Основы физики плазмы - Кролл Н.
Скачать (прямая ссылка):
1J Обзор на русском языке по теории и применению электростатических зондов содержится в книге [51*].— Прим. ред.
46
ГЛАВА I
Фиг. 24. Вольтамперная характеристика зонда в плазме дугового разряда низкого давления.
Масштаб на графике не соблюден, так как максимальный электронный ток (в точке С) обычно в 1000 раз больше максимального ионного тока (в точке А).
что приводит к образованию вокруг зонда слоя, обогащенного электронами. Толщина этого слоя равна нескольким дебаевским радиусам. Возникает он по той же причине, что и экранирование данной заряженной частицы в плазме, а именно, радиус действия поля (потенциала) данной частицы ограничен в силу того, что вокруг нее стремятся собраться частицы противоположного знака. Таким образом, влияние зонда на плазму происходит лишь на расстоянии от зонда порядка дебаевского радиуса. Область AB на фиг. 24 соответствует ионному току насыщения для зонда, к которому приложено отрицательное напряжение относительно плавающего потенциала плазмы. Кривая BC соответствует чисто электронному току, так как при разности потенциалов, большей потенциала в точке В, зонд уже не отталкивает электроны. В области CD кривая почти горизонтальна, поскольку при напряжении, соответствующем этому участку, зонд собирает весь флуктуа-ционный электронный ток, втекающий в приэлектродный слой вокруг зонда. При потенциалах выше потенциала в точке D падение напряжения на этом слое больше потенциала ионизации; электроны, идущие к зонду, ионизуют остаточный газ, что приводит к дуговому режиму у зонда.
25.2. Магнитные зонды
Магнитные зонды используются для измерения магнитных полей внутри или вне плазмы. Обычно зонд состоит из нескольких витков провода, собранных в катушку диаметром 1 мм и больше в зависимости от требований эксперимента. Принцип действия магнитных зондов состоит в том, что переменное во времени магнитное поле наводит в такой катушке э. д. с. Измеряя наведенную э. д. с., можно определить магнитное поле. Подобные магнитные зонды, позволяющие измерить компоненту магнитного поля в заданном направлении, наиболее часто используются в экспериментах по быстрому сжатию плазмы (например, в экспериментах по динамическому пинчу). На фиг. 25 показана возможная схема использования магнитного зонда для измерений в динамическом пинче. Если зонд ориентирован так, чтобы чувствовать 0-компоненту магнитного поля, сигнал, снимаемый с зонда, равен нулю до тех пор, пока токовый слой в сжимающейся плазме не пересечет места положения зонда. Магнитное поле в области зонда быстро нарастает
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
4 T
Емкостной
накопитель
Ключ
Труба из пирекса
Электрод
К вакуумному насосу
Осциллограф
Фиг. 25. Схема эксперимента по динамическому пинчу, иллюстрирующая использование магнитного зонда для определения момента времени, в который сжимающаяся плазма
достигает фиксированной точки.
до значения, определяемого током разряда. С помощью достаточно маленького и подвижного зонда можно определить зависимость положения токовой оболочки от времени и сравнить результаты с теоретически предсказанной скоростью сжатия.
Использование магнитных зондов затруднено тем обстоятельством, что зонды генерируют э. д. с., пропорциональную величине dBldt, а не В. Эту трудность обычно обходят путем интегрирования сигнала с зонда посредством пассивной интегрирующей цепочки, как показано на фиг. 25. Напряжение V (в вольтах) на выходе электрической цепи зонда (фиг. 25) равно
V = В» IO"8 вольт,
где п — число витков в катушке, А — площадь витка (см2), В — магнитная индукция (Гс), R — сопротивление (Ом) и С — емкость (Ф).
Нужно особенно внимательно следить за электростатическим экранированием магнитных зондов, чтобы не регистрировать одновременно электрические поля, связанные с разрядом. Такое экранирование ограничивает максимальную частоту флуктуаций магнитного поля, которые могут быть измерены зондовыми системами. Во избежание ошибок при использовании магнитных зондов необходимо усвоить многие другие детали, касающиеся их работы х).
Задача 1.25.1. Рассмотрите источники ошибок при использовании магнитных зондов для измерения полей в быстром и медленном разрядах. Какие ошибки вносит пассивная интегрирующая цепочка?
1J Обзор по теории и применению магнитных зондов см. в статье [35].
48
ГЛАВА I
Фиг. 26. Фотография Z-пинча, снятая через отверстие в торцевом электроде.
В (втом эксперименте прикладывалось аксиальное магнитное поле (направлено к читателю перпендикулярно плоскости фотографии), чтобы затормозить схлопывающуюся плазму. Горбы на внутренней поверхности'Ълазмы связаны с развитием неустойчивости Pr лея — Тейлора в процессе сжатия плазмой
аксиального магнитного пол (см. гл. 5).
§ 26. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ
26.1. Фотографирование и атомная спектроскопия
Во многих случаях плазма излучает благодаря атомным переходам в видимой области спектра электромагнитных волн, причем интенсивность излучения достаточно высокая (> ОД эрг/см2 на пленке), так что плазму можно сфотографировать и тем самым определить ее положение и перемещение.
