플라즈마 진단

플라즈마 진단은 플라즈마 성분의 밀도, 에너지(온도)에 대한 분배 기능, 공간 프로필 및 역학 등 플라즈마 매개변수를 도출할 수 있는 플라즈마 성분의 측정 시 사용되는 방법, 기구 및 실험 기법의 풀이다.

침습적 프로브 방법

볼펜 프로브

볼펜 탐침은 자화된 플라스마에서 플라즈마 전위를 직접 측정하기 위해 사용되는 새로운 기술이다.이 탐사선은 2004년 플라즈마 물리학 AS CR 연구소의 지지 아다멕에 의해 발명되었다.^[1]볼펜 탐침은 전자 포화 전류를 이온 포화 전류의 크기와 같은 크기로 균형을 맞춘다.이 경우 유동 전위는 플라즈마 전위와 동일해진다.이 목표는 세라믹 실드에 의해 달성되는데, 세라믹 실드가 전자의 자이로-반경이 훨씬 작기 때문에 프로브 수집기에서 전자 전류의 조정 가능한 부분을 차단한다.전자 온도는 볼펜 프로브(플라스마 전위)와 랭무어 프로브(플로팅 전위) 전위차에 비례한다.따라서 전자 온도는 추가 전력 공급 없이 높은 시간 분해능으로 직접 얻을 수 있다.

패러데이컵

기존의 패러데이 컵은 플라즈마 경계에서 나오는 이온(또는 전자) 흐름의 측정과 질량 분광에 적용된다.

랑무어 탐사선

Langmuir 프로브라고 불리는 전기 프로브를 이용한 측정은 저온 플라스마에서 가장 오래되고 가장 자주 사용되는 절차다.이 방법은 1920년대에 이르빙 랑무르와 그의 동료들이 개발한 것으로, 이후 랭무어가 추정하는 것보다 더 일반적인 조건으로 적용가능성을 확대하기 위해 더욱 발전해 왔다.랑무어 프로브 측정은 연구 대상 플라스마에 모두 담근 두 개의 금속 전극으로 구성된 회로의 전류 대 전압 특성 추정에 기초한다.(a) 두 전극의 표면적은 몇 가지 순서에 따라 다르다.이를 단일 프로브법(single-probe method)이라고 한다. (b) 표면적은 플라즈마를 포함하는 용기의 치수에 비해 매우 작고 대략 서로 동일하다.이것은 이중 프로브법이다.

기존의 Languir 프로브 이론은 프로브 주위의 우주 충전 피복에서 전하 캐리어의 충돌 없는 이동을 가정한다.또한 피복 경계가 잘 정의되어 있으며, 이 경계 너머에 있는 혈장은 탐침의 존재에 의해 완전히 방해받지 않는다고 가정한다.즉, 프로브가 위치한 곳에서 프로브의 전위와 플라즈마 전위의 차이로 인해 발생하는 전기장이 프로브 피복 경계 내부의 체적으로 제한된다는 것을 의미한다.

Langmuir 프로브 측정의 일반적인 이론적 설명은 포아송 방정식, 충돌 없는 볼츠만 방정식 또는 Vlasov 방정식의 동시 해법 및 프로브 표면의 경계 조건과 관련된 연속성 방정식을 필요로 하며 프로브로부터 먼 거리에서 솔루션 승인자를 요구한다.방해받지 않는 혈장에서 예상되는 s.

자기(B-점) 프로브

플라즈마 내 자기장이 정지해 있지 않은 경우, 전체적으로 플라즈마가 과도하거나 장들이 주기적(무선주파 가열)이기 때문에(B ${\dot {B}}$ ${\dot{B$ 읽음 "B-dot")으로 시간과의 자기장 변화율( ${\dot {B}}$ ˙{\dot}, "B-dot")을 와이어의 루프나 코일로 국소적으로 측정할 수 있다.그러한 코일은 자기장의 변화로 전기장을 유도하는 패러데이의 법칙을 악용한다.^[2]유도 전압은 공통 계측기로 측정하고 기록할 수 있다.또한 암페어의 법칙에 따르면 자기장은 그것을 생산하는 전류에 비례하기 때문에 측정된 자기장은 플라즈마에서 흐르는 전류에 대한 정보를 준다.기본적인 플라즈마 물리학을 이해하는데 있어서 전류와 자기장 모두 중요하다.

에너지 분석기

에너지 분석기는 플라즈마 내 입자의 에너지 분포를 측정하는 데 사용되는 탐침이다.충전된 입자는 일반적으로 에너지 분석기의 전기장 및/또는 자기장으로부터의 속도에 의해 분리되며, 선택한 에너지 범위를 가진 입자만 검출기에 도달할 수 있도록 하여 구별된다.

