Stor plasmaenhet - Large Plasma Device
The Large Plasma Device (ofte stilisert som LArge Plasma Device eller LAPD ) er et eksperimentelt fysikkapparat lokalisert ved UCLA . Den er designet som et generelt laboratorium for eksperimentell plasmafysikkforskning . Enheten begynte å fungere i 1991 og ble oppgradert i 2001 til den nåværende versjonen. Den moderne LAPD drives som den primære enheten for et nasjonalt brukeranlegg, Basic Plasma Science Facility (eller BaPSF), som støttes av US Department of Energy , Fusion Energy Sciences og National Science Foundation . Halvparten av driftstiden til enheten er tilgjengelig for forskere ved andre institusjoner og anlegg som kan konkurrere om tid gjennom en årlig anmodning.
Historie
Den første versjonen av LAPD var en 10 meter lang enhet konstruert av et team ledet av Walter Gekelman i 1991. Byggingen tok 3,5 år å fullføre og ble finansiert av Office of Naval Research (ONR). En større oppgradering til en 20 meter versjon ble finansiert av ONR og en NSF Major Research Instrumentation-pris i 1999. Etter at den store oppgraderingen var fullført, ble tildelingen av et stipend på 4,8 millioner dollar fra US Department of Energy og National Science Foundation i 2001 muliggjorde etableringen av Basic Plasma Science Facility og driften av LAPD som en del av dette nasjonale brukeranlegget. Gekelman var direktør for anlegget frem til 2016, da Troy Carter ble BaPSF-direktør.
Maskinoversikt
LAPD er en lineær pulsert utladningsenhet som drives med høy repetisjonshastighet (1 Hz), og produserer et sterkt magnetisert bakgrunnsplasma som er fysisk stort nok til å støtte Alfvén-bølger . Plasma er produsert av et bariumoksyd (BaO) katode-anodeutslipp i den ene enden av en 20 meter lang, 1 meter diameter sylindrisk vakuumbeholder ( diagram ). Den resulterende plasmakolonnen er omtrent 16,5 meter lang og 60 cm i diameter. Bakgrunnsmagnetfeltet, produsert av en serie store elektromagneter som omgir kammeret, kan varieres fra 400 gauss til 2,5 kilogauss (40 til 250 mT ).
Plasmaparametere
Fordi LAPD er en universell forskningsenhet, blir plasmaparametrene nøye valgt for å gjøre diagnostikk enkel uten problemene forbundet med varmere (f.eks. Fusjonsnivå) plasmaer, mens de fremdeles gir et nyttig miljø å forske på. De typiske driftsparametrene er:
- Tetthet: n = 1–4 10 12 cm −3
- Temperatur: T e = 6 eV, T i = 1 eV
- Bakgrunnsfelt: B = 400–2500 gauss (40–250 mT)
I prinsippet kan et plasma genereres fra hvilken som helst type gass, men inerte gasser brukes vanligvis for å forhindre at plasma ødelegger belegget på bariumoksydkatoden. Eksempler på gasser som brukes er helium , argon , nitrogen og neon . Hydrogen brukes noen ganger i korte perioder. Flere gasser kan også blandes i varierende forhold i kammeret for å produsere multisortplasmaer.
Ved disse parametrene er ionelarmoradiusen noen få millimeter, og Debye-lengden er titalls mikrometer. Viktigere er det at det også innebærer at Alfvén-bølgelengden er noen få meter, og at skjær Alfvén-bølger faktisk observeres rutinemessig i LAPD. Dette er hovedårsaken til enhetens lengde på 20 meter.
Plasmakilder
Hovedkilden til plasma i LAPD produseres via utslipp fra den bariumoksyd (BaO) belagte katoden, som avgir elektroner via termionisk emisjon . Katoden er plassert nær enden av LAPD og er laget av et tynt nikkelark, jevnt oppvarmet til omtrent 900 ° C. Kretsen er lukket av en molybdennettanode et lite stykke unna. Typiske utladningsstrømmer er i området 3-8 kiloampere ved 60-90 volt, levert av en spesialdesignet transistorbryter støttet av en 4- farad kondensatorbank.
