диагностика плазмы

ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ (от греч. diagnostikos - способный распознавать) - определение значений параметров плазмы, характеризующих её состояние. T. к. плазма в общем случае представляет собой многокомпонентную неравновесную неоднородную систему с широчайшим спектром всевозможных значений параметров, диагностика её сталкивается с большими принципиальными и техн. трудностями. Особенно сложно проводить Д. п. в экстремальных условиях - при макс. темп-pax, плотностях, скоростях протекающих в плазме процессов, мощном внеш. воздействии и т. п. Поэтому важное значение в Д. п. имеет широкое применение ЭВМ как для прямой обработки первичной информации в реальном масштабе времени, так и последующего анализа. Растёт роль экспериментов, в к-рых на основе совокупности эксперим. данных и нек-рых априорных предложений моделируются процессы реальной плазмы.

Набор параметров плазмы, определяемых совр. методами Д. п., весьма велик. Определяются форма и местоположение плазмы, плотность составляющих компонент (электронов, ионов, атомов, радикалов, фотонов) и их статистич. распределения (по скоростям, по уровням возбуждения и т. п.), темп-ры , если распределения близки к равновесным, теплопроводность, интенсивность излучения, коэф. поглощения, частота столкновений компонент, коэф. диффузии и т. д. Исследование распределений этих параметров в пространстве и времени при заданных внеш. условиях позволяет выделить основные кинетич. и динамич. процессы, протекающие в изучаемой плазме, определить их скорости, энергетич. характеристики, найти способы управления значениями параметров плазмы.

Помещение датчика в плазму искажает её параметры. Поэтому большинство методов Д. п.- бесконтактные, в к-рых носителями информации о плазме являются окружающие её поля и излучения. К числу контактных относятся разл. зондовые методы (электрич., магн., СВЧ-зонды и пр.). Бесконтактные методы делятся на пассивные и активные. Пассивные методы Д. п. основаны на регистрации излучений и потоков частиц из плазмы или измерении характеристик окружающих её полей. Активная Д.п. основана на измерении характеристик внеш. зондирующего излучения при его прохождении через плазму и на отклике (реакции) самой плазмы на зондирующий луч. T. о., активные методы возмущают плазму, хотя в большинстве случаев возмущение можно сделать сравнительно малым. С другой стороны, целенаправленное создание в плазме определ. малых возмущений и изучение динамики их релаксации являются одним из направлений по определению локальных характеристик плазмы.

Значит. трудности при Д. п. возникают во мн. методах из-за сложной связи измеряемых величин с параметрами плазмы. Установление этой связи требует выбора определ. плазменной модели. Её часто приходится формулировать априорно. Затем в рамках модели реализуют конкретный метод Д. п. и далее, интерпретируя результаты, контролируют адекватность принятой модели.

Др. проблема - нелокальность большинства методик. Определяется ср. значение G измеряемой величины g(x, у, z)в пределах объёма наблюдения или зондирования

чаще всего - объём в пределах малого сферич. угла, узких слоев и т. п., "вырезаемых" диагностич. лучами в плазме. Восстановление локальных значений g(x, у, z) требует измерений по разным направлениям. В случае простой и заранее известной конфигурации плазмы (круговой, эллиптич. и т. п.) достаточно определить G вдоль параллельных хорд или по углам одной точки. Затем g(x, у, z)вычисляется с помощью интегрального ур-ния Абеля.

Самое общее разделение методов Д. п. возможно по носителям информации о параметрах плазмы, хотя вклад каждой из таких групп в Д. п. существенно неодинаков.

Макроскопические методы устанавливают самые общие представления об интегральных характеристиках плазмы (факт существования, качественное представление об её структуре, динамике движения и т. п.) и обычно основываются на анализе эффективности взаимодействия плазмы с источником питания. Модель для таких методов: плазма - проводящий объём (напр., токовый "шнур" и т. п.). Техн. реализация модели зависит от способа создания плазмы. Так, напр., в газовых НЧ-разрядах - это, прежде всего, измерения тока и падения напряжения (электрич. поля) в плазме. В сильноточных разрядах ток часто измеряется поясом Роговского (катушкой индуктивности), напряжение в тороидальных установках (напр., "Токамаках") - петлей связи.