전기장을 판별기로 사용하는 에너지 분석기는 지연 현장 분석기로도 알려져 있다.^[3]^[4]그것은 보통 검출기에서 원하는 에너지 양보다 낮은 입자를 밀어내기 위해 전기장을 설정하기 위해 다른 전위에 편향된 일련의 그리드로 구성된다.

이와는 대조적으로 자기장을 판별기로 사용하는 에너지 분석기는 질량 분광기와 매우 유사하다.입자는 프로브의 자기장을 통해 이동하며 검출기에 도달하기 위해 특정 속도를 필요로 한다.이것들은 1960년대에 처음 개발되었으며,^[5] 전형적으로 이온을 측정하기 위해 만들어졌다. (장치의 크기는 판별기가 자이로레이팅 입자의 경로를 가로채기 때문에 입자의 자이로라디우스 순서에 따른다.)

중성 입자의 에너지도 에너지 분석기로 측정할 수 있지만, 우선 전자 충격 이오나이저에 의해 이온화되어야 한다.

양성자 방사선 촬영

양성자 방사선 촬영은 단일 소스의 양성자 빔을 사용하여 플라즈마의 자기장 및/또는 전기장과 상호작용하며, 빔의 강도 프로파일은 상호작용 후 화면에서 측정된다.플라즈마의 자기장과 전기장은 빔의 궤적을 비껴가고 편향은 강도 프로파일의 변조를 일으킨다.강도 프로필에서 통합 자기장 및/또는 전기장을 측정할 수 있다.

자기 흥분 전자 플라스마 공명 분광기(SEERS)

경계 피복의 I-V 특성과 같은 비선형 효과는 Langmuir 프로브 측정에 활용되지만 수학적 처리가 매우 불편하기 때문에 RF 방전물의 모델링에는 보통 소홀하다.자체 흥분 전자 플라스마 공명 분광기(SEERS)는 RF 방출에 이러한 비선형 효과와 알려진 공명 효과를 정확히 이용한다.비선형 원소, 특히 피복은 방전 전류에 고조파를 제공하고 이른바 기하공진 주파수로 특징지어지는 그들의 직렬 공진에 플라즈마와 피복을 흥분시킨다.

SEERS는 공간적 및 상호 평균 전자 혈장 밀도와 유효 전자 충돌 속도를 제공한다.전자충돌률은 전자의 확률적(압력) 가열과 옴크 난방을 반영한다.

플라즈마 벌크 모델은 2d-유체 모델(볼츠만 방정식의 0과 1차 순서 모멘트)과 자기장의 헬름홀츠 방정식으로 이어지는 맥스웰리안 방정식의 풀세트를 기반으로 한다.피복 모델은 추가로 포아송 방정식을 기반으로 한다.

패시브 분광학

수동 분광법은 플라즈마가 방출하는 방사선을 단순히 관측할 뿐이다.

도플러 시프트

플라즈마(또는 플라즈마의 한 이온성분)가 시선의 방향으로 관찰자에게 흘러가는 경우, 도플러 효과로 인해 방출선이 다른 주파수로 나타난다.

도플러 확대

이온의 열운동은 이온이 관찰자를 향해 이동하는지 아니면 멀리 이동하는지 여부에 따라 방출선이 위아래로 이동하게 된다.이동의 크기는 가시선을 따라가는 속도에 비례한다.순효과는 이온 온도를 결정할 수 있는 도플러 확대로 알려진 스펙트럼 라인의 특성 확대다.

스타크 효과

스타크 효과로 인한 일부 방출 라인의 분할은 지역 전기장을 결정하는 데 사용될 수 있다.

스타크 넓이

거시적 전기장이 0이더라도 어떤 단일 이온이라도 플라즈마 내의 인접 충전된 입자 때문에 전기장을 경험하게 된다.이로 인해 혈장의 밀도를 결정하는 데 사용할 수 있는 일부 라인이 확대된다.

스펙트럼선비

기체(또는 플라즈마)에서 원자와 이온에 의해 방출되는 원자 스펙트럼 라인의 밝기는 기체의 온도와 압력에 따라 달라질 수 있다.

현대적 충돌 복사 모델의 완전성과 정확성 때문에 플라스마의 온도와 밀도는 다양한 원자 스펙트럼 라인의 방출 강도 비율을 취함으로써 측정할 수 있다.

지만 효과

자기장의 존재는 Zeeman 효과로 인해 원자력의 수준을 분열시킨다.이는 스펙트럼 라인의 확대 또는 분열로 이어진다.따라서 이러한 선을 분석하면 혈장의 자기장 강도를 산출할 수 있다.

