 | ||
| ||
|
|
|
Diagnostika plazmatu
Diagnostika plazmatu představuje samostatný obor ve fyzice plazmatu, který má svoje vlastní metody i teorii. Tento obor má velké uplatnění ve všech odvětvích fyziky, a proto je mu na naší katedře věnována velká pozornost.
V této kapitolce stručně zmíníme přehled metod, které v našich laboratořích používáme:
- elektrostatická (Langmuirova) sonda
- vysokofrekvenční (mikrovlnné) metody
- optické metody
- korpuskulární diagnostika (použití hmotového spektrometru)
Tyto metody obvykle dělíme na aktivní (kontaktní) a pasivní (bezkontaktní). Jak už název napovídá, kontaktní metody jsou ty, při kterých (narozdíl od metod pasivních) do plazmatu přímo něco vkládáme (např. záření, sondu).
Při výběru metody hraje, vedle její dostupnosti a počtu parametrů, které jsme schopni s jejím použitím určit, roli také míra zásahu do vlastností plazmatu. Je z řejmé, že naší snahou musí být co nejméně plazma při měření ovlivnit, abychom dosáhli relevantních výsledků.
Kromě údajů, které je možno získat diagnostikou plazmatu, je často pro teorii třeba poznat údaje o účinných průřezech pro pružné i nepružné srážky. Tyto údaje umo žňují určit tvar rozdělovací funkce, srážkové a ionizační frekvence apod. Těmito problémy se blíže zabýváme v oddíle Elementární procesy v plazmatu.
Závěrem úvodu je důležité říci, že chyba všech uvedených diagnostických metod se pohybuje mezi deseti až dvaceti procenty. Chyba je způsobena buď narušením plazmatu, nebo, pokud do plazmatu nezasahuji, je chyba důsledkem zjednodušujících předpokladů.
Sondové metody
Vůbec nejstarší metodou zkoumání parametrů plazmatu je tzv. jednosondová metoda, za jejímž zrodem stojí pánové Langmuir a Mott-Smitt. Spočívá v tom, že do plazmatu v elektrickém poli vložíme speciálně upravenou elektrodu, kterou nazýváme sonda.
Sonda (příklad).
Jde tedy o metodu aktivní, proto musíme (s ohledem na co nejmenší ovlivnění plazmatu) klást na sondu značně vysoké požadavky co se tvaru, velikosti, typu a vlastností materiálu, z něhož je vyrobena, týče.
Na sondu je přivedeno napětí a jeho změnou můžeme při současném měření proudu procházejícího sondou získat voltampérovou charakteristiku, nazývanou sondová charakteristika.
Příklad sondové charakteristiky.
Někdy je potřeba znát velikost elektrického pole mezi dvěma místy v plazmatu. V takovém případě místo jedné sondy použijeme sondy dvě.
Výbojová trubice se sondami.
Z naměřené voltampérové charakteristiky jsme schopni kromě velikosti elektrického pole mezi oběma sondami určit také velikost nasyceného iontového proudu.
Příklad dvousondové charakteristiky (R je poměr driftové rychlosti ku tepelné rychlosti elektronů).
V tomto případě se sondy používají k měření plovoucích potenciálů, v ionosféře i k určení elektronové teploty z charakteristiky. V některých aplikacích se místo jedné ze sond používá těleso družice, které má větší plochu než sonda, a jedná se tedy vlastně o jednosondové měření.
Stejně jako se žádná žena nelíbí všem mužům ani žádná sonda není vhodná pro všechny druhy plazmatu. Všechny doposud diskutované sondy jsou použitelné pouze pro nízkoteplotní plazma (do několika set K) o malém tlaku (řádově maximálně několi Pascalů, většinou mnohem méně). Existují ale i extrémnější aplikace plazmatu, které si žádají extrémnější přístupy. Je evidentní, že pro teploty oblouků (8000 - 25000 K) už nenalezneme materiály ze kterých by mohla být sonda vyrobena, aniž by se v několika málo sekundách vypařila. Toto lze chytře obejít tzv. pulzním režimem, kdy je sonda v plazmatu vždy pouze na zlomek sekundy, což ale stačí k naměření sondové charakteristiky. Další problém nastává se zvyšujícím tlakem, kdy musíme zavádět korekce na srážky nabitých částic s neutrálními. Tyto korekce stoupají při atmosferickém tlaku do takových výšin, že nelze měření jednou sondou vůbec použít. Proto používáme dvě sondy na plovoucím potencíálu. V tomto případě se chyby kompenzují a lze s úspěchem provádět například měření elektronové teploty v Baudsenově hořáku. Existují i další druhy sond jako například Emisní sonda, jež se používá například pro měření v Tokamaku, Machova sonda pro měření v magnetickém poli, Gundestrubská sonda pro měření v několika směrech zároveň nebo Katsumatova sonda pro přímé měření potenciálu plazmatu. V neposlední řadě bych v tomto výčtu zmínil sondu vyvinutou týmem odborníků při reaktoru CASTOR - Ballpen probe, což je vlastně kombinace Katsumatovy a Langmuirovy sondy ... sonda s měnitelným vysunutím aktivní části.