В случае лазерных и СВЧ-методов формирования плазмы определяются мощности падающего, отражённого и прошедшего излучения, к-рые позволяют вычислить поглощаемую в плазме энергию, ср. активную проводимость.

Для оценки газокинетич. давления в плазме в ряде случаев используются её диамагн. свойства. При возникновении плазмы происходит изменение магн. потока через контур, охватывающий поперечное сечение рабочей части разрядной камеры. По величине изменения магн. потока судят о величине газокинетич. давления (см. Диамагнетизм плазмы).

Определ. информацию о плазменном шнуре дают его индуктивные и ёмкостные свойства.

Измерения полных радиац. потерь плазмы с помощью болометров ,пироэлектрич. детекторов и т. д. в сочетании с др. методами позволяют анализировать энергетич. баланс, процессы диффузии примесных ионов и т. д. Применение коллиматоров позволяет вести приём в заданном элементе телесного угла (хордовое зондирование).

Динамика плазмы исследуется с помощью скоростной оптической развёртки и регистрации излучения электронно-оптич. преобразователями. При исследованиях плазмы в магн. поле применяются магн. зонды - малые катушки индуктивности, расположенные обычно на периферии плазменных объектов и ориентированные в разных направлениях. По колебаниям магн. потока, пронизывающего катушки, судят о перемещениях плазменного шнура.

Д. п., основанная на регистрации эл--магн. излучений, наиболее информативна, обширна по диапазону используемых физ. принципов, способам реализации устройств и является обычно бесконтактной. Конкретные методы можно условно разделить на неск. подгрупп.

Спектроскопическая Д. п. в основном подразумевает регистрацию и анализ характеристик спектров эл--магн. излучения плазмы; по используемому интервалу частот её делят на СВЧ, оптич. (включал УФ) и рентгеновскую. С помощью спектров можно найти пространственно-временные распределения практически всех параметров плазмы в самых широких диапазонах их значений. Гл. недостатки метода - сложность связи параметров плазмы с непосредственно измеряемыми интенсивностями и существенная зависимость от видов статистич. распределений частиц и излучения, к-рые заранее не известны. Поэтому спектроскопич. исследования проводятся в три этапа. Сначала устанавливают модель состояния плазмы и выбирают методы Д. п., допустимые в рамках этой модели, далее эти методы реализуют, а затем интерпретируют полученные результаты измерений и контролируют адекватность принятой модели. Информация, необходимая для решения задач первого этапа, может быть получена из анализа спектрального состава излучения плазмы, к-рый позволяет определить основные компоненты ионного и хим. состава плазмы; выявить линии, принадлежащие ионам (атомам) с наибольшей энергией ионизации E_i; и оценить значение темп-ры электронов Т_е по эмпирич. ф-лам вида (а - коэф., зависящий от E_i). Выявление последней различимой на фоне сплошного спектра линии в сериальной последовательности позволяет оценить значение концентрации электронов п_е и т. д. Обычно измеряют интенсивности, интегральные вдоль луча наблюдения. Локальные значения, связанные непосредственно с параметрами плазмы, приходится вычислять с помощью интегрального преобразования.

В качестве основных в спектроскопич. Д. п. используются модели локального термич. равновесия (ЛТР), частичного локального термич. равновесия (ЧЛТР), а также коронарная или более общая ударно-радиац. (УР) модель. Наиболее надёжную и определ. информацию получают из оптически тонкой плазмы.

Диагностики по интенсивностям линий в большинстве случаев основаны на модели ЛТР. Если измерена локальная абс. интенсивность I_тр спектральной линии, возникающей при спонтанном переходе атомов (молекул, ионов) из возбуждённого состояния т в состояние р, то может быть определена темп-pa плазмы T, однако из др. измерений должна быть известна плотность п. Проще определить T по отношению интенсивностей линий, к-рое уже не зависит от n. В рамках модели ЛТР зависимость относительных интенсивностей мн. линий в полулогарифмич. масштабе от энергии их возбуждения Е_т линейна с наклоном, определяемым темп-рой T.