능동분광학

활성 분광법은 플라즈마 원자를 어떤 식으로든 자극하여 그 결과를 관찰한다(방사선의 방출, 자극광의 흡수 등).

흡수 분광학

플라즈마를 통해 빛나며, 파장을 가진 레이저를 플라즈마에 존재하는 종들 중 하나의 특정한 전환에 맞춰 조정함으로써, 그 전환의 흡수 프로파일을 얻을 수 있었다.이 프로파일은 방출 프로파일에서 얻을 수 있는 플라즈마 매개변수뿐만 아니라 흡수종의 라인 통합 수 밀도에도 대한 정보를 제공한다.

빔 방출 분광기

중성 원자의 광선이 플라즈마로 발사된다.어떤 원자는 플라즈마 내에서 충돌하여 흥분하고 방사선을 방출한다.이것은 난류 혈장의 농도 변동을 조사하는 데 사용될 수 있다.

충전 교환 재결합 분광학

매우 뜨거운 플라스마(자성 핵융합 실험에서와 같이)에서는 광원소가 완전히 이온화되어 선 복사를 방출하지 않는다.중성 원자의 빔이 플라즈마로 발사되면, 빔 원자의 전자가 뜨거운 플라즈마 이온으로 전달되며, 이것은 수소 이온을 형성하여 즉각적으로 라인 방사선을 방출한다.이 방사선은 이온 밀도, 온도, 속도 등을 분석한다.

레이저로 인한 형광

플라즈마가 완전히 이온화되지는 않았지만 형광 이온을 함유하고 있다면 레이저 유도 형광은 온도, 밀도, 흐름 등에 대한 매우 상세한 정보를 제공할 수 있다.

포토데터레이싱

광도검사는 Langmuir 프로브 측정과 입사 레이저 빔을 결합한다.입사 레이저 빔은 음이온에 묶인 전자를 분리하기 위해 공간적으로, 정위적으로, 펄스 에너지를 최적화한다.Languir 프로브 측정은 입사 레이저가 없는 경우와 입사 레이저가 있는 경우 등 두 가지 상황에서 전자 밀도를 측정하기 위해 실시된다.입사 레이저에 의한 전자 밀도의 증가는 음이온 밀도를 준다.

모션 스타크 효과

만약 원자가 자기장에서 움직이고 있다면, 로렌츠 힘은 전기장이 하는 것처럼 핵이나 전자에서 반대 방향으로 작용하게 될 것이다.원자의 기준 프레임에는 실험실 프레임에 없는 경우에도 전기장이 있다.결과적으로, 어떤 선들은 스타크 효과에 의해 분할될 것이다.빔 종과 속도, 기하학의 적절한 선택으로, 이 효과는 플라즈마의 자기장을 결정하는 데 사용될 수 있다.

투포톤 흡수 레이저 유도 형광증

투포톤 흡수 레이저 유도 형광(TALIF)은 레이저 유도 형광 기법을 개조한 것이다.이 접근법에서는 두 개의 광자를 흡수하여 상위 레벨이 흥분되고 흥분 레벨의 복사 붕괴로 인한 후속 형광이 관찰된다.TALIF는 수소, 산소, 질소와 같은 절대적 지상국 원자 밀도의 측정치를 제공할 수 있다.그러나 이는 적절한 교정을 통해서만 가능하다. 적정법을 사용하거나 고귀한 기체와 보다 현대적인 비교를 할 수 있다.^[6]

TALIF는 원자 밀도뿐만 아니라 종의 온도에도 대한 정보를 줄 수 있다.그러나 이 경우 2광자 흥분 프로필의 자연적 확대와 레이저 자체의 스펙트럼 확대에 대한 온도 확대의 가우스 기여도를 결정하기 위해 높은 스펙트럼 분해능의 레이저가 필요하다.

자유 전자에 의한 광학적 효과

위의 광학 진단은 원자의 선 복사를 측정한다.또는 전자파 방사선에 대한 무료 전하의 영향을 진단으로 사용할 수 있다.

전자 사이클로트론 방출

자화된 플라스마에서 전자는 자기장 선을 중심으로 회전하며 사이클로트론 방사선을 방출한다.방출 빈도는 사이클로트론 공명 상태에 의해 주어진다.충분히 두껍고 밀도가 높은 플라즈마에서는 방출의 강도가 플랑크의 법칙을 따르게 되며, 전자 온도에만 의존하게 된다.

패러데이 회전

패러데이 효과는 빔 방향으로 자기장이 있는 플라즈마를 통과하는 빔의 양극화면을 회전시킨다.이 효과는 정보가 밀도 프로파일과 혼합되어 있고 보통은 적분 값이지만 자기장의 진단으로 사용될 수 있다.

