Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Большой плазменный прибор во время эксперимента.

Большой плазменный аппарат (часто стилизованная под большим плазменным устройством или LAPD ) является экспериментальной физики устройство находится в Лос - Анджелесе . Он разработан как лаборатория общего назначения для экспериментальных исследований физики плазмы . Устройство было введено в эксплуатацию в 1991 г. [1] и в 2001 г. [2] модернизировано до текущей версии. Современный LAPD используется в качестве основного устройства для национального пользовательского центра, Basic Plasma Science Facility (или BaPSF), который поддерживается Министерством энергетики США , Fusion Energy Sciences и Национальным научным фондом . [3]Половина рабочего времени устройства доступна ученым из других учреждений и учреждений, которые могут побороться за время посредством ежегодного запроса. [4] [5]

История [ править ]

Первая версия LAPD представляла собой устройство длиной 10 метров, построенное командой под руководством Вальтера Гекельмана в 1991 году. Строительство заняло 3,5 года и финансировалось Управлением военно-морских исследований (ONR). Основное обновление до 20-метровой версии было профинансировано ONR и наградой NSF Major Research Instrumentation в 1999 году. [6] После завершения этого крупного обновления Министерство энергетики США и Национальное научное агентство США предоставили грант в размере 4,8 миллиона долларов. Фонд в 2001 году позволил создать Центр фундаментальных исследований плазмы и использовать LAPD как часть этого национального пользовательского центра. Гекельман был директором предприятия до 2016 года, когда Трой Картер стал директором БаПСФ.

Обзор машины [ править ]

Вид на лабораторию и интерьер Большого плазменного устройства в южной части машины во время его модернизации в январе 2020 года.

LAPD - это устройство с линейным импульсным разрядом, работающее с высокой частотой повторения (1 Гц), производящее сильно намагниченную фоновую плазму, физически достаточно большую, чтобы поддерживать альфвеновские волны . Плазма образуется из катодно-анодного разряда оксида бария (BaO) на одном конце цилиндрического вакуумного сосуда длиной 20 метров и диаметром 1 метр ( диаграмма ). Образующийся плазменный столб имеет длину примерно 16,5 метра и диаметр 60 см. Фоновое магнитное поле, создаваемое рядом больших электромагнитов, окружающих камеру, может изменяться от 400 гаусс до 2,5 килогаусс (от 40 до 250 мТл ).

Параметры плазмы [ править ]

Поскольку LAPD является универсальным исследовательским устройством, параметры плазмы тщательно выбираются, чтобы упростить диагностику без проблем, связанных с более горячей (например, термоядерной) плазмой, при этом обеспечивая полезную среду для проведения исследований. Типичные рабочие параметры:

  • Плотность: n = 1–4 10 12 см –3.
  • Температура: T e = 6 эВ, T i = 1 эВ
  • Фоновое поле: B = 400–2500 гаусс (40–250 мТл)

В принципе, плазму можно генерировать из любого газа, но обычно используются инертные газы, чтобы предотвратить разрушение плазмой покрытия на катоде из оксида бария. Примеры используемых газов: гелий , аргон , азот и неон . Иногда водород используется в течение коротких периодов времени. Несколько газов также могут быть смешаны в различных соотношениях внутри камеры для создания многовидовой плазмы.

При этих параметрах ларморовский радиус иона составляет несколько миллиметров, а длина Дебая - десятки микрометров. Важно отметить, что это также означает, что длина альфвеновской волны составляет несколько метров, и на самом деле поперечные альфвеновские волны обычно наблюдаются в LAPD. Это основная причина 20-метровой длины устройства.

Источники плазмы [ править ]

Внутренний вид из оконечного порта на северном конце устройства, показывающий нагретый катод из оксида бария. В аппарате вакуум, но плазменный разряд выключен.