En sekundær katodekilde laget av lantanheksaborid (LaB 6 ) ble utviklet i 2010 for å gi et varmere og tettere plasma når det er nødvendig. Den består av fire firkantede fliser som er sammenføyd til et 20 20 cm 2 område og ligger i den andre enden av LAPD. Kretsen er også lukket av en molybdennettanode, som kan plasseres lenger ned i maskinen, og er litt mindre i størrelse til den som ble brukt til å lukke BaO-katodekilden. LaB 6- katoden oppvarmes vanligvis til temperaturer over 1750 ° C ved hjelp av en grafittvarmer, og produserer utladningsstrømmer på 2,2 kiloampere ved 150 volt.
Plasmaet i LAPD pulseres vanligvis ved 1 Hz, med BaO-kilden i 10-20 millisekunder om gangen. Hvis LaB 6- kilden brukes, tømmes den vanligvis sammen BaO-katoden, men i en kortere periode (ca. 5–8 ms) nærmer seg slutten av hver utslippssyklus. Bruken av en oksid-katode plasmakilde, sammen med en veldesignet transistorbryter for utladning, muliggjør et plasmamiljø som er ekstremt reproduserbart skudd til skudd.
Et interessant aspekt av BaO-plasmakilden er dens evne til å fungere som en "Alfvén Maser ", en kilde til kohærent skjær Alfvén-bølger med stor amplitude. Resonanshulen er dannet av den høyreflekterende nikkelkatoden og den halvgjennomsiktige gitteranoden. Siden kilden er plassert på enden av solenoiden som genererer det viktigste LAPD-bakgrunnsfeltet, er det en gradient i magnetfeltet i hulrommet. Ettersom skjærbølger ikke forplanter seg over ionesyklotronfrekvensen , er den praktiske effekten av dette å fungere som et filter på modusene som kan bli eksitert. Maseraktivitet skjer spontant ved visse kombinasjoner av magnetfeltstyrke og utladningsstrøm, og kan i praksis aktiveres (eller unngås) av maskinbrukeren.
Diagnostisk tilgang og sonder
Sonder
Hoveddiagnosen er den bevegelige sonden. Den relativt lave elektrontemperaturen gjør sondekonstruksjon grei og krever ikke bruk av eksotiske materialer. De fleste sonder er konstruert internt i anlegget og inkluderer magnetfeltsonder, Langmuir-sonder , Mach-sonder (for å måle strømning), elektriske dipolprober og mange andre. Standard sondedesign tillater også eksterne brukere å ta med seg sin egen diagnostikk, hvis de ønsker det. Hver sonde settes inn gjennom sin egen vakuumforrigling, som gjør at sonder kan legges til og fjernes mens enheten er i drift.
En reproduksjonshastighet på 1 Hz, kombinert med den høye reproduserbarheten til bakgrunnsplasmaet, muliggjør rask innsamling av enorme datasett. Et eksperiment på LAPD er vanligvis designet for å bli gjentatt en gang i sekundet, i så mange timer eller dager som er nødvendig for å sette sammen et komplett sett med observasjoner. Dette gjør det mulig å diagnostisere eksperimenter ved hjelp av et lite antall bevegelige sonder, i motsetning til de store sondeoppstillingene som brukes i mange andre enheter.
Hele lengden på enheten er utstyrt med "kuleledd", vakuumtette vinkelkoblinger (oppfunnet av en LAPD-medarbeider) som gjør at sonder kan settes inn og roteres, både vertikalt og horisontalt. I praksis brukes disse i forbindelse med datastyrte motoriserte sondrivere for å prøve "plan" (vertikale tverrsnitt) av bakgrunnsplasmaet med den sonden som er ønsket. Siden den eneste begrensningen på datamengden som skal tas (antall punkter i flyet) er mengden tid brukt til å ta bilder på 1 Hz, er det mulig å sette sammen store volumetriske datasett bestående av mange plan på forskjellige aksiale steder.
Visualiseringer sammensatt av slike volumetriske målinger kan sees på LAPD-galleriet .
Inkludert kuleledd er det totalt 450 tilgangsporter på maskinen, hvorav noen er utstyrt med vinduer for optisk observasjon eller mikrobølgeovn.
Annen diagnostikk
En rekke andre diagnoser er også tilgjengelige på LAPD for å utfylle målinger av sondene. Disse innbefatter fotodioder , mikro interferometrene , et høyhastighetskamera (3 ns / ramme) og laser-induserte fluorescens .
Se også
- Liste over plasma (fysikk) artikler
- Enormous Toroidal Plasma Device (ETPD), en toroidal plasmaenhet plassert i samme anlegg som LAPD