Los diagnósticos de plasma son un conjunto de métodos, instrumentos y técnicas experimentales que se utilizan para medir las propiedades de un plasma , como la densidad de los componentes del plasma , la función de distribución de la energía ( temperatura ), sus perfiles espaciales y su dinámica, que permiten derivar parámetros del plasma .
Una sonda de bolígrafo es una técnica novedosa que se utiliza para medir directamente el potencial del plasma en plasmas magnetizados. La sonda fue inventada por Jiří Adámek en el Instituto de Física del Plasma AS CR en 2004. [1] La sonda de bolígrafo equilibra la corriente de saturación de electrones con la misma magnitud que la corriente de saturación de iones. En este caso, su potencial de flotación se vuelve idéntico al potencial del plasma. Este objetivo se logra mediante un escudo cerámico, que protege una parte ajustable de la corriente de electrones del colector de la sonda debido al radio giro mucho más pequeño de los electrones. La temperatura del electrón es proporcional a la diferencia entre el potencial de la sonda de bolígrafo (potencial de plasma) y la sonda de Langmuir (potencial flotante). Por lo tanto, la temperatura de los electrones se puede obtener directamente con alta resolución temporal sin suministro de energía adicional .
La copa de Faraday convencional se aplica para mediciones de flujos de iones (o electrones) desde los límites del plasma y para espectrometría de masas .
Las mediciones con sondas eléctricas, llamadas sondas Langmuir , son los procedimientos más antiguos y utilizados para plasmas de baja temperatura. El método fue desarrollado por Irving Langmuir y sus colaboradores en la década de 1920, y desde entonces se ha desarrollado aún más para extender su aplicabilidad a condiciones más generales que las supuestas por Langmuir. Las mediciones de la sonda Langmuir se basan en la estimación de las características de corriente versus voltaje de un circuito que consta de dos electrodos metálicos, ambos sumergidos en el plasma bajo estudio. Son de interés dos casos: (a) Las áreas superficiales de los dos electrodos difieren en varios órdenes de magnitud. Esto se conoce como método de sonda única . (b) Las áreas superficiales son muy pequeñas en comparación con las dimensiones del recipiente que contiene el plasma y aproximadamente iguales entre sí. Este es el método de doble sonda .
La teoría convencional de la sonda Langmuir supone un movimiento sin colisiones de los portadores de carga en la vaina de carga espacial alrededor de la sonda. Además, se supone que el límite de la vaina está bien definido y que más allá de este límite el plasma no se ve afectado en absoluto por la presencia de la sonda. Esto significa que el campo eléctrico causado por la diferencia entre el potencial de la sonda y el potencial del plasma en el lugar donde se encuentra la sonda está limitado al volumen dentro del límite de la vaina de la sonda.
La descripción teórica general de la medición de una sonda Langmuir requiere la solución simultánea de la ecuación de Poisson , la ecuación de Boltzmann sin colisiones o ecuación de Vlasov y la ecuación de continuidad con respecto a la condición de contorno en la superficie de la sonda y que requiere que, a grandes distancias de la sonda, la solución se aproxima a la esperada en un plasma no perturbado.
Si el campo magnético en el plasma no es estacionario, ya sea porque el plasma en su conjunto es transitorio o porque los campos son periódicos (calentamiento por radiofrecuencia), la tasa de cambio del campo magnético con el tiempo ( , lea "B-punto ") se puede medir localmente con un bucle o una bobina de alambre. Estas bobinas aprovechan la ley de Faraday , según la cual un campo magnético cambiante induce un campo eléctrico. [2] El voltaje inducido se puede medir y registrar con instrumentos comunes. Además, por la ley de Ampere , el campo magnético es proporcional a las corrientes que lo producen, por lo que el campo magnético medido da información sobre las corrientes que fluyen en el plasma. Tanto las corrientes como los campos magnéticos son importantes para comprender la física fundamental del plasma.
Un analizador de energía es una sonda que se utiliza para medir la distribución de energía de las partículas en un plasma. Las partículas cargadas generalmente se separan por sus velocidades de los campos eléctricos y/o magnéticos en el analizador de energía, y luego se discriminan permitiendo que solo las partículas con el rango de energía seleccionado lleguen al detector.
Los analizadores de energía que utilizan un campo eléctrico como discriminador también se conocen como analizadores de campo retardados. [3] [4] Por lo general, consiste en un conjunto de rejillas polarizadas a diferentes potenciales para establecer un campo eléctrico para repeler partículas con una cantidad de energía inferior a la deseada lejos del detector. Los analizadores con campo frontal cilíndrico o cónico [5] pueden ser más efectivos en tales mediciones.
Por el contrario, los analizadores de energía que emplean el uso de un campo magnético como discriminador son muy similares a los espectrómetros de masas . Las partículas viajan a través de un campo magnético en la sonda y requieren una velocidad específica para llegar al detector. Estos se desarrollaron por primera vez en la década de 1960 [6] y normalmente se construyen para medir iones. (El tamaño del dispositivo está en el orden del radio de giro de la partícula porque el discriminador intercepta la trayectoria de la partícula giratoria).