Основной источник плазмы в LAPD создается за счет разряда с катода, покрытого оксидом бария (BaO), который испускает электроны посредством термоэлектронной эмиссии . Катод расположен рядом с концом LAPD и изготовлен из тонкого никелевого листа, равномерно нагретого примерно до 900 ° C. Цепь замыкается анодом из молибденовой сетки на небольшом расстоянии. Типичные токи разряда находятся в диапазоне 3–8 килоампер при напряжении 60–90 вольт, подаваемых с помощью специально разработанного транзисторного переключателя, поддерживаемого батареей конденсаторов емкостью 4 фарада .

Вторичный катодный источник из гексаборида лантана (LaB 6 ) был разработан в 2010 году [7] для получения более горячей и плотной плазмы при необходимости. Он состоит из четырех квадратных плиток, соединенных в область 20 20 см 2, и расположен на другом конце LAPD. Цепь также замыкается анодом из молибденовой сетки, который может быть размещен дальше в машине, и по размеру он немного меньше того, который используется для закрытия катодного источника BaO. Катод LaB 6 обычно нагревается до температур выше 1750 ° C с помощью графитового нагревателя и создает токи разряда 2,2 килоампер при 150 вольт.

Плазма в LAPD обычно пульсирует с частотой 1 Гц, при этом фоновый источник BaO включен на 10-20 миллисекунд за раз. Если используется источник LaB 6 , он обычно разряжает вместе катод BaO, но в течение более короткого периода времени (около 5–8 мс) ближе к концу каждого цикла разряда. Использование источника плазмы с оксидным катодом вместе с хорошо спроектированным транзисторным переключателем для разряда позволяет создать плазменную среду, которая является чрезвычайно воспроизводимой от кадра к выстрелу.

Одним из интересных аспектов источника плазмы BaO является его способность действовать как «альфвеновский мазер », источник когерентных поперечных альфвеновских волн большой амплитуды. [8] Резонансная полость образована никелевым катодом с высокой отражающей способностью и полупрозрачным решетчатым анодом. Поскольку источник расположен на конце соленоида, который генерирует основное фоновое поле LAPD, внутри полости существует градиент магнитного поля. Поскольку поперечные волны не распространяются выше ионной циклотронной частоты, на практике это действует как фильтр для мод, которые могут быть возбуждены. Мазерная активность возникает самопроизвольно при определенных комбинациях напряженности магнитного поля и тока разряда и на практике может быть активирована (или предотвращена) пользователем машины.

Диагностический доступ и зонды [ править ]

Зонды [ править ]

Основная диагностика - подвижный зонд. Относительно низкая электронная температура делает конструкцию зонда простой и не требует использования экзотических материалов. Большинство датчиков изготавливаются на предприятии и включают датчики магнитного поля, [9] датчики Ленгмюра, датчики Маха (для измерения расхода), электрические дипольные датчики и многие другие. Стандартная конструкция зонда также позволяет внешним пользователям при желании приносить с собой собственные диагностические данные. Каждый зонд вставляется через собственную вакуумную блокировку, что позволяет добавлять и извлекать зонды во время работы устройства.

Частота воспроизведения 1 Гц в сочетании с высокой воспроизводимостью фоновой плазмы позволяет быстро собирать огромные массивы данных. Эксперимент с LAPD обычно планируется повторять один раз в секунду в течение стольких часов или дней, сколько необходимо для сбора полного набора наблюдений. Это позволяет диагностировать эксперименты с использованием небольшого количества подвижных датчиков, в отличие от больших массивов датчиков, используемых во многих других устройствах.

По всей длине устройства установлены «шаровые шарниры», вакуумные угловые муфты (изобретенные сотрудником LAPD), которые позволяют вставлять и вращать датчики как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. На практике они используются в сочетании с моторизованными приводами датчиков с компьютерным управлением для отбора проб "плоскостей" (вертикальных поперечных сечений) фоновой плазмы любым датчиком. Поскольку единственное ограничение на объем данных, которые необходимо взять (количество точек на плоскости), - это количество времени, затрачиваемого на запись снимков с частотой 1 Гц, можно собрать большие объемные наборы данных, состоящие из многих плоскостей в разных осевых положениях.

