Dispositivo de plasma de gran tamaño

El Large Plasma Device (a menudo estilizado como LArge Plasma Device o LAPD ) es un dispositivo de física experimental ubicado en UCLA . Está diseñado como un laboratorio de propósito general para la investigación experimental de física del plasma . El dispositivo comenzó a funcionar en 1991 ^[1] y se actualizó en 2001 ^[2] a su versión actual. El LAPD moderno se opera como el dispositivo principal para una instalación de investigación colaborativa nacional, la Basic Plasma Science Facility (o BaPSF), que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. , Fusion Energy Sciences y la National Science Foundation . ^[3] La mitad del tiempo de operación del dispositivo está disponible para científicos de otras instituciones e instalaciones que pueden competir por tiempo a través de una convocatoria anual. ^{[4] [5]}

La primera versión del LAPD fue un dispositivo de 10 metros de largo construido por un equipo dirigido por Walter Gekelman en 1991. La construcción tardó 3,5 años en completarse y fue financiada por la Oficina de Investigación Naval (ONR). Una importante actualización a una versión de 20 metros fue financiada por la ONR y una subvención de la NSF para instrumentación de investigación importante en 1999. ^[6] Tras la finalización de esa importante actualización, la concesión de una subvención de 4,8 millones de dólares por parte del Departamento de Energía de los EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias en 2001 permitió la creación de la Instalación de Ciencia Básica del Plasma y el funcionamiento del LAPD como parte de esta instalación de usuarios nacionales. Gekelman fue director de la instalación hasta 2016, cuando Troy Carter se convirtió en director de BaPSF.

El LAPD es un dispositivo de descarga pulsada lineal que funciona a una alta tasa de repetición (1 Hz), que produce un plasma de fondo fuertemente magnetizado que es físicamente lo suficientemente grande como para soportar ondas de Alfvén . El plasma se produce a partir de una descarga de cátodo-ánodo de óxido de bario (BaO) en un extremo de un recipiente de vacío cilíndrico de 20 metros de largo y 1 metro de diámetro (diagrama). La columna de plasma resultante tiene aproximadamente 16,5 metros de largo y 60 cm de diámetro. El campo magnético de fondo, producido por una serie de grandes electroimanes que rodean la cámara, puede variar de 400 gauss a 2,5 kilogauss (40 a 250 mT ).

Debido a que el LAPD es un dispositivo de investigación de uso general, los parámetros del plasma se seleccionan cuidadosamente para simplificar el diagnóstico sin los problemas asociados con los plasmas más calientes (por ejemplo, de nivel de fusión), al tiempo que se proporciona un entorno útil en el que realizar investigaciones. Los parámetros operativos típicos son:

• Densidad: n = 1–4 10 ¹² cm ⁻³${\displaystyle \veces}$
• Temperatura: T _e = 6 eV, T _i = 1 eV
• Campo de fondo: B = 400–2500 gauss (40–250 mT)

En principio, se puede generar un plasma a partir de cualquier tipo de gas, pero normalmente se utilizan gases inertes para evitar que el plasma destruya el revestimiento del cátodo de óxido de bario. Algunos ejemplos de gases utilizados son el helio , el argón , el nitrógeno y el neón . A veces se utiliza hidrógeno durante breves periodos de tiempo. También se pueden mezclar varios gases en proporciones variables dentro de la cámara para producir plasmas de múltiples especies.

Con estos parámetros, el radio de Larmor del ion es de unos pocos milímetros y la longitud de Debye de decenas de micrómetros. Es importante destacar que esto también implica que la longitud de onda de Alfvén es de unos pocos metros y, de hecho, las ondas transversales de Alfvén se observan rutinariamente en el LAPD. Esta es la razón principal de la longitud de 20 metros del dispositivo.

La principal fuente de plasma dentro del LAPD se produce a través de la descarga del cátodo recubierto de óxido de bario (BaO), que emite electrones a través de emisión termoiónica . El cátodo está ubicado cerca del extremo del LAPD y está hecho de una lámina delgada de níquel, calentada uniformemente a aproximadamente 900 °C. El circuito está cerrado por un ánodo de malla de molibdeno a poca distancia. Las corrientes de descarga típicas están en el rango de 3 a 8 kiloamperios a 60 a 90 voltios, suministradas por un interruptor de transistor diseñado a medida respaldado por un banco de condensadores de 4 faradios .