Sondová měření se na naší fakultě využívají zejména v experimentech FALP (Flowing Afterglow Langmuir Probe)d a při studiu doutnavého výboje (využívá dvousondové metody).
Ukážeme si, jak vypadá výstup z experimentu měření plazmatických parametrů sondou na příkladu FALP.
Ukázka měření plazmatických parametrů sondou na příkladu FALP.
Toto je graf, po kterém každý fyzik touží. Můžeme z něj získat závislost proudu na napětí pro libovolný čas (vzdálenost). Jenže sonda nám umožňuje získat informaci vždy jen o jednom bodě z tohoto grafu. Musíme tedy pro několik napětí změřit proud sondou v závislosti na čase (červené čáry) a z nich poté zrekonstruovat 3D graf.
Další možností je změřit pro více časů (vzdáleností) závislost sondového proudu na napětí:
Ukázka měření plazmatických parametrů sondou na příkladu FALP.
Sondová měření jsou stále velice rozšířená, neboť tato metoda nám přes svou značnou jednoduchost poskytuje celou řadu plazmatických parametrů. Hlavní nevýhodu je poměrně značná chyba metody, neboť sonda představuje velice hrubý zásah do plazmatu přes veškerou snahu o jeho minimalizaci.
Vysokofrekvenční (mikrovlnné) metody
Mikrovlnné metody mohou být jak aktivní tak i pasivní. Mikrovlnné pásmo použité v těchto metodách sahá svým rozsahem vlnových délek řádově od jednotek metru po milimetry.
Aktivní metody
V aktivních metodách vystavíme plazma vysokofrekvenčnímu poli a pozorujeme vzájemnou interakci. Plazma jakožto vodivé prostředí může vést vysokofrekvenční signál. V důsledku vlastností plazmatu však existuje tzv. plazmatická frekvence, představující dolní mez frekvencí mikrovln, které ještě mohou plazmatem projít. Je-li frekvence dopadající vlny menší než plazmatická, vlna se od plazmatu pouze odrazí. Hodnota plazmatické frekvence je úzce spjata s koncentrací částic v plazmatu, a to nepřímou úměrou. Výše uvedené tvrzení můžeme tedy přeformulovat takto: dopadající vlna při dané frekvenci vstupuje do plazmatu, je-li koncentrace částic v plazmatu nižší, než určitá kritická hodnota; v opačném případě se odráží. Tohoto efektu můžeme využít například tehdy, existují-li v plazmatu vedle sebe oblasti o různých koncentracích – od míst s nadkritickou koncentrací se dopadající mikrovlny odráží, a my tak získáme něco jako stroboskopický obrázek.
Pokud se dopadající vysokofrekvenční elektromagnetická vlna od plazmatu neodrazí a začne jím procházet, dochází k jejímu zeslabování s rostoucí dráhou uraženou v plazmatu. Parametr, který udává zmenšování elektrické, resp. magnetické složky vlny podél dráhy, označujeme γ a nazýváme jej konstanta šíření. Konstanta šíření je komplexní číslo, jehož reálná složka, tzv. útlum, představuje změnu amplitudy, zatímco imaginární složka (zvaná fáze) změnu fáze.
Aktivní metody jsou založeny na měření změn konstanty šíření (útlumu i fáze) po průchodu vlny plazmatem. Z těchto změn je možné určovat různé parametry, například koncentraci. V případě tzv. rezonátorové (rezonanční) metody je plazma umístěno v rezonátoru. Měření změny konstanty šíření je převedeno na měření rezonanční křivky a kvality rezonátoru. Z těchto údajů je možno určit hustotu elektronů a efektivní srážkovou frekvenci.
Průřez toroidálním rezonátorem.
