měření parametrů plazmatu pomocí elektrických sond na tokamaku golem (příprava experimentu)
DESCRIPTION
Měření parametrů plazmatu pomocí elektrických sond na tokamaku GOLEM (příprava experimentu). Jan Stöckel Ústav fyziky plazmatu AV ČR. Nejdůležitější parametry plazmatu, které je třeba měřit Co je to Langmuirova sonda Uspořádání experimentu Jak budeme měřit. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Měření parametrů plazmatu pomocí elektrických sond na tokamaku GOLEM
(příprava experimentu)
Jan Stöckel Ústav fyziky plazmatu AV ČR
1.10. 2014
• Nejdůležitější parametry plazmatu, které je třeba měřit
• Co je to Langmuirova sonda
• Uspořádání experimentu
• Jak budeme měřit
Uvítám otázky během mé přednášky
• Plazma je ionizovaný plyn (čtvrté skupenství hmoty). Skládá se s elektronů, kladně nabitých iontů a neutrálních atomů (molekul).
• Plazma v tokamaku je prakticky plně ionizované. To znamená, že se skládá pouze z elektronů a iontů.
• Jednou ze základních vlastností plazmatu je tzv. kvazineutralita. Jedná se o přibližnou rovnost koncentrací kladně nabitých iontů a záporně nabitých elektronů
• Celkový náboj plazmatu je tudíž roven nule
Co je to plazma?
Plazma bez magnetického polenabité částice se pohybují chaotickyvšemi směry
Plazma v magnetickém polinabité částice se pohybují po spirálekolem magnetické siločáry
Elektrická (Langmuirova) sonda
Elektrická sonda je nástroj ke stanovení parametrů plazmatu jako je hustota, teplota a potenciál plazmatu.
Irving Langmuir (1881-1957) byl americký fyzik a chemik, který v roce 1932 získal Nobelovu cenu za chemii. Byl jedním z prvních vědců, kteří pracovali s plazmatem a vůbec prvním, který ji tak nazval.
Sonda je vodivá elektroda vnořená do plazmatu. Přikládáme na ní napětí vůči nějaké referenční elektrodě a měříme proud který jí protéká.
• Jednoduchá a laciná metoda• Velké prostorové a časové rozlišení• Různé tvary (rovinná, válcová,
kulová)• Komplikovaná interpretace
naměřených dat
plazma
Hustota plazmatuHustota plazmatu – počet nabitých částic v jednotkovém objemu • Označuje se obvykle n a udává se v jednotkách [m-3]• Hustota plazmatu v tokamacích se pohybuje v rozmezí 1017 –1020 m-3
Je to velmi nízká hustota. Hustota molekul plynu za normální teploty a tlaku je zhruba milionkrát větší
n0 = 2,7×1025 m−3 (Loschmitovo číslo)
V tokamaku je největší hustota ve středu prstence plazmatu, n(0) a nejnižší na okraji. Poloměr sloupce plazmatu je a
22 /1)0()( arnrn
Rychlosti nabitých částic v plazmatu
Rozdělení elektronů v plazmatu podle jejich rychlostí v jednom vybraném směru Maxwellovo rozdělení
Teplota nabitých částic je úměrná šířce rozdělovací funkce. Vyšší teplotě odpovídá širší rozdělení!!!
Pokud plazma ohřejeme na vyšší teplotu křivka se rozšíří a její maximum klesne Neboť:Plocha pod křivkou (integrál rozdělovací funkce) se rovná hustotě částic.
Teplota plazmatu
Teplota plazmatu je střední kinetická energie nabitých částic
Obě komponenty plazmatu mohou mít zcela rozdílné teploty
Proto se udává (měří) teplota elektronů a teplota iontů
Teplota v tokamakcích se obvykle udává v elektronvoltech, nikoli ve stupních Kelvina. Převodní vztah 1 eV = 11 000 Kelvin
V tokamaku se teplota pohybuje od
10 eV na okraji plazmatu (sto tisíc Kelvin) 10 000 eV – ve středu sloupce (sto milionů Kelvin)
Rychlost elektronů a iontů v plazmatu
Předpokládejme, že máme vodíkové plazma, v němž je teplota elektronů
rovna teplotě iontů Te = Ti .
Ionty se v tomto případě pohybují mnohem pomaleji nežli elektrony, protože jsou hmotnější –
Mi ~ 1800*me
40/ e
iie m
Mvv
• Kvazineutralita je je porušena v oblasti plazmatu jejíž rozměr je podstatně větší než tzv Debyeova vzdálenost.
• V tokamakovém plazmatu je Debyeova vzdálenost malá – okolo 20 mikrometrů
• Kvazineutralita je porušena, když do plazmatu vnoříme nějaké pevné těleso • Ve vzdálenosti větší než Debyeova stínící délka je již plazma opět
kvazineutrální
Debyeova stínící vrstva
Elektrony plazmatu se pohybujímnohem větší rychlostí ke stěněvnořené do plazmatu – v Debyeověstínící vrstvě převažují kladné ionty
Potenciál plazmatu
Potenciál plazmatu – na sondu vnořenou do plazmatu přiložíme takové kladné napětí, aby vymizela Debyeova stínící vrstva.Na sondu se přitom urychlují elektrony a kompenzuji kladný prostorový náboj ve stěnové vrstvě.
