Sonda de bolígrafo

Una sonda de bolígrafo ^{[ 1 ]} es una sonda de Langmuir modificada que se utiliza para medir el potencial del plasma ^{[ 2 ]} en plasmas magnetizados. La sonda de bolígrafo equilibra las corrientes de saturación de electrones e iones, de modo que su potencial flotante sea igual al potencial del plasma. Dado que los electrones tienen un radio de giro mucho menor que los iones, se puede utilizar un blindaje cerámico móvil para aislar una parte ajustable de la corriente de electrones del colector de la sonda.

Las sondas de bolígrafo se utilizan en física de plasma, especialmente en tokamaks como CASTOR, ^{[ 1 ] [ 2 ]} ASDEX Upgrade , ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} COMPASS , ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} ISTTOK , ^{[ 6 ] [ 8 ]} MAST , ^{[ 9 ]} TJ-K, ^{[ 10 ]} RFX, ^{[ 11 ]} H-1 Heliac , ^{[ 12 ] [ 13 ] IR - T1} , ^{[ 14 ] [ 15 ]} GOLEM ^{[ 16 ]} y el estelarador Wendelstein 7-X ^{[ 17 ]} así como en dispositivos de baja temperatura como el magnetrón cilíndrico de CC en Praga ^{[ 10 ] [ 18 ]} y los dispositivos de plasma magnetizados lineales en Nancy ^{[ 19 ]} y Ljubljana . ^{[ 10 ] [ 20 ]}

Si se inserta una sonda de Langmuir (electrodo) en un plasma , su potencial no es igual al potencial del plasma.${\displaystyle \Phi }$porque se forma una vaina de Debye , pero en cambio a un potencial flotante${\displaystyle V_{fl}}$La diferencia con el potencial del plasma viene dada por la temperatura electrónica .${\displaystyle T_{e}}$:

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

donde el coeficiente${\displaystyle \alpha }$viene dada por la relación de la densidad de corriente de saturación de electrones e iones (${\displaystyle j_{e}^{sat}}$y${\displaystyle j_{i}^{sat}}$) y áreas de recolección para electrones e iones (${\displaystyle A_{e}}$y${\displaystyle A_{i}}$):

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

La sonda de bolígrafo modifica las áreas de recolección de electrones e iones de tal manera que la relación${\displaystyle R}$es igual a uno. En consecuencia,${\displaystyle \alpha =0}$y el potencial flotante de la sonda de bolígrafo se vuelve igual al potencial del plasma independientemente de la temperatura de los electrones :

${\displaystyle V_{fl}=\Phi }$

Una sonda de bolígrafo consta de un colector de forma cónica ( acero inoxidable no magnético , tungsteno , cobre , molibdeno ), que está protegido por un tubo aislante ( nitruro de boro , alúmina ). El colector está completamente blindado y toda la cabeza de la sonda se coloca perpendicular a las líneas del campo magnético .

Cuando el colector se desliza dentro del escudo, la relación${\displaystyle R}$Varía y puede ajustarse a 1. La longitud de retracción adecuada depende en gran medida del valor del campo magnético . La retracción del colector debe estar aproximadamente por debajo del radio de Larmor del ion . La calibración de la posición adecuada del colector puede realizarse de dos maneras diferentes:

1. El colector de la sonda de bolígrafo se polariza mediante un voltaje de baja frecuencia que proporciona las características I-V y permite obtener la corriente de saturación de electrones e iones. A continuación, el colector se retrae hasta que las características I-V se vuelven simétricas. En este caso, la relación${\displaystyle R}$está cerca de la unidad, aunque no exactamente. ^{[ 1 ] [ 4 ] [ 21 ]} Si la sonda se retrae más profundamente, las características IV permanecen simétricas.
2. El potencial del colector de la sonda de bolígrafo se deja flotando, y el colector se retrae hasta que su potencial se satura. El potencial resultante es superior al potencial de la sonda de Langmuir.