La energía de las partículas neutras también se puede medir con un analizador de energía, pero primero hay que ionizarlas con un ionizador de impacto electrónico.
La radiografía de protones utiliza un haz de protones de una única fuente para interactuar con el campo magnético y/o el campo eléctrico en el plasma y el perfil de intensidad del haz se mide en una pantalla después de la interacción. Los campos magnéticos y eléctricos del plasma desvían la trayectoria del haz y la desviación provoca una modulación en el perfil de intensidad. A partir del perfil de intensidad se puede medir el campo magnético y/o el campo eléctrico integrado.
Los efectos no lineales como la característica IV de la vaina límite se utilizan para las mediciones con sonda Langmuir, pero generalmente se ignoran para el modelado de descargas de RF debido a su tratamiento matemático muy inconveniente. La espectroscopia de resonancia de plasma electrónico autoexcitado (SEERS) utiliza exactamente estos efectos no lineales y efectos de resonancia conocidos en las descargas de RF. Los elementos no lineales, en particular las vainas, proporcionan armónicos en la corriente de descarga y excitan el plasma y la vaina en su resonancia en serie caracterizada por la llamada frecuencia de resonancia geométrica.
SEERS proporciona la densidad de plasma de electrones promediada espacial y recíprocamente y la tasa efectiva de colisión de electrones. La tasa de colisión de electrones refleja el calentamiento estocástico (presión) y el calentamiento óhmico de los electrones.
El modelo para la masa de plasma se basa en el modelo de fluido 2d (momentos de orden cero y de primer orden de la ecuación de Boltzmann) y el conjunto completo de ecuaciones de Maxwell que conducen a la ecuación de Helmholtz para el campo magnético. El modelo de vaina se basa además en la ecuación de Poisson .
Los métodos espectroscópicos pasivos simplemente observan la radiación emitida por el plasma. Se pueden recopilar mediante diagnósticos como el filtroscopio, que se utiliza en varios dispositivos tokamak . [7]
Si el plasma (o un componente iónico del plasma) fluye en la dirección de la línea de visión del observador, las líneas de emisión se verán a una frecuencia diferente debido al efecto Doppler .
El movimiento térmico de los iones dará como resultado un desplazamiento de las líneas de emisión hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de si el ion se acerca o se aleja del observador. La magnitud del cambio es proporcional a la velocidad a lo largo de la línea de visión. El efecto neto es un ensanchamiento característico de las líneas espectrales, conocido como ensanchamiento Doppler , a partir del cual se puede determinar la temperatura del ion. [8]
La división de algunas líneas de emisión debido al efecto Stark se puede utilizar para determinar el campo eléctrico local.
Independientemente de la presencia de campos eléctricos macroscópicos, cualquier átomo se ve afectado por campos eléctricos microscópicos debido a las partículas de plasma cargadas vecinas. Esto da como resultado el ensanchamiento de Stark de las líneas espectrales que pueden usarse para determinar la densidad del plasma. [9]
El brillo de las líneas espectrales emitidas por los átomos en un plasma depende de la temperatura y densidad del plasma.
Si se utiliza un modelo radiativo de colisión suficientemente completo, la temperatura (y, en menor grado, la densidad) de los plasmas a menudo se puede inferir tomando proporciones de las intensidades de emisión de varias líneas espectrales atómicas. [10] [11]
La presencia de un campo magnético divide los niveles de energía atómica debido al efecto Zeeman . Esto conduce a un ensanchamiento o división de las líneas espectrales. Por lo tanto, el análisis de estas líneas puede determinar la intensidad del campo magnético en el plasma.
Los métodos espectroscópicos activos estimulan de alguna manera los átomos del plasma y observan el resultado (emisión de radiación, absorción de la luz estimulante u otros).
Al hacer brillar a través del plasma un láser con una longitud de onda, sintonizada con una determinada transición de una de las especies presentes en el plasma, se podría obtener el perfil de absorción de esa transición. Este perfil proporciona información no sólo para los parámetros del plasma, que podrían obtenerse a partir del perfil de emisión, sino también para la densidad numérica integrada en línea de las especies absorbentes.
Un haz de átomos neutros se dispara hacia un plasma. Algunos átomos se excitan por colisiones dentro del plasma y emiten radiación. Esto se puede utilizar para detectar fluctuaciones de densidad en un plasma turbulento.
En plasmas de temperaturas extremadamente altas, como los que se encuentran en los experimentos de fusión magnética, los elementos ligeros se ionizan completamente y no emiten radiación lineal. Sin embargo, cuando se dispara un haz de átomos neutros al plasma, se produce un proceso conocido como intercambio de carga . Durante el intercambio de carga, los electrones de los átomos del haz neutro se transfieren a los iones del plasma altamente energéticos, lo que conduce a la formación de iones hidrógeno. Estos iones recién formados emiten rápidamente radiación lineal, que posteriormente se analiza para obtener información sobre el plasma, incluida la densidad, temperatura y velocidad de los iones.