Интенсивность спектральной линии с ростом темп-ры сначала увеличивается, а затем, когда становится существенной ионизация, падает. Значение T, соответствующее макс. интенсивности, зависит от состава плазмы. При известном составе оно может быть заранее рассчитано. Зафиксировав в эксперименте немонотонный ход интенсивности по радиусу столба плазмы данного состава, можно определить зону, где находится максимум темп-ры даже не проводя подробных измерений интенсивности.

Для Д. п. по спектрам поглощения наиболее типичны метод поглощения тонким слоем и метод обращения. Если слой оптически тонкой однородной плазмы толщиной l "просвечивать" излучением вспомогат. источника со сплошным спектром с яркостной темп-рой , превышающей темп-ру плазмы T, то на фоне этого спектра можно наблюдать линии поглощения. Если , то вместо линий поглощения будут наблюдаться эмиссионные линии. При линии в спектре исчезают ("обращение линий"). Следовательно, варьируя известным образом, можно по моменту обращения линий определить T (см. также Пирометрия оптическая).

В рамках модели ЧЛТР для Д. п. используются только линии, создаваемые переходами с достаточно высоких уровней, населённости к-рых находятся в равновесии со свободными электронами. По абс. интенсивности такой линии можно найти либо п_е, либо Т_е, если одна из этих величин известна из др. измерений. Измеряя отношение интенсивностей линий атомов (ионов) разного типа, можно получить относительный ионный состав плазмы, а его абс. нормировку можно провести с помощью ур-ния квазинейтральности. Если же в плазме присутствуют ионы только одного типа, то . В этом случае отношение интенсивности дискретной линии к интенсивности континуума (обусловленного радиац. рекомбинацией и торможением на ионах) зависит только от Т_е и может быть использовано для её определения.

Спектроскопич. методы диагностики неравновесной плазмы, основанные на подходящем варианте УР модели, позволяют определить по интенсивности спектральных линий населённости уровней, к-рые затем с помощью системы ур-ний баланса связывают с др. параметрами плазмы. Для простых моделей существуют рассчитанные графики зависимости интенсивностей линий от n_e и Т_е. Такие зависимости имеются, напр., для резонансных, интеркомбинационных и сателлитных линий водородо- и гелиеподобных многозарядных ионов, возбуждаемых в горячей (T_е10⁷K) сверхплотной (п_е10²⁰ см^-3) плазме. Если адекватность исходной УP модели не вполне ясна или же модель сложна, то путём сравнения измеряемых и расчётных пространственно-временных распределений интенсивностей линий выявляют основные кинетич. и динамич. процессы, протекающие в плазме.

Д. п. по контурам спектральных линий основана на измерениях формы наблюдаемых контуров , их полуширин и интенсивности в максимумах. Наблюдаемый контур может весьма сильно отличаться от истинного (или "локального") контура линий вследствие его искажения измеряющим спектральным прибором, характеризуемым аппаратной функцией . Так что представляет собой свёртку распределений и . Для восстановления контура по измеряемому необходимо знать форму (для свёртки двух распределений Лоренца и Гаусса имеются табулированные ф-ции Фойгта). Форма определяется влиянием мн. факторов: доплеровским уширением, уширением за счёт столкновений, расщеплением уровней в электрич. (Штарка эффект)или магн. (Зеемана эффект)полях и т. д. Наиб. значение имеют измерения уширений, обусловленных Доплера эффектом и линейным Штарка эффектом .По форме доплеровского контура спектральной линии можно определить ф-цию распределения излучающих частиц по скоростям. При максвелловской форме ф-ции контур становится гауссовым, полуширина к-рого (в .) однозначно связана с темп-рой частиц (эВ) = 4,7*10⁸ А, где . А - атомный вес излучающих атомов (ионов), - их кинетич. темп-ра. Этот метод успешно применяется, напр., для определения темп-ры ионов в плазме токамаков. Мин. темп-pa, к-рая может быть таким образом определена (при ), составляет (0,1-0,3) эВ*А.

При высокой плотности заряж. частиц см^-3) уширение, обусловленное линейным эффектом Штарка для атомов водорода и водородоподобных ионов, преобладает над доплеровским. Форма линий и их полуширина становятся мало чувствительными к значениям темп-ры . Это позволяет применять такие линии для определения п_е путём подбора такого значения n_e, при к-ром расчётный контур лучше всего согласуется с измеренным . Менее точен, но более удобен метод определения п_е по измеренной полуширине , т. к. расчётные графики зависимости для многих линий построены. По контурам линий других атомов значение п_е можно оценивать (довольно грубо) в тех случаях, когда их уширение обусловлено квадратичным эффектом Штарка.