Pasivní metoda – detekce šumových teplot
Pasivní metoda spočívá v detekci a zkoumání mikrovlnného záření vydávaného plazmatem v důsledku urychlení elektronů v poli atomů či iontů. V ;plazmatu navíc detekujeme tzv. šumový proud způsobený náhodným pohybem elektronů vlivem jejich urychlení. Změříme-li tento proud, jsme schopni určit i šumovou teplotu, kterou za určitých předpokladů pokládáme rovnu elektronové. Metoda detekce šumových teplot tedy umožňuje získání elektronové teploty.
Srovnáme-li četnost použití této metody a sondové diagnostiky, vzhledem k menší náročnosti se elektronová teplota častěji získává ze sondové charakteristiky. Ne vždy je ovšem možno sondu v plazmatu použít, a právě tehdy se detekce šumových teplot uplatní.
Optické metody
Optické metody mohou fungovat jak v aktivní podobě, kdy plazma z vnějšku ozařujeme optickým pásmem a pozorujeme interakce, tak v pasivní formě, která spočívá v analýze a vyhodnocení spektra detekovaného z plazmatu. Šířka optického pásma zasahuje od blízkých UV až po blízké IR oblasti.
Mezi hlavní optické metody patří metoda optické emisní spektroskopie, která je založená na detekci a analýze záření emitovaného excitovanými částicemi v plazmatu. Příkladem jejího užití je určování vibračních a rotačních teplot na základě změřené intenzity emitovaného záření. Základní rovnicí optické emisní spektroskopie je vztah mezi intenzitou emitovaného záření a koncentrací částic v excitovaném stavu. Jak víme, u molekul existují kromě elektronových kvantových stavů také stavy vibrační a rotační, které rovněž mohou být excitovány. S obsazením excitovaných hladin je (za určitých předpokladů) jako parametr spjata vibrační resp. rotační teplota. Rotační teplota má navíc velký význam proto, že se její hodnotou aproximuje hodnota teploty neutrálních částic, která má zásadní vliv na procesy probíhající v plazmatu. Teplotu neutrálů je možné rovněž určit ze změny indexu lomu za použití Machova interferometru.
Optické metody obecně patří k hlavním diagnostickým metodám pro doutnavý výboj. Jejich předností je to, že takřka neovlivňují zkoumané plazma a že jejich použitím lze získat množství parametrů výboje.
Korpuskulární diagnostika (hmotová spektroskopie)
Korpuskulární diagnostiku používáme všude tam, kde je třeba poznat chemické složení plazma tu. K tomu se samozřejmě využívá i optická diagnostika, ale metoda hmotové spektroskopie, přestože je experimentálně mnohem náročnější, přináší některé nezanedbatelné výhody. Zejmé na umožňuje detekovat mnohé kladné ionty, které nelze opticky vůbec zaznamenat.
Princip této diagnostiky spočívá v extrakci častíc plazmatu do vysokého vakua, kde se dají identifikovat pomocí hmotnostní spektroskopie. Blokové zobrazení aparatury je zachyceno na následujícím obrázku:
Ukázka zařízení pro hmotovou spektroskopii
V tomto případě zkoumáme plazma výboje ve výbojce VT, která má ve stěně malý otvor O (o průměru řádu mikrometrů). Přes otvor proudí plyn do vysokého vakua a spolu s ním i ostatní částice plazmy. Ve vysokém vakuu se pohybují už bez srážek. Abychom mohli rozlišit nabité částice od nenabitých, za otvorem je umístěna soustava kovových mřížek (M1, M2), na které je možno přiložit vhodný potenciál. Tak se dál do aparatury dostanou jen neutrální molekuly, kladné nebo záporné ionty. Jejich analýzu v hmotnostním analyzátoru (HA) zabezpečíme tak, že je ionizujeme nárazem elektronů ve zdroji iontů (ZI). Takto vytvořené kladné ionty po přechodu analyzátorem detekujeme detektorem D (kolektor nebo násobič elektronů). Po zesílení proudu v zesilovači Z máme k dispozice elektronický signál, jehož velikost je úměrná toku příslušného druhu částic z výboje.
Jak je jistě vidět, jedná se o velmi náročný experiment. Nicméně z něj získáme velmi
komplexní představu o studovaném vzorku plazmatu.
Poznámka: Výše uvedené metody zdaleka nejsou jedinými způsoby diagnostiky plazmatu (uvést vše by vydalo na nejednu knihu) – jedná se spíše o přehled těch, o kterých se budete v kurzech fyziky plazmatu učit a se kterými se v našich laboratořích můžete setkat.
| << Předchozí (Elementární procesy) | [Nahoru] | Další (Výboje) >> |