Elektrické sondy pro měření v okrajovém plazmatu v tokamakcích Jan Stöckel Ústav fyziky plazmatu AV ČR Marianská, Uvítám otázky během mé přednášky

Rake probe - GOLEM Hlava sondy 16 hrotů vzdálenost hrotů 2,5 mm průměr hrotu 0,6 mm délka hrotu 2 mm Manipulátor umožňuje posun hlavice sondy mezi výstřely

Co je to Langmuirova sonda (trochu základní teorie) Uspořádání experimentu (dostupný hardware) První výsledek experimentu na GOLEMovi Možná zajímavá fyzika (budoucí měření)

Langmuirova sonda je nástroj ke stanovení lokálních parametrů plazmatu jako je hustota, teplota a potenciál plazmatu. Sonda je vodivá elektroda vnořená do plazmatu. Přikládáme na ní napětí vůči referenční elektrodě (komora tokamaku) a měříme proud který jí protéká. Pro Jednoduchá a levná diagnostika Vysoké prostorové a časové rozlišení Proti Vždy porušuje plazma! Poněkud komplikovaná interpretace naměřených dat! Neexistuje ucelená teorie Langmuirovy sondy v magnetizovaném plazmatu. Proto se k interpretaci experimentu vesměs používá klasická Langmuirova teorie!

Kvazineutralita je je porušena v oblasti plazmatu jejíž rozměr je podstatně větší než Debyeova délka V tokamakovém plazmatu je Debyeova vzdálenost malá – okolo 20  m Kvazineutralita je porušena, když do plazmatu vnoříme pevné těleso Ve vzdálenosti větší než Debyeova stínící délka je již plazma opět kvazineutrální Debyeova stínící vrstva Elektrony plazmatu se pohybují mnohem větší rychlostí ke stěně vnořené do plazmatu – v Debyeově stínící vrstvě převažují kladné ionty

Potenciál plazmatu Potenciál plazmatu – na sondu vnořenou do plazmatu přiložíme takové kladné napětí, aby vymizela Debyeova stínící vrstva. Na sondu se přitom urychlují elektrony a kompenzuji kladný prostorový náboj ve stěnové vrstvě. Potenciál plazmatu se obvykle označuje 

Elektronový proud na nabitou sondu Sonda je na stejném potenciálu jako plazma Sonda je nabita záporně vůči potenciálu plazmatu Nejpomalejší elektrony na sondu nedopadají Mezní rychlost elektronů

Elektronový a iontový proud na sondu Iontový nasycený proud Elektronový nasycený proud pro vodíkové plazma Přechodová oblast

Plovoucí potenciál Celkový proud na sondu pro vodíkové plazma Sonda je na plovoucím potenciálu V float Plovoucí potenciál Je-li známa velikost elektronové teploty a plovoucího potenciálu, můžeme odhadnout potenciál plazmatu

Sondová charakteristika Měříme Po troše algebry dostaneme analytický výraz pro voltampérovou charakteristiku Měříme Problém: Příliš mnoho neznámých veličin (4). Pokusíme se redukovat na 3 – Za potenciál plazmatu dosadíme modifikovaný výraz pro plovoucí potenciál Odhadneme Měříme Jediná skutečná neznámá! Odhadneme ze směrnice

Měření voltampérové charakteristiky Napětí na sondě se bude v čase měnit – napěťová pila o frekvenci 1 kHz Budeme měřit sondový proud

I p =I ion sat {1 - exp [- e(V float -V p )/kT e ]} Voltampérová charakteristika jednoduché sondy Plovoucí potenciál Iontový nasycený proud Z měřených signálů napětí a proudu sestrojíme voltampérovou charakteristiku. Čas potřebný ke změření jedné I-V charakteristiky je okolo 1 ms Elektronovou teplotu zjistíme porovnáním tvaru charakteristiky s teoretickou předpovědí Fit na tři neznáme parametry I ion sat V floa a T e V magnetizovaném plazmatu obvykle fitujeme jen část I-V charakteristiky Vp < 