Д. п. по сплошному спектру ("континууму") основана на определении либо абсолютной локальной интенсивности в к--л. точке спектра, либо её относит. распределения в протяжённом участке (обычно в коротковолновой области). Осн. трудность этих методов связана с интерпретацией измеренных интенсивностей, т. к. в плазме могут одновременно действовать неск. механизмов генерации континуума (см. Излучение плазмы С ).наибольшей надёжностью Д. п. (оптически тонкой) проводится в тех условиях, в к-рых излучаемый ею континуум представляет собой совокупность тормозного (на ионах) и рекомбинационного (одноэлектронного) континуумов, а сама плазма химически однокомпонентна. В этом случае для спектральных распределений интенсивности в тормозном и рекомбинационном континуумах имеют аналитические выражения, позволяющие определять Т_е (при максвелловском распределении электронов) по наклону зависимости . В случае немаксвелловской формы ф-ции распределения электронов измерения позволяют исследовать вид . По абс. интенсивности континуума может быть найдена затем концентрация , если известен ионный состав плазмы или эфф. заряд Z_эфф ионов плазмы, важный параметр высокотемпературной плазмы.

В оптически плотной плазме спектры излучения уже не несут столь обширной информации. По мере распространения излучения к границам контуры линий трансформируются за счёт процессов поглощения и переизлучения. Определение "локального" контура становится невозможным. Полезность усреднённого контура основана на том, что он оказывается самообращённым; значение и положение максимума интенсивности на "крыльях" такого контура зависят от темп-ры на оси плазмы.

Пассивная СВЧ Д. п. использует ту особенность оптически плотной плазмы, что на сравнительно низких частотах регистрируемое спектральное распределение интенсивности связано с поверхностной темп-рой плазмы ф-лой Рэлея-Джинса (для абсолютно чёрного тела): . При отсутствии влияния магн. поля необходимо, чтобы частота принимаемых волн (плазменной частоты). Измерения излучения плазмы с использованием СВЧ-приёмников получили довольно широкое распространение. Принимаемая мощность излучения P(Вт) связана с эфф. (радиационной) темп-рой электронов T_Р (эВ) соотношением , где - полоса частот приёмника (в Гц), В - поглощат. способность плазмы, равная доле энергии поглощаемого ею излучения. Трудности этого метода Д. п. связаны с интерпретацией результатов, т. к. лишь при максвелловском распределении электронов их ср. энергия равна ра-диац. темп-ре (Т_е=Т_р), к-рая может быть вычислена при известной В. Если Т_е в плазме не постоянна, то даже при В=1 (чёрное тело) необходим расчёт толщины слоя, из к-рого принимается излучение.

Д. п. по циклотронному излучению применяют, когда в окрестности циклотронной частоты (или вблизи её гармоник) плазма излучает как абсолютно чёрное тело, а вдали от излучение пренебрежимо мало. Обычно это излучение наблюдается в области СВЧ и позволяет определить Т_р. Для плазмы низкой плотности по мощности излучения можно рассчитать электронное давление пТ_е.

Взаимодействие когерентного электромагнитного поля с плазмой используется в ряде методов Д. п. По диапазону частод делится на СВЧ и лазерную Д. п., хотя в ряде методик это деление условно.

Зондирование плазмы СВЧ основано на модели плазмы как макроскопич. среды, влияющей на распространение эл--магн. волн. Этот метод даёт возможность определить (частоту столкновения электронов с тяжёлыми частицами), а в оптич. диапазоне и концентрацию нейтральных атомов. Методика основана на зависимости диэлектрической проницаемости плазмы от частоты:

- критич. концентрация, при к-рой и . При сигнал проходит через плазму, при происходит отражение волн (т. н. отсечка). Уто первый простейший метод оценки концентрации плазмы. Он используется при зондировании ионосферы, а также в лабораторных исследованиях. Широкое применение в исследованиях, особенно нестационарной плазмы, получили интерферометрические методы, основанные на зависимости разности фаз между опорным излучением и излучением, прошедшим через плазму, от плотности плазмы.

