Diagnóstico de plasma

Una sonda de pluma es una técnica novedosa que se utiliza para medir directamente el potencial del plasma en plasmas magnetizados. La sonda fue inventada por Jiří Adámek en el Instituto de Física del Plasma de la Academia de Ciencias de la República Checa en 2004. ^{[ 1 ]} La sonda de pluma equilibra la corriente de saturación de electrones a la misma magnitud que la de la corriente de saturación de iones. En este caso, su potencial flotante se vuelve idéntico al potencial del plasma. Este objetivo se logra mediante un blindaje cerámico, que aísla una parte ajustable de la corriente de electrones del colector de la sonda debido al radio de giro mucho menor de los electrones. La temperatura de los electrones es proporcional a la diferencia entre el potencial de la sonda de pluma (potencial del plasma) y el potencial de la sonda de Langmuir (potencial flotante). Por lo tanto, la temperatura de los electrones se puede obtener directamente con alta resolución temporal sin fuente de alimentación adicional .

La copa de Faraday convencional se utiliza para medir flujos de iones (o electrones) desde los límites del plasma y para espectrometría de masas .

Las mediciones con sondas eléctricas, llamadas sondas de Langmuir , son los procedimientos más antiguos y utilizados para plasmas de baja temperatura. El método fue desarrollado por Irving Langmuir y sus colaboradores en la década de 1920, y desde entonces se ha perfeccionado para extender su aplicabilidad a condiciones más generales que las supuestas por Langmuir. Las mediciones con sonda de Langmuir se basan en la estimación de las características de corriente frente a voltaje de un circuito compuesto por dos electrodos metálicos sumergidos en el plasma en estudio. Dos casos son de interés: (a) Las áreas superficiales de los dos electrodos difieren en varios órdenes de magnitud. Este es el método de sonda única . (b) Las áreas superficiales son muy pequeñas en comparación con las dimensiones del recipiente que contiene el plasma y aproximadamente iguales entre sí. Este es el método de doble sonda .

La teoría convencional de la sonda de Langmuir presupone un movimiento sin colisiones de los portadores de carga en la vaina de carga espacial que rodea la sonda. Además, se asume que el límite de la vaina está bien definido y que, más allá de este límite, el plasma no se ve afectado en absoluto por la presencia de la sonda. Esto significa que el campo eléctrico generado por la diferencia entre el potencial de la sonda y el potencial del plasma en el lugar donde se encuentra la sonda se limita al volumen dentro del límite de la vaina de la sonda.

La descripción teórica general de una medición con sonda de Langmuir requiere la solución simultánea de la ecuación de Poisson , la ecuación de Boltzmann sin colisiones o ecuación de Vlasov , y la ecuación de continuidad con respecto a la condición de contorno en la superficie de la sonda, y exige que, a grandes distancias de la sonda, la solución se aproxime a la esperada en un plasma no perturbado.

Si el campo magnético en el plasma no es estacionario, ya sea porque el plasma en su conjunto es transitorio o porque los campos son periódicos (calentamiento por radiofrecuencia), la tasa de cambio del campo magnético con el tiempo (${\displaystyle {\dot {B}}}$El campo magnético (B-dot) se puede medir localmente con una espira o bobina de alambre. Estas bobinas aprovechan la ley de Faraday , según la cual un campo magnético variable induce un campo eléctrico. ^{[ 2 ]} El voltaje inducido se puede medir y registrar con instrumentos comunes. Además, según la ley de Ampère , el campo magnético es proporcional a las corrientes que lo producen, por lo que el campo magnético medido proporciona información sobre las corrientes que fluyen en el plasma. Tanto las corrientes como los campos magnéticos son importantes para comprender la física fundamental del plasma.

Un analizador de energía es una sonda que se utiliza para medir la distribución de energía de las partículas en un plasma. Las partículas cargadas se separan típicamente según sus velocidades de los campos eléctricos y/o magnéticos en el analizador de energía, y luego se discriminan permitiendo que solo las partículas con el rango de energía seleccionado lleguen al detector.

Los analizadores de energía que utilizan un campo eléctrico como discriminador también se conocen como analizadores de campo retardador. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Generalmente consisten en un conjunto de rejillas polarizadas a diferentes potenciales para generar un campo eléctrico que repele las partículas con energía inferior a la deseada, alejándolas del detector. Los analizadores con campo frontal cilíndrico o cónico ^{[ 5 ]} pueden ser más eficaces en este tipo de mediciones.

