Laboratoř elementárních procesů v plazmatu

Z elementárních procesů, které se v této laboratoří zkoumají, se největší pozornost věnuje rekombinaci iontů v nízkoteplotním plazmatu. Podrobnějšímu studiu je podrobena hlavně rekombinace iontů H₃⁺, D₃⁺, HD₂⁺ a DH₂⁺. Iont H₃⁺ byl v nedávných pozorováních meziplanetárního prostoru objevený v meziplanetárních mracích, proto hlavně pro astrofyziku je důležité pochopit, jakým procesům tento iont podléhá.

K výzkumu rekombinace se v současnosti v této laboratoři používají následující aparatury:

• AISA – Advanced Integrated Stationary Afterglow
• FALP – Flowing Afterglow Langmuir Probe
• SA CRDS – Stationary Afterglow Cavity Ring-Down Spectroscopy

V blízké době se plánuje postavit a uvést do chodu aparatura:

• Ion-Electron Magnetic Trap

Flowing Afterglow Langmuir Probe (FALP)

Toto zařízení slouží k výzkumu procesů v dohasínajícím výboji pomocí Langmuirovy sondy. Princip zařízení je znázorněn na obr. 1.

Na začátek proudové trubice se přivede helium (He). V plynu se zapálí výboj, čímž se v této oblasti vytvoří plazma. Ta se pomocí vakuového čerpání nechá procházet celou proudovou trubicí, přičemž se do ní postupně přivádějí argon (Ar) a vodík (H₂). Mezi jednotlivými ionty helia, argonu a vodíku probíhají rozličné reakce dokud v plazmatu nezačnou převažovat ionty H₃⁺. Tyto ionty potom postupně rekombinují s elektrony vyskytujícími se v plazmatu, což je právě proces, který nás zajímá. Postupnou rekombinací klesá koncentrace iontů H₃⁺, což je možné změřit pomocí Langmuirovy sondy.

Plazma v proudové trubici prochází do tepelné rovnováhy s okolím, a tak dosahuje teplot 100–300 K.

Výhodou FALPu je možnost zkoumání časového průběhu rekombinace iontů s elektrony, protože v každém místě proudové trubice je plazma jiného „věku“, který je závislý na vzdálenosti od počátku. Průběh rekombinace a tedy rychlostní konstantu procesu je možné určit měřením koncentrace iontů v jednotlivých místech proudové trubice pomocí Langmuirovy sondy. Plyny He a Ar jsou důležité jenom pro vytvoření iontů H₃⁺, v případě zkoumání dalších iontů, mohou být nahrazeny jinými plyny. Schéma zařízení s parametry a jeho fotografie jsou na obrázku 2 a 3.

Obr. 3: Flowing Afterglow Langmuir Probe.

Ion-Electron Magnetic Trap

Toto zařízení bude sloužit k výzkumu rekombinace iontů s elektrony při velmi nízké teplotě (4 K). Na to je potřebné ionty a elektrony zachytit a vychladit.

Zachycení se uskuteční pomocí elektron-iontové pasti, přičemž princip zachycení elektronů a iontů je odlišný. Ionty budou zachycené pomocí vysokofrekvenční pasti (obr. 4). Past je vytvořená z 22 tyčí, na které je přivedeno vysokofrekvenční napětí, čímž vzniká v radiálním směru potenciálová bariéra jak je vidět na obrázku 4. V axiálním směru je bariéra vytvořená dvěma elektrodami připojenými na kladný potenciál. Pro elektrony je tento způsob zachycení neúčinný, a proto musí být zachyceny v magnetické pasti založené na principu magnetického zrcadla. Schéma celého zařízení bez magnetické pasti je na obr. 5.

Obr. 5: Aparatura vysokofrekvenční iontové pasti.

Obr. 6: Vysokofrekvenční iontová past.

Advanced Integrated Stationary Afterglow

Toto zařízení válcového tvaru slouží ke zjišťování rekombinačních koeficientů H₃⁺ a D₃⁺ v stacionárním dohasínajícím plazmatu. Zařízení je vyrobeno z nerezavějící oceli a je koncipováno pro práci v UHV (ultra high vacuum). K určování parametrů dohasínajícího plazmatu se používá Langmuirovy sondy a kvadrupólového hmotnostního spektrometru. Schéma aparatury je na obr. 7.

Obr. 7: Schéma aparatury AISA.

Plazma v tomto zařízení je generováno externím zdrojem mikrovlnného záření, které do zařízení vstupuje oknem z křemenného skla. Plazmové výboje jsou zapalovány pulsy o délce 0,2–5 ms. Pulsy se opakují po 40–100 ms. Celé zařízení je vybaveno vyhříváním pro čerpání do UHV a také chlazením pro měření za nižších teplot než pokojových.

Stationary Afterglow Cavity Ring-Down Spectroscopy

Princip metody Cavity Ring-Down spektroskopie spočívá v tom, že se laserový paprsek nechá projít vysoce (ale ne úplně) odrazivým zrcadlem, za kterým se nachází ještě jedno vysoce odrazivé zrcadlo. Světlo, které vejde do dutiny (cavity), se pohybuje mezi zrcadly a je pohlcováno prostředím mezi nimi. Část světla však také vychází druhým zrcadlem ven, a tam je detekováno (viz obr. 8). Množství světla vycházejícího ven závisí na tom, kolik světla bylo absorbováno v dutině mezi zrcadly. Absorpce světla mezi zrcadly zase závisí na koncentraci absorpční látky. Tímto způsobem je možné měřit koncentraci látky, která absorbuje světlo o vlnové délce použitého laseru, nebo je možné za pomoci laseru s nastavitelnou vlnovou délkou měřit spektrum látky nacházející se mezi zrcadly.

zobrazit animaci

Obr. 8: princip CRDS

Toto zařízení resp. metoda bylo nejprve plánováno jako rozšíření zařízení AISA, což je také vidět na obrázku 7. Později však bylo postaveno samostatné zařízení pro měření rekombinace H₃⁺ a D₃⁺ a také spektra D₃⁺. Schéma aparatury je na obr. 9.

Obr. 9: Schéma aparatury CRDS. 1 – polopropustné zrcadlo, 2 – InGaAs fotodioda, 3 – akusto-optický mudulátor, 4 – vychylovací zrcadla, 5 – čočky, 6 – štěrbina, 7 – piezoelement, 8 – dielektrická zrcadla, 9 – lavinová InGaAs fotodioda.

---

<< Předchozí (Termonukleární fúze – Současnost a budoucnost)

[Nahoru]

Další (Laboratoř procesů ve výboji) >>