^{En 2010 [7]} se desarrolló una fuente de cátodo secundario hecha de hexaboruro de lantano (LaB6 ₎ para proporcionar un plasma más caliente y más denso cuando sea necesario. Consiste en cuatro baldosas cuadradas unidas para formar un área de 20 x 20 cm2 ^y está ubicada en el otro extremo del LAPD. El circuito también está cerrado por un ánodo de malla de molibdeno, que puede colocarse más abajo en la máquina, y es ligeramente más pequeño en tamaño que el utilizado para cerrar la fuente de cátodo de BaO. El cátodo de LaB6 _se calienta típicamente a temperaturas superiores a 1750 °C mediante un calentador de grafito y produce corrientes de descarga de 2,2 kiloamperios a 150 voltios. ${\displaystyle \veces}$

El plasma en el LAPD suele pulsarse a 1 Hz, con la fuente de BaO de fondo encendida durante 10 a 20 milisegundos cada vez. Si se utiliza la fuente de LaB ₆ , normalmente se descarga junto con el cátodo de BaO, pero durante un período de tiempo más corto (alrededor de 5 a 8 ms) acercándose al final de cada ciclo de descarga. El uso de una fuente de plasma de cátodo de óxido, junto con un interruptor de transistor bien diseñado para la descarga, permite un entorno de plasma que es extremadamente reproducible disparo a disparo.

Un aspecto interesante de la fuente de plasma BaO es su capacidad de actuar como un "Alfvén Maser ", una fuente de ondas de corte Alfvén coherentes de gran amplitud. ^[8] La cavidad resonante está formada por el cátodo de níquel altamente reflectante y el ánodo de rejilla semitransparente. Dado que la fuente está ubicada en el extremo del solenoide que genera el campo de fondo principal de LAPD, existe un gradiente en el campo magnético dentro de la cavidad. Como las ondas de corte no se propagan por encima de la frecuencia del ciclotrón iónico , el efecto práctico de esto es actuar como un filtro sobre los modos que pueden ser excitados. La actividad del máser ocurre espontáneamente en ciertas combinaciones de intensidad del campo magnético y corriente de descarga, y en la práctica puede ser activada (o evitada) por el usuario de la máquina.

El diagnóstico principal es la sonda móvil. La temperatura relativamente baja de los electrones hace que la construcción de la sonda sea sencilla y no requiera el uso de materiales exóticos. La mayoría de las sondas se construyen internamente dentro de las instalaciones e incluyen sondas de campo magnético, ^[9] sondas Langmuir , sondas Mach (para medir el flujo), sondas dipolares eléctricas y muchas otras. El diseño estándar de la sonda también permite que los usuarios externos traigan sus propios diagnósticos, si lo desean. Cada sonda se inserta a través de su propio enclavamiento de vacío, lo que permite agregar y quitar sondas mientras el dispositivo está en funcionamiento.

Una frecuencia de repetición de 1 Hz, combinada con la alta reproducibilidad del plasma de fondo, permite la rápida recopilación de enormes conjuntos de datos. Un experimento en el LAPD suele estar diseñado para repetirse una vez por segundo, durante tantas horas o días como sea necesario para reunir un conjunto completo de observaciones. Esto permite diagnosticar experimentos utilizando una pequeña cantidad de sondas móviles, en contraste con las grandes matrices de sondas que se utilizan en muchos otros dispositivos.

El dispositivo está equipado en toda su longitud con "rótulas", acoplamientos angulares herméticos al vacío (inventados por un miembro del personal del LAPD) que permiten insertar y girar las sondas, tanto vertical como horizontalmente. En la práctica, se utilizan junto con unidades de sonda motorizadas controladas por ordenador para tomar muestras de "planos" (secciones transversales verticales) del plasma de fondo con la sonda que se desee. Dado que la única limitación en la cantidad de datos que se deben tomar (número de puntos en el plano) es la cantidad de tiempo empleado en registrar tomas a 1 Hz, es posible ensamblar grandes conjuntos de datos volumétricos que constan de muchos planos en diferentes ubicaciones axiales.

Visualizaciones compuestas a partir de dichas mediciones volumétricas se pueden ver en la galería del LAPD.

Incluyendo las rótulas, hay un total de 450 puertos de acceso en la máquina, algunos de los cuales están equipados con ventanas para observación óptica o de microondas.

En el LAPD también hay una variedad de otros diagnósticos disponibles para complementar las mediciones de sonda. Estos incluyen fotodiodos , interferómetros de microondas , una cámara de alta velocidad (3 ns/fotograma) y fluorescencia inducida por láser .

• Dispositivo de plasma toroidal enorme (ETPD), un dispositivo de plasma toroidal alojado en las mismas instalaciones que el LAPD

• Sitio web de la Instalación de Ciencia Básica del Plasma

34°03′39″N 118°26′57″O / 34.0607, -118.4493