Диагностика плазмы

ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ, процесс и методы определения значений параметров плазмы с целью их контроля и управления ими. Диагностика  плазмы обеспечивает определение мгновенных значений и эволюции во времени состава, формы и положения плазмы, средних значений и флуктуаций параметров (концентрации компонент, скорости движения, внутренних полей), их распределений в физическом пространстве (профилей) и пространстве скоростей (функций распределения), скорости химических и ядерных реакций, населённости энергетических уровней, коэффициента переноса и т.п.

Диагностика  плазмы использует как общие, так и специфические методы и устройства в случаях высокотемпературной, низкотемпературной, космической, химически активной и пылевой плазмы. Диагностика  плазмы основана на анализе формируемых плазмой электрических и магнитных полей, излучений (от микроволнового до гамма-диапазона), покидающих плазму частиц, а также взаимодействия плазмы с зондами и её реакции на внешние воздействия электрических и магнитных полей, излучений, атомарных и ионных пучков, макрочастиц.

Реклама

Методы диагностики плазмы делятся на локальные, способные определять параметры в ограниченном объёме плазмы, и нелокальные, определяющие значения, усреднённые вдоль линии зондирования, по сечению или объёму. Для многолучевого и многоракурсного наблюдения плазмы используются камеры-обскуры. Динамику плазмы исследуют с применением аналого-цифрового преобразования сигналов и методов регистрации быстропротекающих процессов (скоростное фотографирование и т.п.). Для установления связи между измеряемыми параметрами плазмы и сигналами датчиков необходимы выбор физической модели измерений, модели измерительного устройства и определение его аппаратной функции. При реализации конкретного метода диагностики плазмы адекватность принятой модели контролируют, сравнивая с аналогичными данными других диагностик. Если распределения плазмы либо её отдельный компонент близки к равновесным, то диагностика плазмы упрощается, т.к. можно пользоваться усреднёнными характеристиками и понятием температуры. При этом часто приходится различать температуры электронов и тяжёлых частиц.

Основная тенденция развития диагностики плазмы - получение двух- и трёхмерных распределений параметров плазмы в режиме реального времени.

В зависимости от того, возникают возмущения плазмы в процессе измерений или нет, методы диагностики плазмы делят на пассивные и активные. При использовании активных методов возмущения плазмы стремятся минимизировать.

Классификация методов диагностики плазмы основана на использовании физических принципов измерений (диагностика электромагнитная, зондовая, болометрическая, спектроскопическая, оптическая и термографическая, микроволновая и лазерная, нейтронная, продуктов реакций и эрозии поверхностей, взаимодействующих с плазмой).

Электромагнитные методы используются для определения средних значений колебаний и флуктуаций магнитных полей в плазменном объёме; токов и полей, генерируемых в плазме и окружающих её стенках; формы и положения плазменного шнура; среднего газокинетического давления плазмы. Эти методы применяются в системах с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы (в токамаках, пинчевых разрядах и др.). В качестве датчиков используются магнитные катушки, петли, датчики Холла. Поскольку эти датчики очень чувствительны к скорости изменения полей, электромагнитные методы диагностики плазмы применяются в квазистационарных разрядах.

Зондовые методы были первыми методами измерения локальных параметров плазмы (впервые применены ещё в 1920-х годах И. Ленгмюром). Для проведения измерений в плазму вводятся электроды, анализаторы потоков частиц или излучений. Контакт с плазмой ограничивает область применимости зондов, так как они могут выдержать тепловые потоки не более 10 МВт/м2, что соответствует концентрации около 1020 м-3 при температуре 10 эВ. Зондовые измерения надёжны в бесстолкновительном режиме, когда длины пробега частиц превышают размеры зонда. Интерпретация данных в сложных условиях (магнитные поля, наличие столкновений, высокие скорости потоков и др.) затруднена.

Полные потери энергии из плазмы на стенки, включающие транспортные (частицы) и радиационные (излучение), измеряют болометрами. Болометрические измерения основаны на изменении свойств материалов (например, электрической проводимости) при нагреве поверхности.

