Большое плазменное устройство - Википедия - Large Plasma Device

Большой плазменный прибор во время эксперимента.

В Большой плазменный прибор (часто стилизованный под Плазменный прибор LArge или же LAPD) является экспериментальная физика устройство, расположенное в UCLA. Он разработан как лаборатория общего назначения для экспериментальных физика плазмы исследование. Аппарат введен в эксплуатацию в 1991 г.[1] и был модернизирован в 2001 г.[2] к его текущей версии. Современный LAPD используется в качестве основного устройства для национального пользовательского центра, Basic Plasma Science Facility (или BaPSF), который поддерживается Министерство энергетики США, Науки о термоядерной энергии и Национальный фонд науки.[3] Половина рабочего времени устройства доступна ученым из других учреждений и учреждений, которые могут побороться за время посредством ежегодного запроса.[4][5]

История

Первая версия полиции Лос-Анджелеса представляла собой устройство длиной 10 метров, созданное командой под руководством Вальтер Гекельман в 1991 году. Строительство длилось 3,5 года и финансировалось Управление военно-морских исследований (ONR). Основное обновление до 20-метровой версии было профинансировано ONR и наградой NSF Major Research Instrumentation в 1999 году.[6] После завершения этой крупной модернизации, присуждение гранта в размере 4,8 миллиона долларов США Министерство энергетики США и Национальный фонд науки в 2001 г. позволил создать Центр фундаментальных исследований плазмы и ввести в действие LAPD как часть этого национального пользовательского центра. Гекельман был директором объекта до 2016 г., когда Трой Картер стал директором БаПСФ.

Обзор машины

Вид на лабораторию и интерьер Большого плазменного устройства в южной части машины во время его модернизации в январе 2020 года.

LAPD - это устройство с линейным импульсным разрядом, работающее с высокой частотой повторения (1 Гц), производящее сильно намагниченную фоновую плазму, которая физически достаточно велика, чтобы поддерживать Альфвеновские волны. Плазма производится из оксид бария (BaO) катодно-анодный разряд на одном конце цилиндрического вакуумного сосуда длиной 20 метров и диаметром 1 метр (диаграмма ). Образующийся плазменный столб имеет длину примерно 16,5 метра и диаметр 60 см. Фоновое магнитное поле, создаваемое рядом больших электромагнитов, окружающих камеру, может изменяться от 400 гаусс до 2,5 килогаусс (от 40 до 250 mT ).

Параметры плазмы

Поскольку LAPD является универсальным исследовательским устройством, параметры плазмы тщательно выбираются, чтобы упростить диагностику без проблем, связанных с более горячей (например, термоядерной) плазмой, и при этом обеспечить полезную среду для проведения исследований. Типичные рабочие параметры:

  • Плотность: п = 1–4 1012 см−3
  • Температура: Те = 6 эВ, Тля = 1 эВ
  • Фоновое поле: B = 400–2500 гаусс (40–250 мТл)

В принципе, плазму можно генерировать из любого газа, но обычно используются инертные газы, чтобы предотвратить разрушение плазмой покрытия на катоде из оксида бария. Примеры используемых газов: гелий, аргон, азот и неон. Водород иногда используется в течение коротких периодов времени. Несколько газов также могут быть смешаны в различных соотношениях внутри камеры для создания многовидовой плазмы.

При этих параметрах ионная Ларморовский радиус составляет несколько миллиметров, а Длина Дебая составляет десятки микрометров. Важно отметить, что это также означает, что длина альфвеновской волны составляет несколько метров, и на самом деле поперечные альфвеновские волны обычно наблюдаются в LAPD. Это основная причина 20-метровой длины устройства.

Источники плазмы

Внутренний вид из оконечного порта на северном конце устройства, показывающий нагретый катод из оксида бария. В аппарате вакуум, но плазменный разряд выключен.

