Зонд с шариковой ручкой - Ball-pen probe

Зонд с шариковой ручкой, используемый на токамак CASTOR в 2004 году. Коллектор из нержавеющей стали перемещается внутри керамической (нитрид бора) защитной трубки.

Схематическое изображение одиночного зонда с шариковой ручкой. Ионы (красный цвет) имеют большой гиромагнитный радиус и легче достигают коллектора, чем электроны (синий).

А шариковая ручка^[1] это модифицированный Зонд Ленгмюра используется для измерения потенциал плазмы^[2] в замагниченной плазме. Зонд с шариковой ручкой уравновешивает токи насыщения электронов и ионов, так что его плавающий потенциал равен потенциалу плазмы. Поскольку электроны имеют гораздо меньшую гирорадиус По сравнению с ионами, движущийся керамический экран может использоваться для экранирования регулируемой части электронного тока от коллектора зонда.

Зонды с шариковой ручкой используются в физике плазмы, особенно в токамаки такие как CASTOR, (Чешская академия наук Torus)^[1][2][3] Обновление ASDEX,^{[4][5][6][7][8][9][10]} КОМПАС,^{[6][7][11][12][13][14][10][15][16][17][1]} ИСТТОК,^[10][18] МАЧТА,^[19][20] TJ-K,^[21][22] RFX,^[23] H-1 Гелиак,^[24][25] ИК-Т1,^[26][27][28] ГОЛЕМ^[29] а также низкотемпературные устройства, такие как цилиндрический магнетрон постоянного тока в Прага^{[21][30][31][32][33]} и линейные намагниченные плазменные устройства в Нэнси^[34][35] и Любляна.^[21][30][36]

Принцип

Если Зонд Ленгмюра (электрод) вставлен в плазма, его потенциал не равен потенциалу плазмы ${\displaystyle \Phi }$ потому что Дебая ножны формы, но вместо этого с плавающим потенциалом ${\displaystyle V_{fl}}$. Разница с потенциалом плазмы определяется величиной электронная температура ${\displaystyle T_{e}}$:

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

где коэффициент ${\displaystyle \alpha }$ определяется отношением плотности тока насыщения электронов и ионов (${\displaystyle j_{e}^{sat}}$ и ${\displaystyle j_{i}^{sat}}$) и области сбора электронов и ионов (${\displaystyle A_{e}}$ и ${\displaystyle A_{i}}$):

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

Зонд с шариковой ручкой изменяет зоны сбора для электроны и ионы таким образом, чтобы соотношение ${\displaystyle R}$ равно единице. Как следствие, ${\displaystyle \alpha =0}$ и плавающий потенциал шариковой ручки становится равным потенциалу плазмы независимо от электронная температура:

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

Дизайн и калибровка

Потенциал и ln (R) зонда шариковой ручки для разных положений коллектора.

Зонд с шариковой ручкой состоит из коллектора конической формы (немагнитного нержавеющая сталь, вольфрам, медь, молибден ), который экранирован изолирующей трубкой (нитрид бора, Глинозем ). Коллектор полностью экранирован, а вся головка зонда расположена перпендикулярно магнитное поле линий.

Когда коллектор скользит внутри экрана, соотношение ${\displaystyle R}$ варьируется и может быть установлен на 1. Адекватная длина отвода сильно зависит от магнитное поле ценность. Втягивание коллектора должно быть примерно ниже ионной Ларморовский радиус.^{[нужна цитата ]} Калибровать правильное положение коллектора можно двумя способами:

1. Коллектор зонда шариковой ручки пристрастный низкочастотным напряжением, обеспечивающим ВАХ и получить ток насыщения электронов и ионов. Затем коллектор втягивается, пока ВАХ становится симметричным. В этом случае отношение ${\displaystyle R}$ близко к единице, хотя и не совсем.^[1][5][37] Если зонд втягивается глубже, ВАХ остаются симметричными.
2. Потенциал коллектора шариковой ручки остается плавающим, а коллектор втягивается, пока его потенциал не достигнет насыщения. Результирующий потенциал выше потенциала зонда Ленгмюра.^{[требуется разъяснение ]}

Измерения электронной температуры

Используя два измерения потенциала плазмы зондами, коэффициент ${\displaystyle \alpha }$ различаются, можно получить электронная температура пассивно (без входного напряжения или тока). Использование зонда Ленгмюра (с немаловажным) и шарикового зонда (с соответствующим ${\displaystyle R}$ близка к нулю) температура электронов определяется выражением:

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

куда ${\displaystyle \Phi }$ измеряется шариковой ручкой, ${\displaystyle V_{fl}}$ стандартным зондом Ленгмюра, и ${\displaystyle \alpha }$ дается Зонд Ленгмюра геометрия, состав плазменного газа, магнитное поле, и другие второстепенные факторы (вторичная электронная эмиссия, расширение оболочки и т. д.) Его можно рассчитать теоретически, его значение составляет около 3 для немагниченной водородной плазмы.^[38][39]

На практике соотношение ${\displaystyle R}$ для шариковой ручки щуп точно не равен единице,^[5] так что коэффициент ${\displaystyle \alpha }$ должны быть скорректированы эмпирическим значением для ${\displaystyle R}$:

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

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

Рекомендации

1. Adámek, J .; Й. Штёкель; М. Хрон; Я. Рышави; М. Тихи; Р. Шриттвизер; К. Ионита; П. Балан; Э. Мартинес; Дж. Ван Ост (2004). «Новый подход к прямому измерению потенциала плазмы». Чехословацкий физический журнал. 54 (3): 95–99. Bibcode:2004CzJPS..54 ... 95А. Дои:10.1007 / BF03166386. ISSN  1572-9486.
2. Adámek, J .; Й. Штёкель; И. Шуран; М. Хрон; Р. Панек; М. Тихи; Р. Шриттвизер; C. Ионит; П. Балан; Э. Мартинес; Г. Ост (2005). «Сравнительные измерения потенциала плазмы с помощью шариковой ручки и эмиссионного зонда на токамаке CASTOR». Чехословацкий физический журнал. 55 (3): 235–242. Bibcode:2005CzJPh..55..235A. Дои:10.1007 / s10582-005-0036-8. ISSN  0011-4626.
3. Я. Адамек, К. Ионита, Р. Шриттвизер, Й. Штёкель, М. Тихи, Г. Ван Ост. «Прямые измерения температуры электронов шариковой ручкой / зондом Ленгмюра», 32-я конференция EPS по физике плазмы. Таррагона, 27 июня - 1 июля 2005 г. ECA Vol.29C, P-5.081 (2005) [1]
4. Adamek, J .; В. Роде; H.W. Мюллер; А. Херрманн; К. Ионита; Р. Шриттвизер; Ф. Мельманн; Й. Штёкель; Дж. Горачек; Я. Бротанкова (2009). «Прямые измерения потенциала плазмы в плазме ELMy в H-режиме с помощью шариковых датчиков на токамаке ASDEX Upgrade». Журнал ядерных материалов. 390–391: 1114–1117. Bibcode:2009JNuM..390.1114A. Дои:10.1016 / j.jnucmat.2009.01.286. HDL:11858 / 00-001M-0000-0026-F6E0-E.
5. Adamek, J .; Дж. Горачек; H.W. Мюллер; В. Роде; К. Ионита; Р. Шриттвизер; Ф. Мельманн; Б. Курзан; Й. Штёкель; Р. Дежарнак; В. Вайнцеттль; J. Seidl; М. Петерка (2010). «Измерения шариковой ручкой в ​​L-режиме и H-режиме при обновлении ASDEX». Вклад в физику плазмы. 50 (9): 854–859. Bibcode:2010CoPP ... 50..854A. Дои:10.1002 / ctpp.201010145.
6. Adamek, J .; Дж. Горачек; J. Seidl; H.W. Мюллер; Р. Шриттвизер; Ф. Мельманн; П. Вондрачек; С. Птак (2014). «Прямые измерения плазменного потенциала с помощью шарикового зонда и самоизлучающего зонда Ленгмюра при обновлении COMPASS и ASDEX». Вклад в физику плазмы. 54 (4): 279–284. Bibcode:2014CoPP ... 54..279A. Дои:10.1002 / ctpp.201410072.
7. Дж. Адамек, Х.В. Мюллер, Я. Горачек, Р. Шриттвизер, П. Вондрачек, Б. Курзан, П. Билкова, П. Бём, М. Афтанас, Р. Панек. «Радиальные профили температуры электронов на COMPASS и ASDEX Upgrade с шариковой ручки и диагностики томсоновского рассеяния», 41-я конференция EPS по физике плазмы, Берлин, P2.011 [2]
