Kulpenna sond

Kulpennssond användes på tokamak CASTOR 2004. En uppsamlare av rostfritt stål rör sig inuti ett keramiskt (bornitrid) skärmrör.

Schematisk bild av en enda kulpennasond. Joner (i rött) har en stor gyromagnetisk radie och kan lättare nå kollektorn än elektroner (i blått).

En kulpennasond är en modifierad Langmuir-sond som används för att mäta plasmapotentialen i magnetiserade plasma. Kulpennssonden balanserar elektron- och jonmättnadsströmmarna så att dess flytande potential är lika med plasmapotentialen. Eftersom elektroner har en mycket mindre gyroradius än joner, kan en rörlig keramisk skärm användas för att skärma av en justerbar del av elektronströmmen från sondkollektorn.

Kulpennsonder används inom plasmafysik, särskilt i tokamaks som CASTOR, (Czech Academy of Sciences Torus) ASDEX Upgrade , COMPASS , ISTOK , MAST , TJ-K, RFX, H-1 Heliac , IR-T1, GOLEM as samt lågtemperaturenheter som cylindrisk DC-magnetron i Prag och linjärmagnetiserade plasmaenheter i Nancy och Ljubljana .

Princip

Om en Langmuir-sond (elektrod) sätts in i en plasma är dess potential inte lika med plasmapotentialen $\Phi$ eftersom en Debye-mantel bildas, utan istället till en flytande potential $V_{fl }$ . Skillnaden med plasmapotentialen ges av elektrontemperaturen T $\displaystyle T_{e}}$ :

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

där koefficienten $\alpha$ ges av förhållandet mellan elektron- och jonmättnadsströmdensiteten ( $j_{e}^{sat}$ och $j_{i}^{sat}$ ) och uppsamlingsområden för elektroner och joner ( $A_{e}$ och $A_{i}$ ):

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

Kulpennssonden modifierar uppsamlingsområdena för elektroner och joner på ett sådant sätt att förhållandet $R$ är lika med ett. Följaktligen $\alpha =0$ och den flytande potentialen för kulpennssonden lika med plasmapotentialen oberoende av elektrontemperaturen :

$V_{fl}=\Phi$

Design och kalibrering

Potential och ln(R) för kulpennsonden för olika positioner av uppsamlaren.

En kulstiftssond består av en koniskt formad kollektor (icke-magnetiskt rostfritt stål , volfram , koppar , molybden ), som är avskärmad av ett isolerande rör ( bornitrid , aluminiumoxid ). Kollektorn är helt avskärmad och hela sondhuvudet placeras vinkelrätt mot magnetfältslinjer .

När kollektorn glider in i skölden varierar förhållandet $R$ och kan ställas in på 1. Den adekvata indragningslängden beror starkt på magnetfältets värde. Kollektorindragningen bör vara ungefär under jonens Larmor-radie . ^{[ citat behövs ]} Kalibrering av den korrekta positionen för uppsamlaren kan göras på två olika sätt:

Kulpennas sondkollektor är förspänd av en lågfrekvent spänning som ger IV-egenskaperna och erhåller mättnadsströmmen av elektroner och joner. Uppsamlaren dras sedan tillbaka tills IV-egenskaperna blir symmetriska. I det här fallet är förhållandet $R$ nära enhet, men inte exakt. Om sonden dras in djupare förblir IV-egenskaperna symmetriska.
Kulpennas sondkollektorpotential lämnas flytande och kollektorn dras tillbaka tills dess potential mättas. Den resulterande potentialen är över Langmuir-probpotentialen. ^{[ förtydligande behövs ]}

Elektrontemperaturmätningar

Genom att använda två mätningar av plasmapotentialen med sonder vars koefficient $\alpha$ skiljer sig är det möjligt att passivt hämta elektrontemperaturen ( utan någon inspänning eller ström). Med hjälp av en Langmuir-sond (med en icke försumbar) och en kulspetssond (vars associerade $R$ är nära noll) ges elektrontemperaturen av:

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

där $\Phi$ mäts av kulpennssonden, $V_{fl}$ av standard Langmuir-sonden, och $\alpha$ ges av Langmuir-probens geometri, plasmagassammansättning, magnetfältet och andra mindre faktorer ( sekundär elektronemission , mantelexpansion, etc.) Det kan beräknas teoretiskt, dess värde är cirka 3 för en icke-magnetiserad väteplasma.

I praktiken är förhållandet $R$ för kulpennssonden inte exakt lika med ett, så koefficienten $\alpha$ måste korrigeras med ett empiriskt värde för $R$ :

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

där ${\bar {\alpha }}=\alpha -ln(R).$

externa länkar