Большое плазменное устройство

Большое плазменное устройство (часто стилизованное под LArge Plasma Device или LAPD ) — экспериментальное физическое устройство, расположенное в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе . Он спроектирован как лаборатория общего назначения для экспериментальных исследований в области физики плазмы . Устройство начало работу в 1991 году. ^[1] и был модернизирован в 2001 году ^[2] до его текущей версии. Современный LAPD используется в качестве основного устройства для национального совместного исследовательского центра, Базового научного центра по изучению плазмы (или BaPSF), который поддерживается Министерством энергетики США , Отделом термоядерных энергетических наук и Национальным научным фондом . ^[3] Половина времени работы устройства доступна ученым из других институтов и учреждений, которые могут конкурировать за время посредством ежегодного конкурса. ^[4]^[5]

История

Первая версия полиции Лос-Анджелеса представляла собой устройство длиной 10 метров, построенное командой под руководством Уолтера Гекельмана в 1991 году. Строительство заняло 3,5 года и финансировалось Управлением военно-морских исследований (ONR). Крупное обновление до 20-метровой версии было профинансировано ONR и наградой NSF Major Research Instrumentation в 1999 году. ^[6] После завершения этой крупной модернизации грант в размере 4,8 миллиона долларов США, предоставленный Министерством энергетики США и Национальным научным фондом в 2001 году, позволил создать Базовую научно-исследовательскую установку по плазме и работу полиции Лос-Анджелеса как части этого национального пользовательского объекта. . Гекельман был директором учреждения до 2016 года, когда Трой Картер директором BaPSF стал .

Обзор машины

LAPD представляет собой устройство с линейным импульсным разрядом, работающее с высокой частотой повторения (1 Гц), создающее сильно намагниченную фоновую плазму, которая физически достаточно велика, чтобы поддерживать альфвеновские волны . Плазма получается из катодно-анодного разряда оксида бария (BaO) на одном конце цилиндрического вакуумного сосуда длиной 20 метров и диаметром 1 метр ( диаграмма ). Образовавшийся столб плазмы имеет длину примерно 16,5 метров и диаметр 60 см. Фоновое магнитное поле, создаваемое серией больших электромагнитов, окружающих камеру, может варьироваться от 400 гаусс до 2,5 килогаусс (от 40 до 250 мТл ).

Параметры плазмы

Поскольку LAPD является исследовательским устройством общего назначения, параметры плазмы тщательно выбираются, чтобы упростить диагностику без проблем, связанных с более горячей плазмой (например, уровня термоядерного синтеза), и в то же время обеспечивая полезную среду для проведения исследований. Типичные рабочие параметры:

Плотность: n = 1–4 $\times$ 10 ¹² см ⁻³
Температура: Т _э = 6 эВ, Т _i = 1 эВ
Фоновое поле: B = 400–2500 гаусс (40–250 мТл).

В принципе, плазму можно генерировать из любого газа, но обычно используются инертные газы, чтобы предотвратить разрушение плазмой покрытия на катоде из оксида бария. Примерами используемых газов являются гелий , аргон , азот и неон . Водород иногда используется в течение коротких периодов времени. В камере также можно смешивать несколько газов в различных соотношениях для получения многовидовой плазмы.

иона При этих параметрах ларморовский радиус составляет несколько миллиметров, а дебаевская длина — десятки микрометров. Важно отметить, что это также означает, что альфвеновская длина волны составляет несколько метров, и фактически сдвиговые альфвеновские волны обычно наблюдаются в полиции Лос-Анджелеса. Это основная причина 20-метровой длины устройства.

Источники плазмы

Основным источником плазмы в LAPD является разряд катода, покрытого оксидом бария (BaO), который испускает электроны посредством термоэлектронной эмиссии . Катод расположен ближе к концу LAPD и изготовлен из тонкого никелевого листа, равномерно нагретого примерно до 900 °C. Цепь замыкается анодом из молибденовой сетки, расположенным на небольшом расстоянии. Типичные токи разряда находятся в диапазоне 3–8 килоампер при напряжении 60–90 В и обеспечиваются специально разработанным транзисторным ключом, поддерживаемым батареей конденсаторов емкостью 4 Фарад .

вторичный катодный источник из гексаборида лантана (LaB _{6 ).}В 2010 году разработан ^[7] чтобы при необходимости обеспечить более горячую и плотную плазму. Он состоит из четырех квадратных плиток, соединенных в 20. $\times$ 20 см ² районе и расположен на другом конце полиции Лос-Анджелеса. Цепь также замыкается анодом из молибденовой сетки, который можно разместить дальше в машине, и он немного меньше по размеру, чем тот, который используется для замыкания катодного источника BaO. Катод LaB ₆ обычно нагревается до температуры выше 1750 °C с помощью графитового нагревателя и создает ток разряда 2,2 килоампер при напряжении 150 вольт.