Un ejemplo de esto es el método Fast-Ion Deuterio-Alfa (FIDA) empleado en los tokamaks. [12] [13] En esta técnica, el intercambio de carga se produce entre los átomos del haz neutro y los iones rápidos de deuterio presentes en el plasma. Este método aprovecha el importante desplazamiento Doppler mostrado por la luz Balmer-alfa emitida por los átomos energéticos para determinar la densidad de los iones rápidos. [14]
La fluorescencia inducida por láser (LIF) es una técnica espectroscópica empleada para la investigación de las propiedades del plasma mediante la observación de la fluorescencia emitida cuando el plasma es estimulado por radiación láser. Este método permite medir parámetros del plasma como el flujo de iones, la temperatura de los iones, la intensidad del campo magnético y la densidad del plasma. [15] Normalmente, se utilizan láseres de tinte sintonizables para llevar a cabo estas mediciones. La aplicación pionera del LIF en la física del plasma se produjo en 1975, cuando los investigadores lo utilizaron para medir la función de distribución de la velocidad de los iones en un plasma de argón. [16] Desde entonces se han desarrollado varias técnicas LIF, incluida la técnica LIF de un fotón y la fluorescencia inducida por láser de absorción de dos fotones (TALIF). [17]
TALIF es una modificación de la técnica de fluorescencia inducida por láser. En este enfoque, el nivel de energía superior se excita mediante la absorción de dos fotones y se observa la fluorescencia posterior resultante de la desintegración radiativa del nivel excitado. TALIF es capaz de proporcionar mediciones precisas de las densidades atómicas absolutas del estado fundamental , como las de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Sin embargo, lograr tal precisión requiere métodos de calibración apropiados, que pueden lograrse mediante titulación o un enfoque más moderno que implique una comparación con gases nobles. [18]
TALIF también ofrece información sobre la temperatura de las especies dentro del plasma, además de las densidades atómicas. Sin embargo, esto requiere el uso de láseres con una alta resolución espectral para distinguir la contribución gaussiana del ensanchamiento de la temperatura frente al ensanchamiento natural del perfil de excitación de dos fotones y el ensanchamiento espectral del propio láser.
El fotodesprendimiento combina mediciones de la sonda Langmuir con un rayo láser incidente. El rayo láser incidente se optimiza espacial, espectral y de energía de pulso para separar un electrón unido a un ion negativo. Las mediciones con la sonda Langmuir se realizan para medir la densidad de electrones en dos situaciones, una sin el láser incidente y otra con el láser incidente. El aumento de la densidad electrónica con el láser incidente da la densidad de iones negativos.
Si un átomo se mueve en un campo magnético, la fuerza de Lorentz actuará en direcciones opuestas sobre el núcleo y los electrones, tal como lo hace un campo eléctrico. En el marco de referencia del átomo existe un campo eléctrico, aunque no lo haya en el marco del laboratorio. En consecuencia, ciertas líneas quedarán divididas por el efecto Stark . Con una elección adecuada de la especie y la velocidad del haz y de la geometría, este efecto puede utilizarse para determinar el campo magnético en el plasma.
Los diagnósticos ópticos anteriores miden la radiación lineal de los átomos. Alternativamente, se pueden utilizar como diagnóstico los efectos de las cargas libres sobre la radiación electromagnética.
En los plasmas magnetizados, los electrones girarán alrededor de las líneas del campo magnético y emitirán radiación ciclotrónica . La frecuencia de la emisión viene dada por la condición de resonancia del ciclotrón . En un plasma suficientemente espeso y denso, la intensidad de la emisión seguirá la ley de Planck , y sólo dependerá de la temperatura de los electrones.
El efecto Faraday hará girar el plano de polarización de un haz que pasa a través de un plasma con un campo magnético en la dirección del haz. Este efecto se puede utilizar como diagnóstico del campo magnético, aunque la información se mezcla con el perfil de densidad y suele ser sólo un valor integral.
Si se coloca un plasma en un brazo de un interferómetro , el cambio de fase será proporcional a la densidad del plasma integrado a lo largo del camino.
La dispersión de la luz láser procedente de los electrones en un plasma se conoce como dispersión de Thomson . La temperatura de los electrones se puede determinar de forma muy fiable mediante el ensanchamiento Doppler de la línea láser. La densidad electrónica se puede determinar a partir de la intensidad de la luz dispersada, pero se requiere una cuidadosa calibración absoluta. Aunque la dispersión de Thomson está dominada por la dispersión de los electrones, dado que los electrones interactúan con los iones, en algunas circunstancias también se puede extraer información sobre la temperatura de los iones.
Los plasmas de fusión que utilizan combustible DT producen partículas alfa de 3,5 MeV y neutrones de 14,1 MeV. Midiendo el flujo de neutrones se pueden determinar propiedades del plasma como la temperatura de los iones y el poder de fusión.
