Способ измерения электронной температуры плазмы,помещенной в магнитное поле

 

ная

Юатентно техннческая. бл °:- 4 БДЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П И-6-Я;-НИЗОБРЕТЕНИЯ

oi) 720567

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6t) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 1402.7? (21) 2452288/18-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 05р38р. Бюллетень ¹ 9 (511 м. кл.2

Н 01 J 17/48

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (53) УД 621.387 (088 ° 8) Дата опубликования описания Q 8Q 38p (72) Авторы изобретения

A.A.Ñêoâoðîäà, A.B,Òèìîôååâ и Б,Н,Швилкин

Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного

Знамени государственный университет им.Ч.В .Ломоносова (71 ) 3a яв и тел ь (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗЛЕКТРОННОЧ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПЛАЗМИ, ПОМЕЩЕННОЙ В МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Изобретение отис "ится к области исследований физического свойства вещества, в частности, к способам измерения электронной температуры плазмы, как в газорязрядных приборах, так.и в термоядерных установках, например, в адиабатических ловушках, Известен способ определения -.ем-. пературы электронов, заключающийся в том, что электронная температура плазмы в магнитном поле в некоторых случаях определяется с помощью электрического ленгмюровского зонда.

Зонд вводится в плазму и представляет собой металлический электрод, размеры котороro малы по сравнению.с изучаемой областью плазмы, Получаемая с помощью зонда вольт-амперная характеристика позволяет определить температуру электронов.в плазме (1)-.

К основным недостаткам этого метода измерения электронной температуры .относится возмущение плазмы внесеннь.л в нее зондом, что искажает истинное значение ее температуpbl невозможность измерения электронной температуры при больших магнитных полях, а также невозможность использования электрических зондов при диагностике высокотемпературной сильно ионизованной плазмы, например, в термоядерных установках.

Известен также способ измерения электронной температуры плазмы, находящейся в магнитном поле, путем пропускания через плазму электромагнитной волны с частотой, соответствующей электронной циклотронной частоте сканирования укаэанной час1О тоты, измерения профиля линии поглощения зондирующей волны и определеыйя температуры электронов по измеренному профилю (2} .

В известном способе электромагнит15 ная волна пропускается через плазму.

Если частота электромагнитной волны с совпадает с электронной циклотронной частотой и, =Я,то вследствие

20 электронного циклотронного резонанса происходит интенсивное ее поглощение ° Если частота волны нес4 олько отличается от электронной цикотронной частоты, то с волной будут

25 взаимодействов ать электроны, движущиеся относительно электромагнитной волны. Это происходит вследствие доплеровского сдвига, из-за которого частота волны и .= ы + к сравнивается

30 с электронной циклотронной частотой

720567

Здесь  — индукция магнитного поля; е и m — заряд и масса электрона, соответственно; С вЂ” скорость "ве-, та; К вЂ” волновое число колебаний;

Ч вЂ” скорость электронов. C увеличением рассоглассования между частотой электромагнитной волны м и электронной циклотронной частотой ж число электронов, взаимодействующих с волной, а, следовательно, и коэффициент поглощения мощности волны в плазме и(ы) будет падать. При этом закон спадания коэффициента a(v- ), профиль линии поглощения, связан с температурой электронов в плазме Т следующей формулой: где эе — постоянная Больцмана; — полуширина линии цикло- 3) тронного поглощения, Измеряя 1, из профиля линии поглощения, определяют Т . Недостатком известного способа является то, что он может быть использован для опреде- д5 ления электронной температуры плазмы только в том случае, если плазма помещена в однородное внешнее магнитное поле.

Проведение измерений электронной температуры в неоднородном магнитном поле известным способом невозможно, поскольку в этом случае величина коэффициента поглощения вообц|е не зависит от температуры электронов„ а определяется градиентом магнитного поля и плотностью плазмы.

Вместе с тем представляет интерес определять температуру электронов в плазме, помещенной в немонотонно изменяющееся в пространстве магнитное 46 поле с экстремумом. Это обусловлено тем, что некоторые технические применения плазмы, как, например, получение управляемой термоядерной реакции синтеза, возможны как раз в плазме, помещенной в неоднородное магнитное поле, Цель предлагаемого изобретения измерение локальной температуры плазма, находящейся в неоднородном щО магнитном поле в области минимума или максимума поля, Для этого выбирают направление распространения. электромагнитной волны, совпадаюцее с направлением вектора магнитного поля в точке экстремума, значение частоты зондирующей волны задают равной электронно циклотронной частоте в минимуме или максимуме магнитного поля, значение частоты зондирующей волны уменьшают 6О в случае минимума магнитного поля и увеличивают в случае максимума от заданнoro значения, а значение электронной температуры вычисляют из следующей зависимости: 65

TALK)=34) 10 ), с) Л и )( а Епл; а ) ж где а — коэффициент поглощения мощности электромагнитной волны в плазме, dna - /1

a=(— ))произ водная магнитн ая поля

В по координате в точке экстремума; частота электромагнитной

Волны 4 =ы)езус) +Ю, Предлагаемый способ определения электронной температуры плазмы поясняется чертежом,где изображено изменение электронной циклотронной частоты и) в пространстве вдоль оси Z, {линия А). Вектор магнитного поля награвлен по оси 2 .