Плазма в LAPD обычно пульсирует с частотой 1 Гц, при этом фоновый источник BaO включен на 10-20 миллисекунд за раз. LaB ₆ Если используется источник , он обычно разряжает катод BaO, но в течение более короткого периода времени (около 5–8 мс) ближе к концу каждого цикла разряда. Использование источника плазмы с оксидным катодом, а также хорошо спроектированного транзисторного переключателя для разряда позволяет создать плазменную среду, которая чрезвычайно воспроизводима от выстрела к выстрелу.

Одним из интересных аспектов источника плазмы BaO является его способность действовать как «альфвеновский мазер », источник когерентных сдвиговых альфвеновских волн большой амплитуды. ^[8] Резонансная полость образована высокоотражающим никелевым катодом и полупрозрачным сеточным анодом. Поскольку источник расположен на конце соленоида , который генерирует основное фоновое поле LAPD, внутри полости существует градиент магнитного поля. Поскольку поперечные волны не распространяются выше ионной циклотронной частоты , практический эффект от этого заключается в том, что они действуют как фильтр на модах, которые могут возбуждаться. Мазерная активность возникает спонтанно при определенных сочетаниях напряженности магнитного поля и разрядного тока и на практике может быть активирована (или предотвращена) пользователем машины.

Диагностический доступ и датчики

Зонды

Основной диагностикой является подвижный зонд. Относительно низкая температура электронов делает конструкцию зонда простой и не требует использования экзотических материалов. Большинство зондов изготавливаются собственными силами на предприятии и включают в себя зонды магнитного поля, ^[9] Зонды Ленгмюра , зонды Маха (для измерения расхода), электродипольные зонды и многие другие. Стандартная конструкция датчика также позволяет внешним пользователям при желании брать с собой собственные диагностические данные. Каждый зонд вставляется через собственную вакуумную блокировку, что позволяет добавлять и удалять зонды во время работы устройства.

Частота повторения 1 Гц в сочетании с высокой воспроизводимостью фоновой плазмы позволяет быстро собирать огромные наборы данных. Эксперимент по LAPD обычно рассчитан на повторение раз в секунду в течение такого количества часов или дней, которое необходимо для сбора полного набора наблюдений. Это позволяет диагностировать эксперименты с использованием небольшого количества подвижных зондов в отличие от больших массивов зондов, используемых во многих других устройствах.

Устройство по всей длине оснащено «шаровыми шарнирами», вакуумно-плотными угловыми муфтами (изобретенными сотрудником полиции Лос-Анджелеса), которые позволяют вставлять и вращать зонды как по вертикали, так и по горизонтали. На практике они используются в сочетании с моторизованными приводами зондов с компьютерным управлением для отбора проб «плоскостей» (вертикальных сечений) фоновой плазмы с помощью любого зонда. Поскольку единственным ограничением на объем принимаемых данных (количество точек на плоскости) является количество времени, затрачиваемое на запись снимков с частотой 1 Гц, можно собирать большие объемные наборы данных, состоящие из множества плоскостей в разных осевых местоположениях.

Визуализации, составленные на основе таких объемных измерений, можно увидеть в галерее LAPD .

Всего на машине имеется 450 отверстий доступа, включая шаровые опоры, некоторые из которых оснащены окнами для оптического или микроволнового наблюдения.

Другая диагностика

В полиции Лос-Анджелеса также доступен ряд других диагностических средств, дополняющих измерения датчиков. К ним относятся фотодиоды , микроволновые интерферометры , высокоскоростная камера (3 нс/кадр) и лазерно-индуцированная флуоресценция .

См. также

Огромное тороидальное плазменное устройство (ETPD), тороидальное плазменное устройство, расположенное на том же объекте, что и полиция Лос-Анджелеса.