Визуализации, составленные из таких объемных измерений, можно увидеть в галерее LAPD .

Включая шаровые опоры, на машине имеется в общей сложности 450 отверстий для доступа, некоторые из которых оснащены окнами для оптического или микроволнового наблюдения.

Другая диагностика [ править ]

В LAPD также доступны различные другие диагностические средства в дополнение к измерениям с помощью датчиков. К ним относятся фотодиоды , микроволновые интерферометры , высокоскоростная камера (3 нс / кадр) и индуцированная лазером флуоресценция .

См. Также [ править ]

  • Список статей по плазме (физике)
  • Огромное тороидальное плазменное устройство (ETPD), тороидальное плазменное устройство, размещенное в том же помещении, что и LAPD.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Gekelman, W .; Pfister, H .; Lucky, Z .; Bamber, J .; Leneman, D .; Мэггс, Дж. (1991). «Дизайн, конструкция и свойства большого устройства исследования плазмы - LAPD в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе». Обзор научных инструментов . 62 (12): 2875–2883. Bibcode : 1991RScI ... 62.2875G . DOI : 10.1063 / 1.1142175 . ISSN  0034-6748 .
  2. ^ Gekelman, W .; Прибыл, П .; Lucky, Z .; Drandell, M .; Leneman, D .; Maggs, J .; Vincena, S .; Van Compernolle, B .; Трипати, СКП (2016). «Модернизированная Большая плазменная установка, машина для изучения фундаментальной физики плазмы». Обзор научных инструментов . 87 (2): 025105. Bibcode : 2016RScI ... 87b5105G . DOI : 10.1063 / 1.4941079 . ISSN 0034-6748 . PMID 26931889 .  
  3. ^ «US NSF - MPS - PHY - Средства и центры» . www.nsf.gov . Проверено 29 июля, 2020 .
  4. Перейти ↑ Samuel Reich, Eugenie (2012). «Лаборатория астрофизики стремится к звездам» . Природа . 491 (7425): 509. Bibcode : 2012Natur.491..509R . DOI : 10.1038 / 491509a . ISSN 0028-0836 . PMID 23172193 .  
  5. ^ Перес, Жан С .; Horton, W .; Bengtson, Roger D .; Картер, Трой (2006). «Исследование сильного поперечного сдвигового потока с помощью датчика завихренности в Большом плазменном устройстве». Физика плазмы . 13 (5): 055701. Bibcode : 2006PhPl ... 13e5701P . DOI : 10.1063 / 1.2179423 . ISSN 1070-664X . 
  6. ^ "Поиск награды NSF: Награда № 9724366 - Обновление большого плазменного устройства" . www.nsf.gov . Проверено 29 июля, 2020 .
  7. ^ Купер, CM; Gekelman, W .; Прибыл, П .; Лаки, З. (2010). «Новый источник плазмы гексаборида лантана большой площади». Обзор научных инструментов . 81 (8): 083503. Bibcode : 2010RScI ... 81h3503C . DOI : 10.1063 / 1.3471917 . ISSN 0034-6748 . PMID 20815604 .  
  8. ^ Мэггс, JE; Моралес, ГДж; Картер, Т.А. (2004). "Мазер альфвеновских волн в лаборатории". Физика плазмы . 12 (1): 013103. Bibcode : 2005PhPl ... 12a3103M . DOI : 10.1063 / 1.1823413 . ISSN 1070-664X . PMID 12906425 .  
  9. ^ Everson, ET; Прибыл, П .; Константин, CG; Зилстра, А .; Schaeffer, D .; Кугланд, Нидерланды; Ниманн, К. (2009). «Проектирование, изготовление и калибровка трехосного высокочастотного магнитного зонда (зонд B-dot) для диагностики взрывающейся плазмы». Обзор научных инструментов . 80 (11): 113505. Bibcode : 2009RScI ... 80k3505E . DOI : 10.1063 / 1.3246785 . ISSN 0034-6748 . PMID 19947729 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Веб-сайт Центра фундаментальных исследований плазмы