Фиг,1 соответствует минимуму магнитного поля; фиг.2 — максимуму. Плазма помещается в магнитное поле с экстремумом, Вдоль оси Z. сквозь плазму пропускается электромагнитная волна с частотой ы, представленная линией Б,Фиг.1 соответствует случаю, когда магнитное поле имеет минимум в точке Z = О, лежащей в области, занятбй плазмой. При этом мнн еВ ерди (Задавая частоту пройускаемой сквозь плазму электромагнитной волны, равной и уменьшая ее, из меряем профиль линии поглощения н зависимосд ). = -)-),», „, - аа

В случае, изображенном на фиг.2, магнитное поле имеет максимум. При этом мыс еЕ ц/ з „ п с

Задавая частоту пропускаемой сквозь плазму электромагнитной волны, равной ог „и увеличивая ее, измеряем профиль линии поглощения л(и ) в зависимости от u) = M + ui

При других значениях o w коэффициента поглощения не зависит от температуры электронов и не может быть использован при ее определении.

Зная зависимость л (cu), по зави— симости, указанной в формуле, можно определить электронную температуру плазмы. Необходимая для определения температуры электронов расстройка частоты (полуширина лини погло ения) дается выражением) — — ), ,„ )

Предлагаемый с пособ поз вол яет определять локальное значение температуры около точки экстремум и магнитного поля, Это связано с тем, что поглощение волны прои сходит около этой точки и поэтому необходимо, чтобы направление распространением электромагнитной волны совпадало с направлением вектора магнитного поля в то" ке экстремума.

720567

Формула изобретения

Фиг. й

Пример. Газоразрядная плазма в инертных газах (Нс A Кг) и парах ртути в интервале изменения давления от 5 10 до 1 ° 10 мм рт.ст. помещается в немонотонно изменяющееся в пространстве магнитное поле с минимумом. Магнитное поле создается соленоидом. Вектор магнитной индукции направлен вдоль оси 2 . Величина магнитной индукции в минимуме B „„

-1,04 кгс. Через плазму пропускается электромагнитная волна частотой

2,92 Ггц. В одном случае при фиксированной частоте электромагнитной волны осуществляется увеличение магнитного поля (вместо уменьшения частоты) и непрерывно регистрируется профиль f5 линии. Лалее строится зависимость

Нп Л от л иб/и,, которая представляет собой прямую линию, из наклона которой по формуле (2 ) и определяется температура электронов. В другом случае при фиксированном магнитном поле используются три фиксированные частоты электромагнитной волны с расстройкой между ними, соизмеримой с полушири ной линии электронного 25 циклотро нного поглощения. Нахождение трех значений коэффициента поглощения электромагнитной волны плазмой позволяет определить наклон зависимости

PA + от h ы / .: с точност ью

20%. При давлении газа 1. 10 мм рт. ст. температуры электронов, определенные согласно предлагаемому способу имеют значения: гелий 2- 10%, аргон — 8 10" ОК, криптон — 6 104 К, пары ртути — 2 104 "K, Точность измеренийй составляет 60 Ъ . В выбран ном примере магнитное поле достаточно мало, что позволяет использовать для измерения электронной температуры плазмы в неоднородном магнитном 40 поле также электрический зонд. В пределах точности измерений значения

Т, найденные электрическим зондом и определенные предлагаемым спосо6оМ, совпадают. 45

Предлагаемый способ обеспечивает измерение электронной температуры плазмы, помещеннной в немонотонно изменяющееся в пространстве магнитное поле. Его использование не вызывает 5О искажения плазмы. Способ позволяет определять электронную температуру при использовании магнитных полей любой велИЧины. Способ пригоден для определения электронной температуры как в гаэоразрядной;так и в термоядерной плазме, Способ измерения электронной температуры плазмы, помещенной в магнитное поле, путем пропускания через плазму электромагнитной волны с частотой, соответствующей электронной циклотронной частоте, сканирования указанной частоты, измерения профиля линии поглощения зондирующей волны и определения температуры электронов по измеренному профилю, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью измерения локальной температуры плаз— мы, находящейся в неоднородном магнитном поле с области минимума или максимума поля, выбирают направление распространения электромагнитной волны„ совпадающее с направлением вектора магнитного поля в точке экстремума, значение частоты зондирующей волны задают равным циклотронной частоте в минимуме или максимуме магнитного поля, частоту волны уменьшают в случае минимума магнитного поля и увеличивают в случае максимума от заданного значения, а значение электронной температуры вычисляют из следующей зависимости:

-м 2 2, 30nhb

ТГКЗ=Ь,4h 30 L f см3оэ fee 3()

Ж где л — коэффициент поглощения мощности электромагнитной волны в плазме;

6  =(—, )производная магнитного поля В по координате в точке Z экстремума; и - частота электромагнитной волны, d w = м „„, < и .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Козлов О. B. Электрический зонд. в плазме, М., Атомиздат, 1969, с. 31.

2. Бекефи Д. Радиационные процессы в плазме, М., Мир, 19 /1, с. 230.

ЦНИИПИ Заказ 10234/42

Тираж 844 Подписное

Филиал ППП Патент, r.Óæãoðoä,óë.Ïðîåêòíàÿ,4