Основной источник плазмы в LAPD создается за счет разряда с катода, покрытого оксидом бария (BaO), который испускает электроны через термоэлектронная эмиссия. Катод расположен рядом с концом LAPD и изготовлен из тонкого никелевого листа, равномерно нагретого примерно до 900 ° C. Цепь замыкается анодом из молибденовой сетки на небольшом расстоянии. Типичные токи разряда находятся в диапазоне 3-8 килоамперы при 60-90 В, питание от специально разработанного транзисторного переключателя, поддерживаемого 4-фарад конденсаторная батарея.

Вторичный катодный источник из гексаборид лантана (ЛаБ6) был разработан в 2010 году[7] для получения более горячей и плотной плазмы при необходимости. Он состоит из четырех квадратных плиток, соединенных в 20 20 см2 области и находится на другом конце полиции Лос-Анджелеса. Цепь также замыкается анодом из молибденовой сетки, который может быть размещен дальше в машине, и по размеру он немного меньше того, который используется для закрытия катодного источника BaO. Лаборатория6 катод обычно нагревается до температур выше 1750 ° C с помощью графитового нагревателя и создает токи разряда 2,2 килоампер при 150 вольт.

Плазма в LAPD обычно пульсирует с частотой 1 Гц, при этом фоновый источник BaO включен на 10-20 миллисекунд за раз. Если ЛаБ6 Если используется источник, он обычно разряжает вместе катод BaO, но в течение более короткого периода времени (около 5-8 мс) ближе к концу каждого цикла разряда. Использование источника плазмы с оксидным катодом вместе с хорошо продуманным транзисторным переключателем для разряда позволяет создать плазменную среду, которая является чрезвычайно воспроизводимой от кадра к выстрелу.

Одним из интересных аспектов источника плазмы BaO является его способность действовать как «альфвеновский источник». Мазер ", источник когерентных поперечных альфвеновских волн большой амплитуды.[8] Резонансная полость образована никелевым катодом с высокой отражающей способностью и полупрозрачным решетчатым анодом. Поскольку источник находится в конце соленоид который генерирует основное фоновое поле LAPD, существует градиент магнитного поля внутри полости. Поскольку поперечные волны не распространяются над ионами циклотронная частота, практический эффект от этого - действовать как фильтр для мод, которые могут быть возбуждены. Мазерная активность возникает самопроизвольно при определенных комбинациях напряженности магнитного поля и тока разряда и на практике может быть активирована (или предотвращена) пользователем машины.

Диагностический доступ и датчики

Зонды

Основная диагностика - подвижный зонд. Относительно низкая электронная температура делает конструкцию зонда простой и не требует использования экзотических материалов. Большинство датчиков изготавливаются на предприятии и включают в себя датчики магнитного поля,[9] Зонды Ленгмюра, Датчики Маха (для измерения расхода), электрические дипольные датчики и многое другое. Стандартная конструкция зонда также позволяет внешним пользователям при желании приносить с собой собственные диагностические данные. Каждый зонд вставляется через собственную вакуумную блокировку, что позволяет добавлять и извлекать зонды во время работы устройства.

Частота воспроизведения 1 Гц в сочетании с высокой воспроизводимостью фоновой плазмы позволяет быстро собирать огромные массивы данных. Эксперимент с LAPD обычно планируется повторять один раз в секунду в течение стольких часов или дней, сколько необходимо для сбора полного набора наблюдений. Это позволяет диагностировать эксперименты с использованием небольшого количества подвижных датчиков, в отличие от больших массивов датчиков, используемых во многих других устройствах.

По всей длине устройства установлены «шаровые шарниры», вакуумные угловые муфты (изобретенные сотрудником LAPD), которые позволяют вставлять и вращать датчики как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. На практике они используются в сочетании с моторизованными приводами датчиков с компьютерным управлением для отбора проб "плоскостей" (вертикальных поперечных сечений) фоновой плазмы любым датчиком. Поскольку единственное ограничение на объем данных, которые необходимо взять (количество точек в плоскости), - это количество времени, затрачиваемого на запись снимков с частотой 1 Гц, можно собрать большие объемные наборы данных, состоящие из множества плоскостей в разных осевых положениях.