En cambio, los analizadores de energía que emplean un campo magnético como discriminador son muy similares a los espectrómetros de masas . Las partículas viajan a través de un campo magnético en la sonda y requieren una velocidad específica para alcanzar el detector. Estos se desarrollaron por primera vez en la década de 1960 ^{[ 6 ]} y suelen estar diseñados para medir iones. (El tamaño del dispositivo es del orden del radio de giro de la partícula , ya que el discriminador intercepta la trayectoria de la partícula giratoria).

La energía de las partículas neutras también se puede medir con un analizador de energía, pero primero deben ser ionizadas mediante un ionizador de impacto de electrones.

La radiografía de protones utiliza un haz de protones proveniente de una única fuente para interactuar con el campo magnético y/o eléctrico del plasma. Tras la interacción, se mide el perfil de intensidad del haz en una pantalla. Los campos magnético y eléctrico del plasma desvían la trayectoria del haz, lo que provoca una modulación en el perfil de intensidad. A partir de este perfil, se puede medir el campo magnético y/o eléctrico integrado.

Los efectos no lineales, como la característica I-V de la vaina límite, se utilizan en las mediciones con sonda de Langmuir, pero suelen omitirse en la modelización de descargas de radiofrecuencia debido a su tratamiento matemático complejo. La espectroscopia de resonancia de plasma de electrones autoexcitados (SEERS) utiliza precisamente estos efectos no lineales y los efectos de resonancia conocidos en las descargas de radiofrecuencia. Los elementos no lineales, en particular las vainas, generan armónicos en la corriente de descarga y excitan el plasma y la vaina en su resonancia en serie, caracterizada por la denominada frecuencia de resonancia geométrica.

SEERS proporciona la densidad del plasma electrónico promediada espacial y recíprocamente, así como la tasa efectiva de colisiones electrónicas. La tasa de colisiones electrónicas refleja el calentamiento estocástico (por presión) y el calentamiento óhmico de los electrones.

El modelo para el plasma se basa en un modelo de fluido bidimensional (momentos de orden cero y primero de la ecuación de Boltzmann) y en el conjunto completo de ecuaciones maxwellianas que conducen a la ecuación de Helmholtz para el campo magnético. El modelo de la vaina se basa adicionalmente en la ecuación de Poisson .

Si el plasma (o un componente iónico del plasma) fluye en la dirección de la línea de visión hacia el observador, las líneas de emisión se verán a una frecuencia diferente debido al efecto Doppler .

El movimiento térmico de los iones produce un desplazamiento de las líneas de emisión hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de si el ion se mueve hacia el observador o se aleja de él. La magnitud del desplazamiento es proporcional a la velocidad a lo largo de la línea de visión. El efecto neto es un ensanchamiento característico de las líneas espectrales, conocido como ensanchamiento Doppler , a partir del cual se puede determinar la temperatura del ion. ^{[ 8 ]}

La división de algunas líneas de emisión debido al efecto Stark puede utilizarse para determinar el campo eléctrico local.

Independientemente de la presencia de campos eléctricos macroscópicos, cualquier átomo individual se ve afectado por campos eléctricos microscópicos debido a las partículas de plasma cargadas vecinas. Esto produce el ensanchamiento de Stark de las líneas espectrales, que puede utilizarse para determinar la densidad del plasma. ^{[ 9 ]}

El brillo de las líneas espectrales emitidas por los átomos en un plasma depende de la temperatura y la densidad del plasma.

Si se utiliza un modelo colisional radiativo suficientemente completo , la temperatura (y, en menor medida, la densidad) de los plasmas a menudo se puede inferir tomando las razones de las intensidades de emisión de varias líneas espectrales atómicas. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

La presencia de un campo magnético divide los niveles de energía atómica debido al efecto Zeeman . Esto provoca el ensanchamiento o la división de las líneas espectrales. Por lo tanto, el análisis de estas líneas permite determinar la intensidad del campo magnético en el plasma.

Al hacer incidir a través del plasma un láser con una longitud de onda sintonizada a una transición específica de una de las especies presentes, se puede obtener el perfil de absorción de dicha transición. Este perfil proporciona información no solo sobre los parámetros del plasma, que podrían obtenerse a partir del perfil de emisión, sino también sobre la densidad numérica integrada de la línea de las especies absorbentes.