Если и длина волн - характерного размера неоднородности, то определяет разность фаз волны, прошедшей через плазму, и опорной:

l - длина зондирования. Мнимая часть Im e определяет экспоненциальное затухание волны с коэф. , откуда вычисляется . Так могут быть определены средняя по лучу зондирования концентрация и частота столкновений . Для восстановления профиля n(r)необходимо обратное интегральное преобразование.

Диапазон частот, используемых для интерферометрич. измерений, ограничен, с одной стороны, условием распространения волн , а с другой - мин. измеряемым сдвигом фаз. При плотностях плазмы см^-3 используют СВЧ-диапазон. В этом диапазоне существует неск. интерферометрич. схем: локация в свободном пространстве, волноводный, резонаторный методы (по изменению сдвига резонансной частоты).

Рис. 1. КГ - клистронный генератор, ДТ - двойной тройник, ФВ - фазовращатель, Aт - аттенюатор.

Простейшая схема первого способа приведена на рис. 1. Прошедший через плазму сигнал сравнивается с опорным сигналом на детекторной головке.

Для плотных плазм (n_е>10¹⁶-10¹⁷ см^-3) может использоваться оптическая лазерная интерферометрия. При определении концентрации атомов её чувствительность поднимется на 6-10 порядков для тех атомов, для к-рых есть близколежащие к частоте зондирующего луча резонансные переходы. В качестве источников света в оптич. интерферометрии применяются рубиновые, гелий-неоновые и др. лазеры, в разл. оптич. схемах - интерферометры Майкелъсона, Маха-Цендера и др.

При фотографич. регистрации интерферограммы можно с помощью преобразования Абеля получить мгновенный профиль концентрации. Фотоэлектрич. методы регистрации позволяют проводить анализ последовательно.

Лазерная Д. п. Д. п. по рассеянию волн на свободных электронах развита в результате использования лазерной техники. Классич. (томсоновское) сечение рассеяния на свободных электронах имеет вид:

- классич. радиус электрона, -телесный угол. Изменение частоты излучения при рассеянии на электроне, движущемся со скоростью v, определяется эффектом Доплера: , где ; -угол рассеяния, k -волновой вектор зондирующей волны. Если (r_D - дебаевский радиус экранирования ),то плазменные эффекты несущественны. Рассеяние от отдельных электронов суммируется, частотный спектр рассеянного излучения определяется распределением скоростей электронов и при максвелловском распределении оказывается гауссовым (при Т_е0,5кэВ): T. о., измерения позволяют определить Т_е и п_е. Наблюдение под большим углом к падающему лучу обеспечивает локальность методики - рассеянное излучение фиксируется приёмной аппаратурой из элемента объёма, определяемого пересечением поля зрения системы регистрации и канала пучка (рис. 2).

В магн. поле, если угол между k и напряжённостью магн. поля , спектр рассеяния состоит из узких пиков, частотный интервал между к-рыми равен , а огибающая имеет вид гауссовой кривой с . На этом эффекте основаны предложения по измерению магн. поля в плазме. По сдвигу частоты w_макс в рассеянном спектре, обусловленном эффектом Доплера, можно определять ср. направленную скорость электронов.

Д. п. по коллективному (когерентному) рассеянию. В плотной плазме при преобладающим оказывается рассеяние на крупномасштабных (по сравнению с r_D) тепловых и нетепловых колебаниях и флуктуациях плотности плазмы (зарядов Z). В случае тепловых флуктуации интенсивность рассеяния может превысить томсоновскую в Z раз, в контуре линии возникает острый пик. На этом основываются предложения по измерению ионной темп-ры. В плазме с высоким уровнем надтепловых флуктуации рассеяние определяется этими колебаниями. Исследование зависимости позволяет определить амплитуды и дисперсионные характеристики нетепловых колебаний в плазме.

Такого рода эксперименты в основном реализуются с применением лазеров. Возможны они и в СВЧ-диапазоне, хотя трудны как из-за малой эффективности рассеяния, так и из-за недостаточной монохроматичности генераторов.