Спектральные методы основаны на анализе интенсивности и формы спектральных линий атомов, ионов и молекул, присутствующих в плазме. По характерным линиям можно определять состав плазмы, концентрацию излучающей компоненты, в том числе примесей; по доплеровскому уширению и сдвигу можно определять скорости движения частиц и температуру; по абсолютной и относительной интенсивности излучения - температуру и концентрацию электронов; используя эффекты Зеемана и Штарка, - магнитные и электрические поля. Наиболее точную информацию спектральные методы дают для оптически тонкой плазмы. Для анализа реальной плазмы используют модели полного или частичного локального термодинамического равновесия, а также коронарную или более общую ударно-радиационную модель. В оптически плотной плазме по мере распространения излучения к границам контуры линий трансформируются и информативность спектрального метода существенно уменьшается.

В активной спектроскопии плазмы используется инжекция пучков нейтральных атомов, которые за счёт перезарядки создают излучающие в оптическом диапазоне ионы. Метод позволяет изучать состояние ионных компонент плазмы.

Микроволновые методы в процессе измерений используют излучения в гигагерцевом диапазоне частот (порядка 1010 Гц). Наибольшее распространение получили: резонаторный метод определения концентрации электронов по сдвигу резонансной частоты; интерферометрические методы определения электронной концентрации, основанные на сдвиге фазы зондирующей волны в плазме; рефлектометры, использующие эффект отражения электромагнитной волны от так называемой области отсечки (где совпадают плазменная и зондирующая частоты); радиометры, работающие на второй гармонике циклотронного излучения, интенсивность которого пропорциональна электронной температуре; метод диагностики флуктуаций по коллективному рассеянию волн. В случае, когда микроволновое излучение проходит через плазму (не отражается ею), используется излучение на частотах, превышающих плазменную.

Применение лазеров в интерферометрических методах диагностики плазмы даёт возможность определять более высокие концентрации электронов в плотных плазмах (до 10 - 1022 м-3). Если у атомов имеются резонансные переходы, частоты которых близко расположены к частоте зондирующего луча, то при определении концентрации атомов чувствительность методов возрастает на 6-10 порядков.

Рассеяние излучения на свободных электронах приводит к изменению частоты рассеянной волны, измерения которой позволяют определить функцию распределения частиц по скоростям, их плотность, температуру, направленную скорость.

Корпускулярная диагностика плазмы основана на анализе потоков частиц, излучаемых самой плазмой (пассивная),

или результатов взаимодействия с плазмой инжектированных в плазму пучков нейтральных атомов или тяжёлых ионов (активная). При пассивной корпускулярной диагностике плазмы исследуют энергетические спектры и потоки нейтральных атомов, образующихся в результате перезарядки в объёме. Этим методом измеряют температуру Ti ионного состава плазмы в квазистационарных термоядерных установках.

При активной корпускулярной диагностике плазмы анализируют упругое и неупругое рассеяние атомов пучка, потоки атомов перезарядки в пучке. Метод позволяет определить температуру и плотность ионов плазмы.

Пучки тяжёлых ионов (например, таллия) с энергией до 300 кэВ используют при изучении электрических полей в плазме тороидальных ловушек и в исследованиях турбулентности.

Нейтронную диагностику плазмы применяют при анализе спектров и распределений нейтронов, возникающих в процессе термоядерных реакций. Кроме распределения термоядерной мощности в реакторе при максвелловском распределении частиц метод позволяет оценить температуру ионов.

Диагностика поверхностей и пылевых частиц, образующихся в плазме, основана на туннельной и атомно-силовой микроскопии, а также на всех методах исследования поверхности, используемых в физике твёрдого тела.

Лит.: Пятницкий Л. Н. Лазерная диагностика плазмы. М., 1976; Чан П., Тэлбот Л., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме. М., 1978; Диагностика термоядерной плазмы / Под редакцией С. Ю. Лукьянова. М., 1985; Райзер Ю. П. Физика газового разряда. 2-е изд. М., 1992.

А. П. Жилинский, Б. В. Кутеев.