8. Horacek, J .; Дж. Адамек; H.W. Мюллер; J. Seidl; К. Ионита; Ф. Мельманн; А. Х. Нильсен; В. Роде; Е. Гавличкова (2010). «Интерпретация быстрых измерений потенциала, температуры и плотности плазмы в СОЛ ASDEX Upgrade». Термоядерная реакция. 50 (10): 105001. Bibcode:2010NucFu..50j5001H. Дои:10.1088/0029-5515/50/10/105001. HDL:11858 / 00-001M-0000-0026-EFA1-2.
9. Müller, H.W .; Дж. Адамек; Р. Каваццана; Г.Д. Конвей; К. Фукс; Дж. П. Ганн; А. Херрманн; Дж. Горачек; и другие. (2011). «Последние исследования флуктуаций, нитей ELM и турбулентного переноса в SOL в обновлении ASDEX». Термоядерная реакция. 51 (7): 073023. Bibcode:2011NucFu..51g3023M. Дои:10.1088/0029-5515/51/7/073023. HDL:11858 / 00-001M-0000-0026-EBAB-0.
10. Adamek, J .; H.W. Мюллер; К. Сильва; Р. Шриттвизер; К. Ионита; Ф. Мельманн; С. Костя; Дж. Горачек; Б. Курзан; П. Билкова; П. Бём; М. Афтанас; П. Вондрачек; Й. Штёкель; Р. Панек; Х. Фернандес; Х. Фигейредо (2016). «Профильные измерения электронной температуры на токамаках ASDEX Upgrade, COMPASS и ISTTOK с использованием томсоновского рассеяния, тройного зонда и зонда с шариковой ручкой». Обзор научных инструментов. 87 (4): 043510. Bibcode:2016RScI ... 87d3510A. Дои:10.1063/1.4945797. PMID  27131677.
11. J. Seidl, B. Vanovac, J. Adamek, J. Horacek, R. Dejarnac, P. Vondracek, M. Hron «Зондовые измерения радиального и параллельного распространения нитей ELM в СОЛ токамака КОМПАС», 41-я конференция EPS по физике плазмы, Берлин, P5.059 [3]
12. Loureiro, J .; К. Сильва; Дж. Горачек; Дж. Адамек; Дж. Штокель (2014). «Ширина соскребаемого слоя параллельного теплового потока на токамаке КОМПАС». Физика и технологии плазмы. 1 (3): 121–123. ISSN  2336-2634.[4]
13. J. Adamek, J. Seidl, R. Panek, M. Komm, P. Vondracek, J. Stöckel. «Быстрые измерения температуры электронов в диверторной области токамака COMPASS с помощью шариковой ручки», 42-я конференция EPS по физике плазмы, Лиссабон, P4.101 [5]
14. Панек, Р .; Дж. Адамек; М. Афтанас; П. Билкова; П. Бём; Ф. Брошар; П. Кахина; Дж. Кавальер; Р. Дежарнак; М. Димитрова; О. Гровер; Дж. Харрисон; П. Хацек; Я. Гавличек; А. Гавранек; Дж. Горачек; М. Хрон; М. Имрисек; Ф. Янки; А. Кирк; М. Комм; К. Коварик; Я. Крбек; Л. Крипнер; Т. Маркович; К. Митосинкова; Дж. Млынар; Д. Найденкова; М. Петерка; J. Seidl; Й. Штёкель; Е. Стефаникова; М. Томес; Дж. Урбан; П. Вондрачек; М. Варавин; J. Varju; В. Вайнцеттль; Я. Заяц (2016). «Состояние токамака КОМПАС и характеристика первого H-режима». Plasma Phys. Контроль. Слияние. 58 (1): 014015. Bibcode:2016PPCF ... 58a4015P. Дои:10.1088/0741-3335/58/1/014015.
15. Grover, O .; Дж. Адамек; J. Seidl; А. Девитре; М. Сос; П. Вондрачек; П. Билкова; М. Хрон (2017). «Первые одновременные измерения напряжения Рейнольдса шариковой ручкой и зондами Ленгмюра». Обзор научных инструментов. 88 (6): 063501. Bibcode:2017RScI ... 88f3501G. Дои:10.1063/1.4984240. PMID  28668002.
16. Adamek, J .; J. Seidl; М. Комм; В. Вайнцеттль; Р. Панек; Й. Штёкель; М. Хрон; П. Хацек; М. Имрисек; П. Вондрачек; Дж. Горачек; А. Девитре (2017). «Быстрые измерения электронной температуры и параллельного теплового потока в H-режиме ELMy на токамаке COMPASS». Термоядерная реакция. 57 (2): 022010. Bibcode:2017NucFu..57b2010A. Дои:10.1088/0029-5515/57/2/022010.