Д. п. с помощью резонансной флуоресценции основана на определении интенсивности излучения резонансно возбуждённых атомов и ионов под действием внеш. источника. Процесс можно рассматривать как рассеяние излучения на частоте, близкой к резонансной одного из атомных переходов. При достаточной интенсивности зондирующего излучения происходит насыщение эффекта флуоресценции. Зная атомные константы, можно определить концентрацию флуоресцирующих компонент. Диагностика локальна, т. к. наблюдение ведётся под большим углом к зондирующему лучу.

Рис. 2. 1 - падающий луч, 2 - рассеянный луч.

Голографические методы Д. п. основаны на применении голограмм .T. к. голограмма несёт информацию о фазе исходной волны, её можно использовать для интерференц. измерений вместо самого объекта. Это - важное преимущество, т. к. заменяет интерферометрич. измерения на объекте измерениями на голограмме. В принципе, с помощью одной голограммы можно восстановить интерференц. измерения под разными углами и найти пространственное распределение концентрации электронов и др. величин, влияющих на распространение волн в неосесимметрнчной системе. Методика иногда применяется и в СВЧ-диапазоне.

Корпускулярная Д. п. обычно подразумевает анализ потоков тяжёлых частиц или излучаемых самой плазмой (пассивная Д. п.), или пронизывающих её и испускаемых внеш. источником (активная Д. п.). Однако к этой группе относится целый ряд методов, использующих др. частицы плазмы. Корпускулярная Д. п. с использованием тяжёлых частиц является основной для изучения физ. характеристик тяжёлой компоненты горячей плазмы в проблеме управляемого термоядерного синтеза. С помощью пассивных методов исследуют нейтральные атомы, покидающие плазму в результате перезарядки ионов в объёме (рис. 3). Осн. элемент устройства - анализатор атомов перезарядки. В нём атомы за пределами сильного магн. поля термоядерной установки вновь ионизуются в камерах перезарядки и затем анализируются. Диапазон анализаторов: от 100-200 эВ до десятков КэВ, разрешение по энергиям 10-20%. Анализ часто ведут сразу по мн. энергетич. каналам. Методика является одним из осн. способов измерения T_i.

Рис. 3. 1 - быстрый ион, 1'- быстрый атои перезарядки, 2,2' - соответственно холодные (медленные) частицы.

Для реализации корпускулярной активной Д. п. используются ослабление пучков нейтральных частиц в плазме, упругое рассеяние первичного пучка, возбуждение частиц пучка с последующим изменением их траектории. По ослаблению интенсивности пучка нейтральных частиц (в результате перезарядки) на выходе из системы можно определить концентрацию ионов. Регистрация потока атомов перезарядки на пучке и атомов пучка, рассеянных на ионах, даёт возможность определить темп-ру и плотность ионов водорода в исследуемом объёме плазмы. Осн. проблемы использования методики - ограниченная прозрачность плазмы для диагностич. пучка и особенно для выходящих атомов перезарядки, возмущения плазмы первичным пучком.

Комбинированная Д. п. основана на регистрации излучений, возбуждаемых частицами зондирующих пучков при столкновении с частицами плазмы. Процесс идёт по схеме перезарядки:

Метод даёт возможность реализовать локальную диагностику примесей с разл. зарядом Z. Возможны и др. варианты комбинированной диагностики. Так, напр., пучок атомов Li использовался для определения концентрации электронов по интенсивности возбуждения спектральной линии ; по углу поворота плоскости поляризации излучения оценивалась напряжённость магн. поля в токамаке. Диагностика электронной компоненты плазмы с помощью разл. анализаторов на границе плазмы позволяет определить ф-цию распределения электронов, уходящих за пределы плазмы. В магн. поле анализ обычно ограничен продольными (вдоль H) скоростями электронов. несёт также косвенную информацию об элементарных процессах и коллективных явлениях в плазме. В активных методах корпускулярной Д. п. используют для зондирования плазмы электронный пучок заданной энергии. Распределение электронов по энергиям в рассеянном пучке несёт информацию об объёмных свойствах плазмы, её компонентном составе и т. д. Эти методы применяются редко.

Метод "меченых" атомов позволяет контролировать поведение отд. тяжёлых компонент плазмы (до сих пор использовался мало). Пассивной нейтронной Д. п. измеряются потоки нейтронов при реакциях синтеза в горячей плазме для оценки темп-ры ионов и их распределения по скоростям. Выделение "истинных" термоядерных нейтронов требует комплекса измерений (углового и пространственного распределения, их энергетич. спектра, рентгеновского излучения в установке и т. п.)

