Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
Что касается внешних электрических характеристик, плазму пинча можно заменить переменной индуктивностью, значение которой зависит от радиуса токовой оболочки. В некоторых случаях время схлопывания пинча много меньше периода собственных колебаний цепи емкостного накопителя, поэтому приложенное напряжение не меняется (при условии, что ток через пинч не слишком велик) во время эксперимента. Кроме того, активное сопротивление впешней цепи пренебрежимо мало, поэтому эквивалентная схема динамического пинча имеет вид, показанный на фиг. 21. Индуктивность Lc складывается щ индуктивностей переключателя, подводящей линии и всех прочих элементов внешней цепи, внося щих вклад в индуктивность.
Индуктивность Lp соответствует плазме и зависит от ее радиуса. Если ток разряда медленно меняется, как это должно быть при Lc >
> Lp, то напряжение, падающее на плазме, на конечной стадии схлопывания имеет вид
dLn
Vn^I-
P ~ Л ^ dt
Следовательно, резкое торможение плазмы при
Фиг. 21. Эквивалентная схема динамического пинча.
44
ГЛАВА I
Фиг. 22. Зависимость напряжения V и тока I от времени в динамическом Z-пинче.
J — момент включения напряжения; 2 — момент зажигания разряда; 3 — момент времени, когда
разряд достигает оси.
достижении ею оси приводит к большому значению dLpldt и соответственно к большому изменению напряжения. Таким образом, измеряют время, за которое разряд достигает оси. Это время можно сравнить с теоретически предсказанным временем схлопывания. Зависимости напряжения и тока для типичного пинча *) приведены на фиг. 22.
Ток в плазменном разряде обычно измеряется с помощью трансформатора тока с воздушным, ферритовым или железным сердечниками, используемыми в зависимости от экспериментальных требований к структуре фронта. Трансформатор тока генерирует напряжение, пропорциональное скорости изменения тока, проходящего через виток. Напряжение с трансформатора можно либо непосредственно записать с помощью осциллографа и затем графически проинтегрировать, либо еще перед записью проинтегрировать его с помощью пассивной (или активной) интегрирующей цепочки.
Трансформатор тока с воздушным сердечником вместе с пассивной интегрирующей цепочкой схематически показан на фиг. 20.
Задача 1.24.1. Во многих случаях ток в электрической цепи измеряется при помощи малого сопротивления, вводимого в цепь, с последующим измерением падения напряжения на нем. Обсудите, какие ошибки возникали бы при измерении тока таким способом в эксперименте с короткими сильноточными импульсами.
Задача 1.24.2. Какие искажения вероятнее всего ограничивают точность высокочастотных измерений с помощью трансформатора тока (т. е. в случае коротких импульсов)?
х) Более подробное обсуждение эквивалентной схемы плазменного пинча см. в книга [7], гл. 7.
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
45
§ 25. ПЛАЗМЕННЫЕ ЗОНДЫ
Существует множество зондов, используемых для измерения свойств плазмы. Все они характеризуются тем, что вводятся внутрь плазмы для измерения ее локальных параметров в некоторой области. Большинство 8ондов так или иначе искажают плазму, в связи с чем нужно специально проверять, что измеренные зондом параметры плазмы не меняются при внесении в нее зонда. Простейшие зонды, применяемые в плазменных исследованиях, — это электростатический (ленгмюровский) и магнитный зонды.
25Л. Электростатические (ленгмюровские) зонды
На фиг. 23 показана схема эксперимента, используемого для измерения параметров плазмы электростатическим зондом, а также электрической цепи, необходимой для подачи на зонд различных напряжений относительно плазмы во время измерения тока, отбираемого зондом. Ленгмюр и Мотт-Смит в работе [33] развили теорию таких зондов и показали, что они могут применяться для измерений плотности электронов пе, ПЛОТНОСТИ ИОНОВ Tli, температуры электронов Te, потенциала плазмы Vp, плавающего потенциала плазмы Vf (т. е. потенциала зонда в отсутствие среднего тока) и плотности электронного и ионного флуктуационных токов Jerj Jir. Именно эта работа привела к тому, что рассматриваемые зонды стали называться ленгмюров-скими. В течение последующих лет в конструкцию зондов и оснащение их электроникой были внесены многие усовершенствования, связанные со спецификой их использования (в статье [34] дан хороший обзор теории и применения электростатических зондов) 1). До сих пор они остаются простым и широко распространенным орудием исследования лабораторной плазмы.
Обычно ленгмюровский зонд представляет собой изолированную вольфрамовую проволочку малого диаметра с небольшим открытым участком на конце для отбора из плазмы электронов или ионов в зависимости от потенциала зонда относительно плазмы. На фиг. 24 представлена типичная вольтамперная характеристика, полученная с помощью ленгмюровского зонда в незамагниченной плазме. Если потенциал зонда много больше локального потенциала плазмы, зонд притягивает электроны и отталкивает ионы,
Фиг. 23. Схема измерения параметров плазмы термоэмиссионного дугового разряда низкого давления ленгмюровским электростатическим зондом с соответствующей электрической цепью.