17. Adamek, J .; J. Seidl; Дж. Горачек; М. Комм; Т. Эйх; Р. Панек; Дж. Кавальер; А. Девитре; М. Петерка; П. Вондрачек; Й. Штёкель; Д. Сестак; О. Гровер; П. Билкова; П. Бём; J. Varju; А. Гавранек; В. Вайнцеттль; Дж. Ловелл; М. Димитрова; К. Митосинкова; Р. Дежарнак; М. Хрон (2017). «Измерение электронной температуры и тепловой нагрузки в диверторе COMPASS с использованием новой системы датчиков». Термоядерная реакция. 57 (11): 116017. Bibcode:2017NucFu..57k6017A. Дои:10.1088 / 1741-4326 / aa7e09. HDL:11858 / 00-001M-0000-002D-BA59-3.
18. Silva, C .; Дж. Адамек; Х. Фернандес; Х. Фигейредо (2015). «Сравнение флуктуационных свойств, измеренных зондами Ленгмюра и шариковой ручкой в ​​граничной плазме ISTTOK». Физика плазмы и управляемый синтез. 57 (2): 025003. Bibcode:2015PPCF ... 57b5003S. CiteSeerX  10.1.1.691.3443. Дои:10.1088/0741-3335/57/2/025003.
19. Walkden, NR; Дж. Адамек; С. Аллан; Б. Д. Дадсон; С. Элмор; Г. Фишпул; Дж. Харрисон; А. Кирк; М. Комм (2015). «Измерения профиля плазменной кромки MAST с помощью зонда с шариковой ручкой». Обзор научных инструментов. 86 (2): 023510. arXiv:1411.7298. Bibcode:2015RScI ... 86b3510W. Дои:10.1063/1.4908572. PMID  25725845.
20. Н. Р. Уолкден, "Свойства прерывистого переноса в мегаамперном сферическом токамаке", докторская диссертация, [6]
21. Адамек, Иржи; Матей Петерка; Томаз Гергек; Павел Кудрна; Мирко Рамиш; Ульрих Строт; Джордан Кавальер; Милан Тихи (2013). «Применение шариковой ручки в двух низкотемпературных намагниченных плазменных устройствах и в торсатроне TJ-K». Вклад в физику плазмы. 53 (1): 39–44. Bibcode:2013CoPP ... 53 ... 39A. Дои:10.1002 / ctpp.201310007.
22. [7]
23. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2009-09-01. Получено 2020-06-26.
24. Michael, C.A .; Ф. Чжао; Б. Блэквелл; М. Ф. Дж. Вос; Я. Бротанкова; С. Р. Хаски; Б. Зайвальд; Дж. Ховард (2017). «Влияние магнитной конфигурации на краевую турбулентность и перенос в H-1 Heliac» (PDF). Физика плазмы и управляемый синтез. 59 (2): 024001. Bibcode:2017PPCF ... 59b4001M. Дои:10.1088/1361-6587/59/2/024001. HDL:1885/112461.
25. Hole, M.J .; B.D. Блэквелл; Г. Боуден; М. Коул; А. Кенис; C.A. Майкл; Ф. Чжао; S.R. Хаски (2017). «Глобальные собственные альвеновские моды в гелиаке H-1». Физика плазмы и управляемый синтез. 59 (12): 125007. arXiv:1704.02089. Bibcode:2017PPCF ... 59l5007H. Дои:10.1088 / 1361-6587 / aa8bdf.
26. Meshkani, S .; М. Горанневисс; А. Салар Элахи; М. Лафути (2015). «Разработка и изготовление сравнительного зонда с шариковой ручкой Ленгмюра (LBP) для токамака». Журнал Fusion. 34 (2): 394–397. Дои:10.1007 / s10894-014-9811-5. ISSN  1572-9591.[8]
27. С. Мешкани, М. Горанневисс, М. Лафути, "Влияние смещения на температуру электронов в токамаке IR-T1", Труды 5-й Международной конференции по развитию, энергетике, окружающей среде и экономике (DEEE '14), Флоренция, Италия, ноябрь 22–24, 2014 г. [9]
28. Ghoranneviss, M .; С. Мешкани (2016). «Способы улучшения удержания плазмы в токамаке IR-T1». Международный журнал водородной энергетики. 41 (29): 12555–12562. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2016.03.075.[10]
29. Я. Церовский, М. Фарник, М. Сос, Я. Свобода, О. Фикер, М. Хетфлейс, П. Свихра, М. Шкут, О. Гровер, Я. Веверка, В. Свобода, Я. Штокель, J. Адамек, М. Димитрова, «Токамак ГОЛЕМ для образования в области термоядерного синтеза», 44-я конференция EPS по физике плазмы, 26–30 июня 2017 г., Белфаст, Северная Ирландия (Великобритания), P1.107, [11]
