Sonda de bolígrafo

Sonda de bolígrafo utilizada en el tokamak CASTOR del año 2004. Un colector de acero inoxidable se mueve dentro de un tubo protector de cerámica (nitruro de boro).

Imagen esquemática de una sonda de bolígrafo única. Los iones (en rojo) tienen un radio giromagnético grande y pueden llegar al colector más fácilmente que los electrones (en azul).

Una sonda de bolígrafo ^[1] es una sonda Langmuir modificada que se utiliza para medir el potencial del plasma ^[2] en plasmas magnetizados. La sonda de bolígrafo equilibra las corrientes de saturación de electrones e iones, de modo que su potencial de flotación es igual al potencial del plasma. Debido a que los electrones tienen un radio de giro mucho más pequeño que los iones, se puede usar un escudo cerámico móvil para proteger una parte ajustable de la corriente de electrones del colector de la sonda.

Las sondas de bolígrafo se utilizan en física del plasma, especialmente en tokamaks como CASTOR, (Academia Checa de Ciencias Torus) ^{[1] [2] [3]} ASDEX Upgrade , ^{[4] [5] [6] [7] [8 ] [9] [10]} BRÚJULA , ^{[6] [7] [11] [12] [13] [14] [10] [15] [ 16] [ 17] [1]} ISTTOK , ^{[10] [18]} MAST , ^{[19] [20]} TJ-K, ^{[21] [22]} RFX, ^[23] H-1 Heliac , ^{[24] [25]} IR-T1, ^{[26] [27] [28]} GOLEM ^{[29 ]} así como dispositivos de baja temperatura como magnetrones cilíndricos de CC en Praga ^{[21] [30] [31] [32] [33]} y dispositivos de plasma magnetizado lineal en Nancy ^{[34] [35]} y Ljubljana . ^{[21] [30] [36] [ citas excesivas ]}

Principio

Si se inserta una sonda Langmuir (electrodo) en un plasma , su potencial no es igual al potencial del plasma porque se forma una vaina de Debye , sino a un potencial flotante . La diferencia con el potencial del plasma viene dada por la temperatura del electrón : ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle V_{fl}}$ ${\displaystyle T_{e}}$

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

donde el coeficiente está dado por la relación entre la densidad de corriente de saturación de electrones e iones ( y ) y las áreas de recolección de electrones e iones ( y ): ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle j_{e}^{sat}}$ ${\displaystyle j_{i}^{sat}}$ ${\displaystyle A_{e}}$ ${\displaystyle A_{i}}$

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

La sonda de bolígrafo modifica las zonas de recogida de electrones e iones de tal manera que la proporción es igual a uno. En consecuencia, el potencial de flotación de la sonda de bolígrafo se vuelve igual al potencial del plasma independientemente de la temperatura del electrón : ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \alpha =0}$

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

Diseño y calibración

Potencial e ln(R) de la sonda de bolígrafo para diferentes posiciones del colector.

Una sonda de bolígrafo consta de un colector de forma cónica ( acero inoxidable no magnético , tungsteno , cobre , molibdeno ), que está protegido por un tubo aislante ( nitruro de boro , alúmina ). El colector está completamente blindado y todo el cabezal de la sonda se coloca perpendicular a las líneas del campo magnético .

Cuando el colector se desliza dentro del escudo, la relación varía y se puede establecer en 1. La longitud de retracción adecuada depende en gran medida del valor del campo magnético . La retracción del colector debe estar aproximadamente por debajo del radio de Larmor del ion . ^{[ cita necesaria ]} La calibración de la posición adecuada del colector se puede realizar de dos formas diferentes: ${\displaystyle R}$

1. El colector de la sonda de bolígrafo está polarizado por un voltaje de baja frecuencia que proporciona las características IV y obtiene la corriente de saturación de electrones e iones. Luego se retrae el colector hasta que las características IV se vuelven simétricas. En este caso, la proporción es cercana a la unidad, aunque no exactamente. ^{[1] [5] [37]} Si la sonda se retrae más profundamente, las características IV permanecen simétricas. ${\displaystyle R}$
2. El potencial del colector de la sonda de bolígrafo se deja flotando y el colector se retrae hasta que su potencial se satura. El potencial resultante está por encima del potencial de la sonda Langmuir. ^{[ se necesita aclaración ]}

Mediciones de temperatura de electrones.

Utilizando dos mediciones del potencial del plasma con sondas cuyos coeficientes difieren, es posible recuperar la temperatura del electrón de forma pasiva (sin ningún voltaje o corriente de entrada). Utilizando una sonda Langmuir (con un valor no despreciable) y una sonda de punta esférica (cuya asociada es cercana a cero), la temperatura del electrón viene dada por: ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle R}$

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

donde se mide con la sonda de bolígrafo, con la sonda Langmuir estándar y viene dado por la geometría de la sonda Langmuir , la composición del gas del plasma, el campo magnético y otros factores menores ( emisión de electrones secundarios , expansión de la vaina, etc.). Se puede calcular teóricamente, siendo su valor aproximadamente 3 para un plasma de hidrógeno no magnetizado. ^{[38] [39]} ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle V_{fl}}$ ${\displaystyle \alpha }$

En la práctica, la relación para la sonda de bolígrafo no es exactamente igual a uno, ^[5] por lo que el coeficiente debe corregirse mediante un valor empírico para : ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle R}$

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

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

Referencias

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enlaces externos

• Tesis doctoral, Jiri Adamek (idioma checo e inglés)
• Descripción general: diseño de sondas de bolígrafo, teoría y primeros resultados en diferentes dispositivos de fusión.
• Examen de picos de corriente de plasma y análisis general de disparos en modo H en el tokamak COMPASS
• Mediciones de sondas eléctricas en el COMPASS Tokamak
• Mediciones de sonda en el COMPASS Tokamak
• Sonda de escaneo sensible a iones para mediciones del perfil de plasma en el límite del tokamak Alcator C-Mod
• Desarrollo de sondas para la evaluación del transporte de calor iónico y el flujo de calor de la envoltura en el límite del Alcator C-Mod Tokamak ^{[ enlace muerto permanente ]}
• Vídeo: Evolución temporal del ELM tipo I en la región del desviador del tokamak COMPASS.
• El nuevo desviador Ball-pen y las sondas Langmuir en el tokamak COMPASS.