Potenciál plazmatu se obvykle označuje
Tok nabitých částic na sondu
Sonda je na stejném potenciálu jako plazma
Sonda je nabita záporně vůči potenciálu plazmatu
Nejpomalejší elektrony se od sondy odpuzují a nedopadnouna ni.
Sondová charakteristika
So
nd
ový
p
rou
d
Napětí na sondě
Elektronový nasycenýproud
Iontový nasycenýproud Potenciál plazmatu
Jak se měří iontový nasycený proud?
Na sondu se přiloží dostatečně vysokézáporné napětí proti referenční elektrodě(komora tokamaku) a měří se spád napětína malém sériovém odporu.
Měřený proud je iontový nasycený proud,který snadno spočítáme z Ohmova zákona jako
Isat = U/R = U/50 U
Jak se měří plovoucí potenciál ?Měření se prakticky realizuje následovně: Mezi sondu a referenční elektrodu se zapojí velký odpor (řádu MOhm), kterým protéká zanedbatelný proud. Měříme napětí na sondě. Rozsah AD převodníků však bývá menší, než typická hodnota měřeného napětí, takže obvykle musíme použít dělič napětí.
Přímé měření Ufloat Měření Ufloat s napěťovým děličem 1:100
Vfl Vfl/10
Vzorec popisující sondovou charakteristiku
z experimentálně změřené I-V charakteristiky snadno odhadneme dvě veličiny• Iontový nasycený proud - sonda nabita na dostatečně velké záporné napětí• Plovoucí potenciál – sondou neprotéká elektrický proud
esflsats kTVVII /)(exp1
Měříme Měříme Měříme Měříme
Postupně volíme velikost elektronové teploty tak, aby experimentálně změřená charakteristika souhlasila s teoretickou předpovědí
Iontový nasycený proud Isat
Plovoucí potenciál Vfl
Měření voltampérové charakteristiky
Napětí na sondě se bude v čase měnit – napěťová pila o frekvenci 1 kHz
Budeme měřit sondový proud
Isonda =Iionsat {1 - exp [- e(Vfloat-Vsonda)/kTe]}
Voltampérová charakteristika jednoduché sondy
Plovoucí potenciálIontový nasycený proud
Z měřených signálů napětí a proudu sestrojíme voltampérovou charakteristiku. Z jejího tvaru stanovíme nejprve iontový nasycený proud a plovoucí potenciál.
Čas potřebný ke změření jedné I-V characteristiky je okolo 1 ms
Elektronovou teplotu zjistíme porovnáním tvaru charakteristiky s teoretickou předpovědí
Tokamak GOLEM
Velký poloměr vakuové komory 40 cmMalý poloměr vakuové komory 10 cmMalý Poloměr plazmového prstence 8,5 cmToroidální magnetické pole < 0,5 TProud plazmatem < 8 kADélka výboje < 20 ms
Centrální elektronová teplota ~ 100 eVStřední hustota plazmatu ~ 1.1019 m-3
Hustota plazmatu na okraji ~1018 m-3
Elektronová teplota na okraji ~ 10-40 eV
Nejstarší tokamak na světě, který je ještě v provozu
1958-1976 Ústav IV Kurchatova TM 11977- 2007 ÚFP Praha CASTORod 2009 – FJFI ČVUT GOLEM
Uspořádání experimentu
Hřebínek 16ti Langmuirových sond je umístěn na manipulátoru, který umožní měnit vzdálenost sond od středu sloupce plazmatu (mezi jednotlivými výstřely tokamaku)
Časový vývoj signálů z jednotlivých sond se bude digitalizovat 16 AD převodníky a ukládat do paměti počítače
Závěr
• Okrajové plazma je velmi důležitá oblast v tokamaku – determinuje
udržení, formování transportních barier, …)
• Pro pochopení fyzikálních procesů je nezbytné využívat diagnostické
metody s co nevyšším prostorovým a časovým rozlišením
• Elektrické sondy a jejich pole jsou extrémně užitečné nástroje jak pro
měření hlavních parametrů plazmatu (tak i pro studium turbulence)
Rychlost nabitých částic v plazmatuRychlost nabité částice se v plazmatu má tři složky. Absolutní hodnota rychlosti je
Nejpravděpodobnější rychlost
Střední rychlost
Střední kvadratická rychlost
m
kTvk
3
S rostoucí teplotou vzrůstá střední rychlost částic
2222zyx vvvv
Dá se ukázat, že Maxwellovo rozdělení pro absolutní hodnotu rychlosti má tvar
Rychlost elektronů a iontů v plazmatu
Předpokládejme, že máme vodíkové plazma, v němž je teplota elektronů
rovna teplotě iontů Te = Ti . Ionty se v tomto případě pohybují mnohem pomaleji nežli elektrony, protože jsou hmotnější –
Mi ~ 1800*me
ee m
kTv
2
ii M
kTv
2
40/ e
iie m
Mvv