Пара слов об УТС и плазме, часть 8. Термометры⁠⁠

Случалось ли вам случайно расплавить ваш термометр, попытавшись применить его по назначению?

В сегодняшней серии — о нескольких средствах измерения температуры плазмы. Они могут понадобиться вам, если вы строите термоядерный реактор, причём неважно — из открытой ловушки или из токамака. Если вы не строите термоядерные реакторы, а обрабатываете плазмой шубу, они вам тоже пригодятся (но не все).

Итак, британские учёные измеряют плазму на токамаке Т-3 (в представлении Б.Б.Кадомцева, тогда ещё не академика) [1]:

Если плазма не очень горячая, то самым простым — и самым старым — способом будет вставить внутрь плазмы пару (или больше) электродов.

Электроды могут быть самодельными и выглядеть красиво или не очень [2]:

Одиночная железяка, помещённая в плазму, зарядится отрицательно: дело в том, что электроны легче и летают быстрее. Если их не отталкивать отрицательным потенциалом, то на электрод их прилетит больше, чем ионов. Так будет продолжаться, пока потенциал железяки относительно плазмы не станет равен электронной температуре, умноженной на 3.7 (в специфических ситуациях этот коэффициент может быть другим, но его можно посчитать) — тогда потоки электронов и ионов сравняются. Уже тут можно было бы назвать температуру, но обычно мы знаем не потенциал электрода относительно плазмы, а потенциал относительно другой железяки.

Раз так — подадим между двумя электродами небольшое напряжение. Один станет более отрицательным, и на него придёт чуть меньше электронов; другой положительным — и он соберёт чуть больше. Ионов на каждый из них всё равно придёт поровну. Разница между потоками электронов на более положительный и более отрицательный электроды формирует ток, и то, как быстро он увеличивается с ростом напряжения, определяется температурой электронов.

Другими словами, ваши электроды будут скользить по вот этой кривой [2] от точки, обозначенной как V_{fl}. Один вправо, другой влево; и чем горячее электроны плазмы, тем положе будет наклон кривой.

Отсюда же, к слову, можно взять плотность: ток, который вы получите при большом напряжении между электронами, ограничен тем, сколько ионов успевает прилететь к зонду; а это напрямую зависит от их плотности и скорости.

Если у вас больше денег, чем времени; и ваши задачи сравнительно стандартны, то можно использовать промышленно производимые зонды. Они, чаще всего, оптимизированы для технологической плазмы — той, что используется для травления полупроводниковых пластин или осаждения алмазоподобных плёнок. Плотность такой плазмы не очень большая, температура совсем низкая — меньше 100 тысяч градусов. И, самое главное, разряд горит долго и никак не меняется.

Промышленный зонд выглядит аккуратно:

Если в вашей установке от плазменной нагрузки плавится вольфрам, задача становится более изощрённой. На этой фотографии (через синее стёклышко — для глаза плазма малиновая, а проволочки разогрелись до жёлто-оранжевого свечения) нагрузка невелика, но зонд уже нагрелся до полутора тысяч градусов.

Если температуру и плотность повысить, то начинаются проблемы. Здесь, например, электроды расплавились, а изолятор потрескался:

Какое-то время можно хитрить, подставляя зонд в плазму на очень короткое время. Диагностики, быстро размахивающие тяжёлым электродом в вакууме, тоже бывают. Но к центру термоядерной плазмы им всё равно не добраться: зонд сгорит, а плазма остынет и загрязнится.

Значит, нужно измерять бесконтактно. Лучший метод для измерения электронной температуры — томсоновское рассеяние. Именно с таким термометром приезжали в 68-м году в Москву англичане. Сейчас такая система практически обязательна для больших плазменных машин. Суть в следующем.

Мы простреливаем плазму насквозь коротким и мощным лазерным импульсом. Все фотоны, влетевшие в плазму, имеют одну и ту же частоту. Какие-то из лазерных фотонов рассеиваются на электронах — и меняются с ними энергией. Значит, и частота рассеянных фотонов зависит от энергии рассеивающих электронов (и угла, на который отклоняется фотон). Рассеивается безумно малая доля излучения, но её можно собрать и разложить в спектр. Чем выше температура электронов, тем он будет шире; чем больше их концентрация — тем ярче будет рассеянный свет. Формул в посте не будет, чтобы оставить читателей в счастливом неведении. Вот схема такой диагностики [3]:

А вот ещё одна фотография того, как это всё выглядело на Т-3 (вдобавок к тем, что были в посте о токамаках):

Здесь ещё одна, более современная, с токамака KSTAR. Здесь не всё, здесь только лазер [4]:

А что, если нам интересны не электроны, а ионы? Тогда, скорее всего, придётся взять инжектор нейтральных атомов, знакомый по предыдущему посту. Большая мощность не обязательна, но вот энергия атомов должна быть стабильной.

Вот фотография пучка:

С пучком можно сделать многое. Например, посмотреть на рассеяние его атомов. Если атом столкнётся с ионом плазмы, он отклонится в сторону; и чем сильнее отклонение, тем больше энергии атом отдаст иону. Если бы все ионы стояли, то все рассеянные на одинаковый угол атомы имели бы одинаковую энергию. А если ионы тоже двигаются, то часть атомов потеряет больше энергии, а часть — меньше. Вот гифка:

А дальше мы можем измерить энергию прилетевших атомов и по её разбросу понять температуру того, на чём они рассеялись.

Можно поступить и иначе: посмотреть на энергию нейтральных атомов, получившихся из ионов плазмы. Здесь мы напрямую увидим, сколько ионов какую энергию имели; нужно только сделать из ионов нейтралы (а потом их поймать и измерить). В принципе, нейтралы возникают и сами; но лучше будет помочь им искусственной мишенью из того же самого диагностического пучка. Атомы с низкой энергией из плазмы уйти не успеют — ионизируются заново, не успев дойти до границы — но энергию быстрых частиц так измерить можно.

...и это только маленькая часть того, что мы можем сделать для измерений в плазме. Есть ещё, о чём рассказывать.

Ps. Баянометр рекомендует тег «Политика»; так вот, её тут нет.

Источники фотографий:

[1] https://www.euro-fusion.org/news/detail/detail/News/success-...

[2] https://pdfslide.net/documents/theory-electrostatic-probes.h...

[3] http://www.ipp.cas.cz/vedecka_struktura_ufp/tokamak/tokamak_...

[4] https://hep.kisti.re.kr/indico/getFile.py/access?sessionId=2...

[5] Лекции для студентов-плазмистов 4 курса.