El diagnóstico de plasma es 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 energía ( temperatura ), sus perfiles espaciales y su dinámica, que permiten derivar parámetros del plasma .
La sonda de bolígrafo es una técnica novedosa que se utiliza para medir directamente el potencial de 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 a la misma magnitud que la corriente de saturación de iones. En este caso, su potencial flotante se vuelve idéntico al potencial de plasma. Este objetivo se logra mediante un escudo cerámico, que aísla una parte ajustable de la corriente de electrones del colector de la sonda debido al radio giroscópico mucho más pequeño de los electrones. La temperatura del electrón es proporcional a la diferencia del potencial de la sonda de bolígrafo (potencial de plasma) y la sonda Langmuir (potencial flotante). Por lo tanto, la temperatura del electrón se puede obtener directamente con alta resolución temporal sin suministro de energía adicional .
La copa Faraday convencional se utiliza para medir 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 más 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 con sonda Langmuir se basan en la estimación de las características de corriente versus voltaje de un circuito que consta de dos electrodos metálicos que están inmersos en el plasma en estudio. Dos casos son de interés: (a) Las áreas superficiales de los dos electrodos difieren en varios órdenes de magnitud. Esto se conoce como el 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 envoltura de carga espacial que rodea la sonda. Además, se supone que el límite de la envoltura está bien definido y que más allá de este límite el plasma no se ve perturbado 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 envoltura de la sonda.
La descripción teórica general de una medición con 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 requiere que, a grandes distancias de la sonda, la solución se aproxime 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 ( , léase "punto B") se puede medir localmente con un bucle o bobina de alambre. Estas bobinas explotan la ley de Faraday , por 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 proporciona 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 se separan normalmente 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 retardante. [3] [4] Por lo general, consisten en un conjunto de rejillas polarizadas a diferentes potenciales para establecer un campo eléctrico que repele las partículas con una cantidad de energía inferior a la deseada y las aleja del detector. Los analizadores con un campo frontal cilíndrico o cónico [5] pueden ser más eficaces en este tipo de mediciones.
Por el contrario, los analizadores de energía que emplean 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 generalmente se construyen para medir iones. (El tamaño del dispositivo es del orden del radio de giro de la partícula porque el discriminador intercepta la trayectoria de la partícula que gira).
La energía de las partículas neutras también se puede medir con un analizador de energía, pero primero deben ionizarse mediante un ionizador de impacto de electrones.
La radiografía de protones utiliza un haz de protones de una sola 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 en el 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 integrados.
Los efectos no lineales, como la característica IV de la envoltura límite, se utilizan para las mediciones de la sonda Langmuir, pero normalmente se descuidan 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 los efectos de resonancia conocidos en las descargas de RF. Los elementos no lineales, en particular las envolturas, proporcionan armónicos en la corriente de descarga y excitan el plasma y la envoltura en su resonancia en serie caracterizada por la denominada frecuencia de resonancia geométrica.
SEERS proporciona la densidad del plasma electrónico promediada espacial y recíprocamente y la tasa efectiva de colisión de electrones. La tasa de colisión de electrones refleja el calentamiento estocástico (por presión) y el calentamiento óhmico de los electrones.
El modelo de la masa de plasma se basa en un modelo de fluido 2D (momentos de orden cero y de primer orden de la ecuación de Boltzmann) y en el conjunto completo de ecuaciones de Maxwell que conducen a la ecuación de Helmholtz para el campo magnético. El modelo de envoltura se basa además en la ecuación de Poisson .
Los métodos espectroscópicos pasivos simplemente observan la radiación emitida por el plasma. Esta radiación puede ser captada por dispositivos de diagnóstico como el filteroscopio, 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 en 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 está moviendo hacia el observador o alejándose de él. La magnitud del desplazamiento 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 individual 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 se puede utilizar 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 la 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 provoca el ensanchamiento o división de las líneas espectrales. El análisis de estas líneas puede, por tanto, proporcionar 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 pasar a través del plasma un láser con una longitud de onda ajustada a una determinada transición de una de las especies presentes en el plasma, se puede obtener el perfil de absorción de esa transición. Este perfil proporciona información no sólo sobre los parámetros del plasma, que se pueden obtener a partir del perfil de emisión, sino también sobre la densidad numérica integrada de las especies absorbentes.
Se dispara un haz de átomos neutros en un plasma. Algunos átomos se excitan por las colisiones dentro del plasma y emiten radiación. Esto se puede utilizar para investigar las fluctuaciones de densidad en un plasma turbulento.
En plasmas de temperatura extremadamente alta, como los que se encuentran en los experimentos de fusión magnética, los elementos ligeros se ionizan por completo 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 de plasma altamente energéticos, lo que conduce a la formación de iones hidrogenados. Estos iones recién formados emiten rápidamente radiación lineal, que posteriormente se analiza para obtener información sobre el plasma, incluida la densidad iónica, la temperatura y la velocidad.
Un ejemplo de esto es el método Fast-Ion Deuterium-Alpha (FIDA) empleado en los tokamaks. [12] [13] En esta técnica, se produce un intercambio de carga entre los átomos del haz neutro y los iones rápidos de deuterio presentes en el plasma. Este método explota el importante desplazamiento Doppler que exhibe 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 la medición de 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 colorante sintonizables para llevar a cabo estas mediciones. La aplicación pionera de LIF en la física del plasma se produjo en 1975, cuando los investigadores la 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 de 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 a través de la absorción de dos fotones y se observa la fluorescencia posterior resultante de la desintegración radiactiva del nivel excitado. TALIF es capaz de proporcionar mediciones precisas de densidades atómicas absolutas del estado fundamental , como las del hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno. Sin embargo, lograr tal precisión requiere métodos de calibración adecuados, que pueden lograrse mediante titulación o un enfoque más moderno que implica 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 las mediciones de la sonda Langmuir con un haz láser incidente. El haz láser incidente se optimiza espacialmente, espectralmente y en términos de energía de pulso para desprender un electrón unido a un ion negativo. Las mediciones de 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 de electrones con el láser incidente proporciona 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 sistema de referencia del átomo, hay un campo eléctrico, incluso si no lo hay en el sistema de referencia del laboratorio. En consecuencia, ciertas líneas se dividirán por el efecto Stark . Con una elección adecuada del tipo de haz, la velocidad y la geometría, este efecto se puede utilizar para determinar el campo magnético en el plasma.
Los diagnósticos ópticos anteriores miden la radiación lineal de los átomos. Alternativamente, los efectos de las cargas libres sobre la radiación electromagnética se pueden utilizar como diagnóstico.
En los plasmas magnetizados, los electrones giran alrededor de las líneas del campo magnético y emiten radiación ciclotrónica . La frecuencia de la emisión viene dada por la condición de resonancia ciclotrónica . En un plasma suficientemente espeso y denso, la intensidad de la emisión seguirá la ley de Planck y dependerá únicamente de la temperatura del electrón.
El efecto Faraday hace 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 solo 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 integrada a lo largo de la trayectoria.
La dispersión de la luz láser a partir de los electrones en un plasma se conoce como dispersión de Thomson . La temperatura de los electrones se puede determinar de forma muy fiable a partir del ensanchamiento Doppler de la línea láser. La densidad de electrones 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. Al medir el flujo de neutrones, se pueden determinar propiedades del plasma como la temperatura iónica y la potencia de fusión.