Визуализации, составленные из таких объемных измерений, можно увидеть на Галерея Лос-Анджелеса.

Включая шаровые опоры, на машине имеется в общей сложности 450 отверстий для доступа, некоторые из которых оснащены окнами для оптического или микроволнового наблюдения.

Другая диагностика

В LAPD также доступны различные другие диагностические средства в дополнение к измерениям с помощью датчиков. К ним относятся фотодиоды, микроволновая печь интерферометры, высокоскоростная камера (3 нс / кадр) и лазерно-индуцированная флуоресценция.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Gekelman, W .; Pfister, H .; Lucky, Z .; Bamber, J .; Leneman, D .; Мэггс, Дж. (1991). «Дизайн, конструкция и свойства большого устройства исследования плазмы - LAPD в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе». Обзор научных инструментов. 62 (12): 2875–2883. Bibcode:1991RScI ... 62.2875G. Дои:10.1063/1.1142175. ISSN  0034-6748.
  2. ^ Gekelman, W .; Прибыл, П .; Lucky, Z .; Drandell, M .; Leneman, D .; Maggs, J .; Vincena, S .; Van Compernolle, B .; Трипати, С. К. П. (2016). «Модернизированная Большая плазменная установка, машина для изучения фундаментальной физики плазмы». Обзор научных инструментов. 87 (2): 025105. Bibcode:2016RScI ... 87b5105G. Дои:10.1063/1.4941079. ISSN  0034-6748. PMID  26931889.
  3. ^ «US NSF - MPS - PHY - Объекты и центры». www.nsf.gov. Получено 29 июля, 2020.
  4. ^ Сэмюэл Райх, Эжени (2012). «Лаборатория астрофизики стремится к звездам». Природа. 491 (7425): 509. Bibcode:2012Натура.491..509р. Дои:10.1038 / 491509a. ISSN  0028-0836. PMID  23172193.
  5. ^ Перес, Жан С .; Horton, W .; Bengtson, Roger D .; Картер, Трой (2006). «Исследование сильного поперечного сдвигового потока с помощью датчика завихренности в большой плазменной установке». Физика плазмы. 13 (5): 055701. Bibcode:2006ФПЛ ... 13э5701П. Дои:10.1063/1.2179423. ISSN  1070-664X.
  6. ^ «Награда NSF: награда № 9724366 - модернизация большого плазменного устройства». www.nsf.gov. Получено 29 июля, 2020.
  7. ^ Cooper, C.M .; Gekelman, W .; Прибыл, П .; Лаки, З. (2010). «Новый источник плазмы гексаборида лантана большой площади». Обзор научных инструментов. 81 (8): 083503. Bibcode:2010RScI ... 81х3503С. Дои:10.1063/1.3471917. ISSN  0034-6748. PMID  20815604.
  8. ^ Maggs, J. E .; Моралес, Г. Дж .; Картер, Т. А. (2004). «Мазер альфвеновских волн в лаборатории». Физика плазмы. 12 (1): 013103. Bibcode:2005ФПЛ ... 12А3103М. Дои:10.1063/1.1823413. ISSN  1070-664X. PMID  12906425.
  9. ^ Everson, E.T .; Прибыл, П .; Константин, К. Г .; Зилстра, А .; Schaeffer, D .; Kugland, N.L .; Ниманн, К. (2009). «Проектирование, изготовление и калибровка трехосного высокочастотного магнитного зонда (зонд B-dot) для диагностики взрывающейся плазмы». Обзор научных инструментов. 80 (11): 113505. Bibcode:2009RScI ... 80k3505E. Дои:10.1063/1.3246785. ISSN  0034-6748. PMID  19947729.

внешняя ссылка