Kulepennesonde - Ball-pen probe

Kulepennesonde brukt på tokamak CASTOR i 2004. En samler i rustfritt stål beveger seg inne i et keramisk (bornitrid) skjermrør.

Skjematisk bilde av en enkelt kulepennesonde. Ioner (i rødt) har en stor gyromagnetisk radius og kan nå kollektoren lettere enn elektroner (i blått).

En kulepennesonde er en modifisert Langmuir-probe som brukes til å måle plasmapotensialet i magnetiserte plasmaer. Kulepennesonden balanserer elektron- og ionemettingsstrømmene, slik at dens flytende potensial er lik plasmapotensialet. Fordi elektroner har en mye mindre gyroradius enn ioner, kan et bevegelig keramisk skjold brukes til å skjerme av en justerbar del av elektronstrømmen fra sondesamleren.

Kulepennesonder brukes i plasmafysikk, særlig i tokamakker som CASTOR, (Czech Academy of Sciences Torus) ASDEX Upgrade , COMPASS , ISTTOK , MAST , TJ-K, RFX, H-1 Heliac , IR-T1, GOLEM as samt lavtemperaturenheter som DC sylindrisk magnetron i Praha og lineære magnetiserte plasmaenheter i Nancy og Ljubljana .

Prinsipp

Hvis en Langmuir-probe (elektrode) settes inn i et plasma , er dens potensial ikke lik plasmapotensialet fordi en Debye-kappe dannes, men i stedet for et flytende potensial . Forskjellen med plasmapotensialet er gitt av elektrontemperaturen : ${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle V_ {fl}}$ ${\ displaystyle T_ {e}}$

${\ displaystyle \ Phi -V_ {fl} = \ alpha * T_ {e}}$

der koeffisienten er gitt av forholdet mellom elektron- og ionemetningsstrømtetthet ( og ) og samlearealer for elektroner og ioner ( og ): ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle j_ {e} ^ {sat}}$${\ displaystyle j_ {i} ^ {sat}}$${\ displaystyle A_ {e}}$${\ displaystyle A_ {i}}$

${\ displaystyle \ alpha = ln \ left ({\ frac {A_ {e} j_ {e} ^ {sat}} {A_ {i} j_ {i} ^ {sat}}} \ right) = ln (R) }$

Kulepennesonden modifiserer samlearealene for elektroner og ioner på en slik måte at forholdet er lik ett. Følgelig, og det flytende potensialet til kulepennesonden blir lik plasmapotensialet uavhengig av elektrontemperaturen : ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ alpha = 0}$

${\ displaystyle V_ {fl} = \ Phi}$

Design og kalibrering

Potensial og ln (R) til kulepennesonden for forskjellige posisjoner av samleren.

En kulepennesonde består av en konisk formet samler (ikke-magnetisk rustfritt stål , wolfram , kobber , molybden ), som er skjermet av et isolerende rør ( bornitrid , aluminiumoksyd ). Samleren er helt skjermet og hele sondehodet er plassert vinkelrett på magnetfeltlinjer .

Når samleren glir inn i skjoldet, varierer forholdet og kan settes til 1. Tilstrekkelig tilbaketrekningslengde avhenger sterkt av magnetfeltets verdi. Samlerens tilbaketrekning skal være omtrent under ionens Larmor-radius . Kalibrering av riktig posisjon for samleren kan gjøres på to forskjellige måter: ${\ displaystyle R}$

1. Kulepennesondekollektoren er forspent av en lavfrekvent spenning som gir IV-egenskapene og oppnår metningsstrømmen til elektroner og ioner. Samleren trekkes deretter tilbake til IV-egenskapene blir symmetriske. I dette tilfellet er forholdet nær enhet, men ikke akkurat. Hvis sonden trekkes dypere, forblir IV-egenskapene symmetriske. ${\ displaystyle R}$
2. Kulepennsondesamlerpotensialet blir flytende, og samleren trekkes inn til potensialet mettes. Det resulterende potensialet er over Langmuir-sondepotensialet.

Elektron temperaturmålinger

Ved å bruke to målinger av plasmapotensialet med prober hvis koeffisient er forskjellig, er det mulig å hente elektrontemperaturen passivt (uten inngangsspenning eller strøm). Ved hjelp av en Langmuir-probe (med en ikke-ubetydelig) og en kulepunktsonde (hvis tilknytning er nær null) blir elektrontemperaturen gitt av: ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle T_ {e} = {\ frac {\ Phi -V_ {fl}} {\ alpha}}}$

hvor måles av kulepennesonden, av standard Langmuir-sonden, og er gitt av Langmuir-sondens geometri, plasmasgassammensetning, magnetfeltet og andre mindre faktorer ( sekundær elektronutslipp , skjedeutvidelse, etc.) Det kan beregnes teoretisk, dens verdi er omtrent 3 for et ikke-magnetisert hydrogenplasma. ${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle V_ {fl}}$${\ displaystyle \ alpha}$

I praksis er ikke forholdet for kulepennesonden nøyaktig lik en, slik at koeffisienten må korrigeres med en empirisk verdi for : ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle T_ {e} = {\ frac {\ Phi _ {BPP} -V_ {fl}} {\ bar {\ alpha}}},}$

hvor ${\ displaystyle {\ bar {\ alpha}} = \ alpha -ln (R).}$

Referanser

Eksterne linker

• Doktoravhandling, Jiri Adamek (tsjekkisk og engelsk)
• Oversikt: Kulepennesondesign, teori og første resultater på forskjellige fusjonsenheter .
• Undersøkelse av plasmastrømmer og generell analyse av H-modus skudd i tokamak COMPASS
• Målinger av elektriske sonder på COMPASS Tokamak
• Sondemål på COMPASS Tokamak
• Skannende ionefølsom sonde for plasmaprofilmålinger i grensen til Alcator C-Mod tokamak
• Utvikling av prober for vurdering av ionevarmetransport og kappe-varmestrøm i grensen til Alcator C-Mod Tokamak
• Video: Temporal evolusjon av Type I ELM i avledningsregionen på COMPASS tokamak.
• Den nye avlederen Ball-pen og Langmuir sonder på COMPASS tokamak.