간섭계

플라즈마를 간섭계의 한쪽 팔에 놓는 경우 위상 변화는 경로를 따라 통합된 플라즈마 밀도에 비례하게 된다.

톰슨 산란

플라즈마에서 전자로부터 레이저 빛이 산란하는 것을 톰슨 산란이라고 한다.전자 온도는 레이저 라인의 도플러 확대로 매우 신뢰성 있게 결정할 수 있다.전자 밀도는 산란된 빛의 강도로 판단할 수 있지만 신중한 절대 교정이 필요하다.톰슨 산란이 전자에서 산란하는 것에 의해 지배되지만, 전자가 이온과 상호작용하기 때문에, 어떤 상황에서는 이온 온도에 대한 정보도 추출할 수 있다.

중성자 진단

D-T 연료를 사용하는 퓨전 플라스마는 3.5 MeV 알파 입자와 14.1 MeV 중성자를 생성한다.중성자속도를 측정해 이온온도와 융접력 등 플라즈마 특성을 파악할 수 있다.

참고 항목

레이저 슐라이런 디플렉미터

참조

^ Adámek, J.; Stöckel, J.; Hron, M.; Ryszawy, J.; Tichý, M.; Schrittwieser, R.; Ionită, C.; Balan, P.; Martines, E. (2004). "A novel approach to direct measurement of the plasma potential". Czechoslovak Journal of Physics. 54 (S3): C95–C99. Bibcode:2004CzJPS..54C..95A. doi:10.1007/BF03166386. ISSN 0011-4626. S2CID 54869196.
^ Everson, E. T.; Pribyl, P.; Constantin, C. G.; Zylstra, A.; Schaeffer, D.; Kugland, N. L.; Niemann, C. (2009). "Design, construction, and calibration of a three-axis, high-frequency magnetic probe (B-dot probe) as a diagnostic for exploding plasmas". Review of Scientific Instruments. 80 (11): 113505–113505–8. Bibcode:2009RScI...80k3505E. doi:10.1063/1.3246785. ISSN 0034-6748. PMID 19947729.
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[1] Adámek, J.; Stöckel, J.; Hron, M.; Ryszawy, J.; Tichý, M.; Schrittwieser, R.; Ionită, C.; Balan, P.; Martines, E. (2004). "A novel approach to direct measurement of the plasma potential". Czechoslovak Journal of Physics. 54 (S3): C95–C99. Bibcode:2004CzJPS..54C..95A. doi:10.1007/BF03166386. ISSN 0011-4626. S2CID 54869196.

[2] Everson, E. T.; Pribyl, P.; Constantin, C. G.; Zylstra, A.; Schaeffer, D.; Kugland, N. L.; Niemann, C. (2009). "Design, construction, and calibration of a three-axis, high-frequency magnetic probe (B-dot probe) as a diagnostic for exploding plasmas". Review of Scientific Instruments. 80 (11): 113505–113505–8. Bibcode:2009RScI...80k3505E. doi:10.1063/1.3246785. ISSN 0034-6748. PMID 19947729.

[3] Pitts, R. A.; Chavan, R.; Davies, S. J.; Erents, S. K.; Kaveney, G.; Matthews, G. F.; Neill, G.; Vince, J. E.; Duran, I. (2003). "Retarding field energy analyzer for the JET plasma boundary". Review of Scientific Instruments. 74 (11): 4644–4657. Bibcode:2003RScI...74.4644P. doi:10.1063/1.1619554. ISSN 0034-6748. S2CID 31524396.

[4] Stenzel, R. L.; Williams, R.; Agüero, R.; Kitazaki, K.; Ling, A.; McDonald, T.; Spitzer, J. (1982). "Novel directional ion energy analyzer". Review of Scientific Instruments. 53 (7): 1027–1031. Bibcode:1982RScI...53.1027S. doi:10.1063/1.1137103. ISSN 0034-6748.

[5] Eubank, H. P.; Wilkerson, T. D. (1963). "Ion Energy Analyzer for Plasma Measurements". Review of Scientific Instruments. 34 (1): 12–18. Bibcode:1963RScI...34...12E. doi:10.1063/1.1718108. ISSN 0034-6748.

[6] Niemi, Kari (2001). "Niemi, K., V. Schulz-Von Der Gathen, and H. F. Döbele. "Absolute calibration of atomic density measurements by laser-induced fluorescence spectroscopy with two-photon excitation" (PDF). Journal of Physics D: Applied Physics. doi:10.1088/0022-3727/34/15/312.

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