30. Адамек, Иржи; Дж. Адамек; М. Петерка; П. Кудрна; М. Тихи Т .; Гергек (2012). «Диагностика намагниченной низкотемпературной плазмы шариковым зондом». Нуклеоника. 57 (2): 297–300.[12]
31. Занаска Михал; Дж. Адамек; М. Петерка; П. Кудрна; М. Тихи (2015). «Сравнительные измерения потенциала плазмы шариковой ручкой и зондом Ленгмюра в низкотемпературной замагниченной плазме». Физика плазмы. 22 (3): 033516. Bibcode:2015PhPl ... 22c3516Z. Дои:10.1063/1.4916572.
32. Петерка М., «Экспериментальное и теоретическое исследование использования зондовых методов для диагностики плазмы», дипломная работа, кафедра поверхностных и плазменных исследований, физико-математический факультет, Карлов университет в Праге, 2014 г. (только на чешском языке) [13]
33. Занаска М., «Измерение потенциала плазмы с помощью шариковой ручки и зонда Ленгмюра», бакалаврская работа, кафедра поверхностных и плазменных исследований, физико-математический факультет Карлова университета в Праге, 2013 г.[14]
34. Ж. Бусселен, Ж. Кавалье, Ж. Адамек, Ж. Боном. «Измерения с помощью шариковой ручки в низкотемпературной замагниченной плазме», 39-я конференция EPS и 16-я Международная конференция Конгресс по физике плазмы, Стокгольм, Швеция, P4.042 (2012) [15]
35. Bousselin, G .; Дж. Кавальер; Дж. Ф. Поутекс; S. Heuraux; Н. Лемуан; Дж. Бономм (2013). «Разработка и апробация зонда с шариковой ручкой для измерений в низкотемпературной замагниченной плазме». Обзор научных инструментов. 84 (1): 013505–013505–8. Bibcode:2013RScI ... 84a3505B. Дои:10.1063/1.4775491. ISSN  0034-6748. PMID  23387648.
36. Л. Шаламон, Г. Икович, Т. Гергек, Й. Ковачич и Б. Фонда, «Диагностика с помощью шариковой ручки слабо намагниченного плазменного столба разряда», 1-я конференция EPS по диагностике плазмы, 14–17 апреля 2015 г., Фраскати, Италия, [16]
37. Silva, C .; Дж. Адамек; Х. Фернандес; Х. Фигейредо (2014). «Сравнение флуктуационных свойств, измеренных зондами Ленгмюра и шариковой ручкой в ​​граничной плазме ISTTOK». Физика плазмы и управляемый синтез. 57 (2): 025003. Bibcode:2015PPCF ... 57b5003S. CiteSeerX  10.1.1.691.3443. Дои:10.1088/0741-3335/57/2/025003.
38. Стэнджби П.К .: Граница плазмы магнитных термоядерных устройств, Издательство Института Физики. Бристоль и Филадельфия (2000).
39. Хатчинсон И.Х .: Принципы диагностики плазмы, Cambridge University Press (1992).

внешняя ссылка

• Кандидатская диссертация, Иржи Адамек (Чешский и английский язык)
• Обзор: конструкция зонда с шариковой ручкой, теория и первые результаты на различных сварочных устройствах.
• Исследование всплесков тока плазмы и общий анализ выстрелов в H-режиме в токамаке КОМПАС
• Электрические зонды на токамаке COMPASS
• Зондовые измерения на токамаке COMPASS
• Сканирующий ионно-чувствительный зонд для измерения профиля плазмы на границе токамака Alcator C-Mod
• Разработка зондов для оценки ионного теплопереноса и теплового потока оболочки на границе токамака Alcator C-Mod^{[постоянная мертвая ссылка ]}
• Видео: Временная эволюция ELM типа I в диверторной области токамака COMPASS.
• Новый дивертор Шариковая ручка и щуп Ленгмюра на токамаке КОМПАС.