RA; Chavan, R .; Davies, SJ; Erents, SK; Kaveney, G .; Matthews, GF; Neill, G .; Vince, JE; Duran, I. (2003). "Analizador de energía de campo de retardo para el límite de plasma JET" . Revisión de instrumentos científicos . 74 (11): 4644–4657. Código Bibliográfico : 2003RScI ... 74.4644P . doi : 10.1063 / 1.1619554 . ISSN 0034-6748 . S2CID 31524396 .
- ^ Stenzel, RL; Williams, R .; Agüero, R .; Kitazaki, K .; Ling, A .; McDonald, T .; Spitzer, J. (1982). "Analizador de energía iónica direccional novedoso". Revisión de instrumentos científicos . 53 (7): 1027–1031. Código bibliográfico : 1982RScI ... 53.1027S . doi : 10.1063 / 1.1137103 . ISSN 0034-6748 .
- ^ Eubank, HP; Wilkerson, TD (1963). "Analizador de energía iónica para mediciones de plasma". Revisión de instrumentos científicos . 34 (1): 12–18. Código Bibliográfico : 1963RScI ... 34 ... 12E . doi : 10.1063 / 1.1718108 . ISSN 0034-6748 .
- ^ Niemi, Kari (2001). "Niemi, K., V. Schulz-Von Der Gathen y HF Döbele." Calibración absoluta de las medidas de densidad atómica mediante espectroscopia de fluorescencia inducida por láser con excitación de dos fotones " (PDF) . Journal of Physics D: Applied Physics . Doi : 10.1088 / 0022-3727 / 34/15/312 .
- Hutchinson, IH (2005). Principios del diagnóstico de plasma . Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 978-0521675741.
- Zhukov, MF; Ovsyannikov, AA (2000). Diagnóstico de plasma . Cambridge Int. Publicación científica. ISBN 9781898326236.
- Shun'ko, EV (2009). Sonda de Langmuir en teoría y práctica . Editores universales. ISBN 9781599429359.