Ссылки

^ Гекельман, В.; Пфистер, Х.; Лаки, З.; Бамбер, Дж.; Ленеман, Д.; Мэггс, Дж. (1991). «Проектирование, конструкция и свойства большого устройства для исследования плазмы - полиции Лос-Анджелеса в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе». Обзор научных инструментов . 62 (12): 2875–2883. Бибкод : 1991RScI...62.2875G . дои : 10.1063/1.1142175 . ISSN 0034-6748 .
^ Гекельман, В.; Прибыл, П.; Лаки, З.; Дранделл, М.; Ленеман, Д.; Мэггс, Дж.; Винсена, С.; Ван Компернолл, Б.; Трипати, СКП (2016). «Модернизированное большое плазменное устройство, машина для изучения передовых основ физики плазмы». Обзор научных инструментов . 87 (2): 025105. Бибкод : 2016RScI...87b5105G . дои : 10.1063/1.4941079 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 26931889 .
^ «US NSF – MPS – PHY – Объекты и центры» . www.nsf.gov . Проверено 29 июля 2020 г.
^ Сэмюэл Райх, Евгения (2012). «Лаборатория астрофизики нацелена на звезды» . Природа . 491 (7425): 509. Бибкод : 2012Natur.491..509R . дои : 10.1038/491509а . ISSN 0028-0836 . ПМИД 23172193 .
^ Перес, Жан С.; Хортон, В.; Бенгтсон, Роджер Д.; Картер, Трой (2006). «Исследование сильного поперечного сдвигового потока с помощью зонда завихренности в Большом плазменном устройстве». Физика плазмы . 13 (5): 055701. Бибкод : 2006PhPl...13e5701P . дои : 10.1063/1.2179423 . ISSN 1070-664X .
^ «Поиск награды NSF: награда № 9724366 — за модернизацию большого плазменного устройства» . www.nsf.gov . Проверено 29 июля 2020 г.
^ Купер, СМ; Гекельман, В.; Прибыл, П.; Счастливчик, З. (2010). «Новый источник плазмы гексаборида лантана большой площади». Обзор научных инструментов . 81 (8): 083503. Бибкод : 2010RScI...81h3503C . дои : 10.1063/1.3471917 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 20815604 .
^ Мэггс, Дж. Э.; Моралес, Дж.Дж.; Картер, Т.А. (2004). «Альфвеновский волновой мазер в лаборатории». Физика плазмы . 12 (1): 013103. Бибкод : 2005ФПл...12а3103М . дои : 10.1063/1.1823413 . ISSN 1070-664X . ПМИД 12906425 .
^ Эверсон, ET; Прибыл, П.; Константин, CG; Зилстра, А.; Шеффер, Д.; Кугланд, Нидерланды; Ниманн, К. (2009). «Проектирование, изготовление и калибровка трехосного высокочастотного магнитного зонда (зонд B-dot) для диагностики взрывающейся плазмы». Обзор научных инструментов . 80 (11): 113505. Бибкод : 2009RScI...80k3505E . дои : 10.1063/1.3246785 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 19947729 .

Внешние ссылки

Веб-сайт Базового центра науки о плазме

34 ° 03'39 "N 118 ° 26'57" W / 34,0607 ° N 118,4493 ° W / 34,0607; -118,4493

[:0-1] Гекельман, В.; Пфистер, Х.; Лаки, З.; Бамбер, Дж.; Ленеман, Д.; Мэггс, Дж. (1991). «Проектирование, конструкция и свойства большого устройства для исследования плазмы - полиции Лос-Анджелеса в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе». Обзор научных инструментов . 62 (12): 2875–2883. Бибкод : 1991RScI...62.2875G . дои : 10.1063/1.1142175 . ISSN 0034-6748 .

[2] Гекельман, В.; Прибыл, П.; Лаки, З.; Дранделл, М.; Ленеман, Д.; Мэггс, Дж.; Винсена, С.; Ван Компернолл, Б.; Трипати, СКП (2016). «Модернизированное большое плазменное устройство, машина для изучения передовых основ физики плазмы». Обзор научных инструментов . 87 (2): 025105. Бибкод : 2016RScI...87b5105G . дои : 10.1063/1.4941079 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 26931889 .

[3] «US NSF – MPS – PHY – Объекты и центры» . www.nsf.gov . Проверено 29 июля 2020 г.

[4] Сэмюэл Райх, Евгения (2012). «Лаборатория астрофизики нацелена на звезды» . Природа . 491 (7425): 509. Бибкод : 2012Natur.491..509R . дои : 10.1038/491509а . ISSN 0028-0836 . ПМИД 23172193 .

[5] Перес, Жан С.; Хортон, В.; Бенгтсон, Роджер Д.; Картер, Трой (2006). «Исследование сильного поперечного сдвигового потока с помощью зонда завихренности в Большом плазменном устройстве». Физика плазмы . 13 (5): 055701. Бибкод : 2006PhPl...13e5701P . дои : 10.1063/1.2179423 . ISSN 1070-664X .

[6] «Поиск награды NSF: награда № 9724366 — за модернизацию большого плазменного устройства» . www.nsf.gov . Проверено 29 июля 2020 г.

[7] Купер, СМ; Гекельман, В.; Прибыл, П.; Счастливчик, З. (2010). «Новый источник плазмы гексаборида лантана большой площади». Обзор научных инструментов . 81 (8): 083503. Бибкод : 2010RScI...81h3503C . дои : 10.1063/1.3471917 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 20815604 .

[8] Мэггс, Дж. Э.; Моралес, Дж.Дж.; Картер, Т.А. (2004). «Альфвеновский волновой мазер в лаборатории». Физика плазмы . 12 (1): 013103. Бибкод : 2005ФПл...12а3103М . дои : 10.1063/1.1823413 . ISSN 1070-664X . ПМИД 12906425 .

[9] Эверсон, ET; Прибыл, П.; Константин, CG; Зилстра, А.; Шеффер, Д.; Кугланд, Нидерланды; Ниманн, К. (2009). «Проектирование, изготовление и калибровка трехосного высокочастотного магнитного зонда (зонд B-dot) для диагностики взрывающейся плазмы». Обзор научных инструментов . 80 (11): 113505. Бибкод : 2009RScI...80k3505E . дои : 10.1063/1.3246785 . ISSN 0034-6748 . ПМИД 19947729 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]