Utilizando dos mediciones del potencial del plasma con sondas cuyo coeficiente${\displaystyle \alpha }$Aunque difieren, es posible recuperar la temperatura electrónica de forma pasiva (sin ningún voltaje o corriente de entrada). Utilizando una sonda de Langmuir (con una no despreciable) y una sonda de punta esférica (cuya asociada${\displaystyle R}$(si está cerca de cero) la temperatura electrónica viene dada por:

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

dónde${\displaystyle \Phi }$se mide con la sonda de bolígrafo,${\displaystyle V_{fl}}$mediante la sonda Langmuir estándar y${\displaystyle \alpha }$Está determinado por la geometría de la sonda de Langmuir , la composición del gas del plasma, el campo magnético y otros factores menores ( emisión de electrones secundarios , expansión de la vaina, etc.). Puede calcularse teóricamente, siendo su valor aproximado de 3 para un plasma de hidrógeno no magnetizado. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

En la práctica, la relación${\displaystyle R}$para la sonda de bolígrafo no es exactamente igual a uno, ^{[ 4 ]} de modo que el coeficiente${\displaystyle \alpha }$debe corregirse mediante un valor empírico para${\displaystyle R}$:

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

dónde ${\displaystyle {\bar {\alpha }}=\alpha -ln(R).}$

La temperatura iónica${\displaystyle T_{i}}$es una cantidad importante en los plasmas de fusión; sin embargo, rara vez se mide utilizando sondas eléctricas. La sonda de bolígrafo se puede utilizar para determinar esta cantidad ajustando sus características de corriente-voltaje. El método ^{[ 24 ]} es relativamente simple, pero requiere una fuente de voltaje de barrido. La temperatura iónica se obtiene de la parte exponencial de la rama electrónica (${\displaystyle V_{sonda}>\Phi }$) de la característica corriente-tensión, como se describe a continuación:

${\displaystyle I(V_{probe})=I_{i}^{sat}\left[R\left(1+K(V_{probe}-\Phi )\right)-\exp \left({\frac {\Phi -V_{probe}}{T_{i}}}\right)\right]}$

dónde${\displaystyle I_{i}^{sat}}$denota la corriente de saturación iónica (${\displaystyle A_{i}j_{i}^{sat}}$), y el coeficiente${\displaystyle K}$representa un aumento lineal generalmente observado con${\displaystyle K>0}$corriente de electrones (${\displaystyle K=0}$(para el caso de saturación total), combinado con una dependencia exponencial que describe la corriente iónica, la cual está regida por la temperatura iónica.${\displaystyle T_{i}}$.

Las principales ventajas de este método incluyen:

• Mediciones robustas y locales, lo que lo hace adecuado tanto para dispositivos de fusión pequeños como grandes ( COMPASS ^{[ 24 ] [ 25 ]} , Wendelstein 7-X ^{[ 17 ]} ).
• Un nivel relativamente alto de la señal de sonda efectiva (${\displaystyle I_{i}^{sat}}$), lo que permite el uso de un régimen de barrido de voltaje rápido y permite una alta resolución temporal (del orden de${\displaystyle 5{\text{–}}10\,\mu {\text{s}}}$).

• Tesis doctoral de Jiri Adamek (en checo e inglés).
• Resumen: Avances en el diagnóstico de plasma: 20 años de la sonda de bola en la investigación de fusión y no fusión .
• Mediciones con sonda eléctrica en el tokamak COMPASS
• Sonda sensible a iones de barrido para mediciones del perfil de plasma en el límite del tokamak Alcator C-Mod.
• Desarrollo de sondas para la evaluación del transporte de calor iónico y el flujo de calor de la vaina en el límite del tokamak Alcator C-Mod.
• Vídeo: Evolución temporal de las ELM de tipo I en la región del divertor del tokamak COMPASS.
• El nuevo divertor, las sondas Ball-pen y Langmuir del tokamak COMPASS.
• Bolígrafo y sonda Langmuir en el tokamak GOLEM