Зондовая Д. п. основана на помещении в плазму зондов (датчиков). Все зондовые методики (кроме зондов-анализаторов, расположенных на границе плазмы) возмущают плазму. Однако обычно возмущение локализуется в прилегающих зонду слоях, а параметры призондовой плазмы удаётся связать с её объёмными свойствами. Энергетич. поток, к-рый может выдержать зонд, ограничен. Поэтому все варианты зондовых методик пригодны только для анализа низкотемпературной или периферийных зон горячей плазмы.

Электрические зонды (Ленгмюра), представляющие собой один или неск. небольших метал-лич. электродов, погружённых в плазму, являются одним из осн. средств диагностики локальных свойств низкотемпературной плазмы. Схемы нек-рых конструкций зондов приведены на рис. 4. Осн. первичная информация - вольт-амперная характеристика (BAX) зонда, из к-рой можно определить - потенциал плазмы. BAX зависит от геом. и плазменных параметров: - длины свободного пробега заряж. частиц, - размера зонда и его конструкции; Т_е, Т_е/T_i, - длины пробега атомов до ионизации, напряжённости магн. поля H.

Рис. 4. Электростатический зонд: а) - цилиндрический, б) - сферический, в) - экранированный цилиндрический. 1 - диэлектрическое покрытие, 2 - металлический стержень-зонд, 3 - металлический экран.

Обработка BAX для разл. диапазона параметров плазмы существенно различна. Если отбор тока (частиц) на зонд происходит в прилегающем к зонду возмущённом неквазинейтральном слое , меньшем (бесстолкновительный слой), то зонд вносит наименьшие возмущения в плазму. Имеется последовательная теория этого случая, к-рая даёт значение токов , и позволяет определить ф-цию распределения электронов по скоростям. При частицы, попадающие на зонд, испытывают в слое неск. столкновений. Строгая теория для таких условий отсутствует. Однако существует экспериментально подтверждаемая интерполяционная ф-ла, позволяющая определить и ф-цию распределения электронов по энергиям.

В случае плазма может рассматриваться как сплошная среда. Возмущение плазмы оказывается наибольшим. Характеристики потоков на зонд увязываются с параметрами плазмы на бесконечности соответствующими уравнениями переноса. Обычно используется ионная ветвь BAX, т. к. электронный ток при отборе искажается сильнее и труднее поддаётся расчёту.

Электрич. зонды часто используются как локальный метод определения флуктуации концентрации и потенциала в неустойчивой плазме. Однако для правильного определения флуктуационных характеристик плазмы необходим корректный расчёт передаточных ф-ций, что во мн. случаях трудно разрешимо.

Многосеточные электрич. зонды являются электрич. анализаторами заряж. частиц. На входе зонда плазма "разрывается" большой разностью потенциалов и анализируется электронная или ионная компонента. В ВЧ- и СВЧ-зондах конец ВЧ-токопровода используется как эл--магн. излучатель. По изменению характеристик излучения и распространению возбуждаемых в плазме волн оцениваются её параметры (обычно п, v_e).

Лит.: Диагностика плазмы, [в. 1-3], M., 1963-73; Голант В. E., Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы, M., 1968; Грим Г., Спектроскопия плазмы, пер. с англ., M., 1969; Кузнецов Э. И., Щеглов Д. А., Методы диагностики высокотемпературной плазмы, 2 изд., M., 1980; Пятницкий Л. H., Лазерная диагностика плазмы, M., 1976; Зайдель A. H., Применение топографической интерферометрии для диагностика плазмы, "УФН", 1986, т. 149, в. 1; Шеффилд Дж., Рассеяние электромагнитного излучения в плазме, пер. с англ., M., 1978; Чан П., Tэлбот Л., Tурян К., Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме, пер. с англ., M., 1978; Диагностика термоядерной плазмы, под ред. С. Ю. Лукьянова, M., 1985; Proceedings of the 5^th topical conference on high temperature plasma diagnostics, 1984, N. Y., 1985. А. П. Жилинский, В. Н. Колесников.

   <<      Предметный указатель      >>