Se dispara un haz de átomos neutros contra un plasma. Algunos átomos se excitan por colisiones dentro del plasma y emiten radiación. Esto puede utilizarse para estudiar las fluctuaciones de densidad en un plasma turbulento.

En plasmas de temperatura extremadamente alta, como los que se encuentran en los experimentos de fusión magnética, los elementos ligeros se ionizan completamente y no emiten radiación de línea. Sin embargo, cuando se dispara un haz de átomos neutros hacia el plasma, se produce un proceso conocido como intercambio de carga . Durante este intercambio, los electrones de los átomos neutros del haz se transfieren a los iones del plasma, que son altamente energéticos, lo que da lugar a la formación de iones hidrogenoides. Estos iones recién formados emiten rápidamente radiación de línea, que posteriormente se analiza para obtener información sobre el plasma, incluyendo la densidad, la temperatura y la velocidad de los iones.

Un ejemplo de esto es el método de iones rápidos de deuterio alfa (FIDA) empleado en tokamaks. ^{[ 12 ] [ 13 ]} En esta técnica, se produce un intercambio de carga entre los átomos neutros del haz y los iones rápidos de deuterio presentes en el plasma. Este método aprovecha el considerable desplazamiento Doppler que exhibe la luz Balmer alfa emitida por los átomos energéticos para determinar la densidad de los iones rápidos. ^{[ 14 ]}

La fluorescencia inducida por láser (LIF) es una técnica espectroscópica empleada para investigar las propiedades del plasma mediante la observación de la fluorescencia emitida cuando el plasma es estimulado por radiación láser. Este método permite medir parámetros del plasma como el flujo iónico, la temperatura iónica, la intensidad del campo magnético y la densidad del plasma. ^{[ 15 ]} Normalmente, se utilizan láseres de colorante sintonizables para realizar estas mediciones. La aplicación pionera de LIF en física de plasmas tuvo lugar en 1975, cuando los investigadores la utilizaron para medir la función de distribución de velocidad iónica en un plasma de argón. ^{[ 16 ]} Desde entonces, se han desarrollado diversas técnicas de LIF, incluyendo la técnica LIF de un fotón y la fluorescencia inducida por láser de absorción de dos fotones (TALIF). ^{[ 17 ]}

La fotodesprendimiento combina mediciones con sonda de Langmuir y un haz láser incidente. Este haz se optimiza espacial, espectral y energéticamente para desprender un electrón ligado a un ion negativo. Las mediciones con sonda de Langmuir se realizan para determinar la densidad electrónica en dos situaciones: una sin láser incidente y otra con láser incidente. El aumento de la densidad electrónica con el láser incidente proporciona la densidad de iones negativos.

Si un átomo se mueve en un campo magnético, la fuerza de Lorentz actuará en direcciones opuestas sobre el núcleo y los electrones, al igual que un campo eléctrico. En el sistema de referencia del átomo, existe un campo eléctrico, aunque no exista en el sistema de referencia del laboratorio. Por consiguiente, ciertas líneas se desdoblarán debido al efecto Stark . Con una selección adecuada del tipo y la velocidad del haz, así como de la geometría, este efecto puede utilizarse para determinar el campo magnético en el plasma.

En plasmas magnetizados, los electrones giran alrededor de las líneas del campo magnético y emiten radiación ciclotrónica . La frecuencia de esta emisión viene dada por la condición de resonancia ciclotrónica . En un plasma suficientemente grueso y denso, la intensidad de la emisión sigue la ley de Planck y solo depende de la temperatura electrónica.

El efecto Faraday provoca la rotación del plano de polarización de un haz que atraviesa un plasma con un campo magnético en la dirección del haz. Este efecto puede utilizarse para diagnosticar el campo magnético, aunque la información se mezcla con el perfil de densidad y suele ser solo un valor integral.

Si se coloca un plasma en uno de los brazos de un interferómetro , el desfase será proporcional a la densidad del plasma integrada a lo largo de la trayectoria.

La dispersión de la luz láser por los electrones en un plasma se conoce como dispersión de Thomson . La temperatura electrónica se puede determinar con gran precisión a partir del ensanchamiento Doppler de la línea láser. La densidad electrónica se puede determinar a partir de la intensidad de la luz dispersada, pero se requiere una calibración absoluta precisa. Si bien la dispersión de Thomson está dominada por la dispersión de los electrones, dado que estos interactúan con los iones, en ciertas circunstancias también se puede obtener información sobre la temperatura iónica.