16 hrotů (diam.=0,6 mm, l=2 mm) Vzdálenost = 2.5 mm Celková délka 37 mm Radiální hřebínek Langmuirových sond (tokamak CASTOR) LCFS Stěna Limiter LCFS Radiální profily změřené při šesti "identických" výbojích (tokamak CASTOR) Radius [mm]

Iontový nasycený proud - GOLEM Na sondu se přiloží dostatečně vysoké záporné napětí proti referenční elektrodě (komora tokamaku) a měří se spád napětí na malém sériovém odporu. V okrajovém plazmatu v tokamacích obvykle stačí –100 až –200 V Iontový nasycený proud snadno spočítáme z Ohmova zákona jako I sat = Usat/R = U/50 Usat

Odhad hustoty plazmatu z Isat pro Te ~ Ti => Teoretický vztah pro velikost iontového nasyceného proudu e – náboj elektronu e = 1,6* C A – Plocha sondy 2*d*l = 2,4 *10 -6 m 2 n – hustota plazmatu k – Boltzmanova konstanta k = 1,6* J/eV Mi – hmota protonu Mi = 1,67* kg Hrubý odhad - Pokud odhadneme elektronovou teplotu na 16 eV (typická hodnota na okraji plazmatu) a změříme na zátěži 50 , pak hustota plazmatu je kdeje rychlost iontového zvuku GOLEM ~ 50 km/s

Jak se měří plovoucí potenciál ? Mezi sondu a referenční elektrodu se zapojí velký odpor (řádu MOhm), kterým protéká zanedbatelný proud a měříme její napětí. Rozsah AD převodníků však bývá menší, než typická hodnota měřeného napětí, takže obvykle musíme použít dělič napětí. Přímé měření U float Měření U float s napěťovým děličem 1:100 V fl V fl /100

Rake probe na tokamaku GOLEM Hřebínek 16ti Langmuirových sond je umístěn na manipulátoru, který umožní měnit vzdálenost sond od středu sloupce plazmatu (mezi jednotlivými výstřely tokamaku) Manipulátor je umístěn na horním (malém) diagnostickém portu. Časový vývoj signálů z jednotlivých sond se digitalizuje 12 AD převodníky a ukládá do databáze

Časový vývoj napětí na závit pro výstřely #6607 -#6616, při nichž se sonda měřila plovoucí potenciál Časový vývoj signálů 6ti plovoucích sond pro výstřel #6616. Plovoucí potenciál Reprodukovatelné výboje ale mizerný výbojový režim! Hroty 2 a 6 – není kontakt Plovoucí potenciál je záporný! Nestability Turbulence

Vertikální posun prstence plazmatu CASTOR – top Ufloat > 0 Limiter SOL Last closed flux surface GOLEM top Ufloat < 0

Radiální profil plovoucího potenciálu - Erad Radiální elektrické pole –2 kV/m, Btor je zhruba 0,2 T Plasma rotuje poloidálně s rychlostí 10 km/s!! Zanedbejme gradient elektronové teploty

Iontový nasycený proud Časový vývoj iontového nasyceného proudu pro výstřel #6618 Radiální profil hustoty plazmatu ze dvou výstřelů nasyceného proudu pro výstřel # Rozumný profil Hustota na poloměru limiteru m -3

Elektrický obvod pro měření Isat a Vfloat na tokamaku GOLEM Obvod, který umožňuje měřit buď plovoucí potenciál (modrá), nebo iontový nasycený proud (červená dráha) Režim měření se mění pouze přepnutím jediného přepínače (mezi výstřely) Návrh pro vzdálené sondové měření: Nahradit přepínač relátkem ovládaným přes počítač!!

Závěr Okrajové plazma je velmi důležitá oblast v tokamaku – determinuje udržení, formování transportních barier, …) Pro pochopení fyzikálních procesů je nezbytné využívat diagnostické metody s co nevyšším prostorovým a časovým rozlišením Tyto požadavky jednoznačně splňují elektrické sondy a jejich pole jsou to extrémně užitečné nástroje a používají se na všech tokamacích (avšak i pro studium turbulence)