Способ измерения электронной температуры плазмы, помещенной в магнитное поле

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 1402.7 21) 2 452288/18-25с присоединением заявки Мо(23) ПриоритетОпубликовано 050380, Бюллетень МР 9 51)М. К . Н 01 ) 17/48 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 08038 0(72) Авторы изобретения А.А.Сковорода, А В,Тимофеев и Б,Н,Швилкин Московский ордена Ленина и ордена Трудового КрасногоЗнамени государственный университет им.Ч,В,Ломоносова(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЧ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАЗМИ, ПОМЕ).ЕННОЙ В МАГНИТНОЕ ПОЛЕИзобретение отис"ится к области исследований физического свойства вещества, в частности, к способам измерения электронной температуры плазмы, как в газорязрядных приборах, так.и в термоядерных установках, например, в адиабатических ловушках,Известен способ определения тем-. пературы электронов, заключающийся в том, что электронная температура плазмы в магнитном поле в некоторых случаях определяется с помощью электрического ленгмюровского зонда. Зонд вводится в плазму и представляет собой металлический электрод, размеры которого малы по сравнению с изучаемой областью плазмы, Получаемая с помощью зонда вольт-амперная характеристика позволяет определить температуру электронов в плазме 1),К основным недостаткам этого метода измерения электронной температуры .относится возмущение плазмы внесенньл в нее зондом, что искажает истинное значение ее температуры, невозможность измерения электронной температуры при больших магнитных полях, а также невозможность использования электрических зондов при диагностике высокотемпературной сильно ионизованной плазмы, например,в термоядерных установках.Известен также способ измеренияэлектронной температуры плазмы, находящейся в магнитном поле, путемпропускания через плазму электромагнитной волны с частотой, соответствующей электронной циклотроннойчастоте сканирования укаэанной час 1 О тоты, измерения профиля линии поглощения зондирующей волны и определеыйя температуры электронов поизмеренному профилю 2),В известном способе электромагнит 15 ная волна пропускается через плазму.Если частота электромагнитной волным совпадает с электронной циклотронной частотой и, =Д ,то вследствие20 электронного циклотронного резонанса происходит интенсивное еепоглощение, Если частота волны нес 4олько отличается от электронной цикотронной частоты, то с волной будут25 взаимодействовать электроны, движущиеся относительно электромагнитной вол"ны. Это происходит вследствие доплеровского сдвига, из-за которого частота волны м = ы + кч сравнивается30 с электронной циклотронной частотойо, Здесь В - индукция магнитного поля; е и щ - заряд и масса электрона, соответственно; С - скорость "ве-, та; К - волновое число колебаний;Ч - скорость электронов, С увеличением рассоглассования между частотой электромагнитной волны м и электронной циклотронной частотой ж число электронов, взаимодействующих с волной, а, следовательно, и коэффициент поглощения мощности волны в плазме о(ы будет падать. При этом закон спадания коэффициента О(о;), профиль линии поглощения, связан с температурой электронов в плазме Т следующей формулой:о та ()гдЕ эЕ - постоянная Больцмана;- полуширина линии цикло Отронного поглощения,Измеряя (, из профиля линии поглоцения, определяют Те . Недостаткомизвестного способа является то, чтоон может быть использован для опреде- д 5ления электронной температуры плазмы только в том случае, если плазмапомецена в однородное внешнее магнитное поле,Проведение измерений электроннойтемпературы в неоднородном магнитном поле известным способом невозможно, поскольку в этом случае величинакоэффициента поглощения вообце независит от температуры электронова определяется градиентом магнитногополя и плотностью плазмы.Вместе с тем представляет интересопределять температуру электронов вплазме, помещенной в немонотонно изменяющееся в пространстве магнитное 4 Ополе с экстремумом, Это обусловленотем, что некоторые технические применения плазмы, как, например, получение управляемой термоядерной реакциисинтеза, возможны как раз в плазме,помещенной в неоднородное магнитноеполе,Цель предлагаемого изобретенияизмерение локальной температурыплазмю, находящейся в неоднородном 5 Омагнитном поле в области минимумаили максимума поля.Для этого выбирают направлениераспространения электромагнитнойволны, совпадающее с направлениемвектора магнитного поля в точке экстремума, значение частоты зондирующей волны задают равной электронноциклотронной частоте в минимуме илимаксимуме магнитного поля, значениечастоты зондирующей волны уменьшают 6 Ов случае минимума магнитного поля иувеличивают в случае максимума отзаданного значения, а значение электронной температуры вычисляют из следующей зависимости: 65 где 6 - коэФфициент поглощениямощности электромагнитнойволны в плазме,1 ЛВ -/1" (В 3 )производная магнитная поляВ по координатев точкеэкстремума;д - частота электромагнитнойволны ди = Ое зсю + Ю,Предлагаемый способ определения электронной температурыплазмы поясняется чертежом,где изображено изменение электронной циклотронной частоты цг в пространстве вдоль оси Е (линия А). Вектормагнитного поля награвлен по оси 7 .Фиг,1 соответствует минимуму магнитного поля; фиг,2 - максимуму, Плазмапомещается в магнитное поле с экстремумом, Вдоль оси Е сквозь плазмупропускается электромагнитная волнас частотой ы, представленная линией Б,Фиг,1 соответствует случаю,когда магнитное поле имеет минимумв точке У = О, лежащей в области,занятбй плазмой. При этоммнн,еВаминЗадавая частоту пройускаемой сквозьплазму электромагнитной волны, равнойи уменьшая ее, измеряемпрофиль линии поглощения н зависимости от д ж - Оэе- О.В случае, изображенном на фиг,2, магнитное поле имеет максимум. При этоммысеКФемусЗадавая частоту пропускаемой сквозьплазму электромагнитной волны, равнойщемос и увеличивая ее, измеряем профиль линии поглощения л(ж)в зависимости от дщ = л а,сдПри других значениях ои коэффициента поглощения не зависит от температуры электронов и не может бытьиспользован при ее определении.Зная зависимость л (м), по зави -симости, указанной в формуле, можноопределить электронную температуруплазмы. Необходимая для определениятемпературы электронов расстройкачастоты (полуширина линиилоглок 1 ения)дается выражением - Фц шЬ (Предлагаемый способ позволяетопределять локальное значение температуры около точки экстремум и магнитного поля, Это связано с тем, чтопоглощение волны происходит околоэтой точки и поэтому необходимо, чтобынаправление распространением электромагнитной волны совпадало с направлением вектора магнитного поля в то кеэкстремума.720567 Формула изобретения дФиг 1 П р и м е р. Газоразрядная плазмав инертных газах (Нс,А-,Кг)и парах ртути в интервале изменениядавления от 5 10 до 1 10 мм рт.ст.помещается в немонотонно изменяющееся в пространстве магнитное поле сминимумом. Магнитное поле создаетсясоленоидом, Вектор магнитной индукциинаправлен вдоль оси 2 Величина магнитной индукции в минимуме В, --1,04 кгс. Через плазму пропускаетсяэлектромагнитная волна частотой2,92 Ггц. В одном случае при фиксированной частоте электромагнитной волны осуществляется увеличение магнитного поля (вместо уменьшения частоты)и непрерывно регистрируется профиль 15линии, Далее строится зависимостьРп Л от л си/и которая представляет собой прямую линию, из наклонакоторой по формуле (2) и определяется температура электронов. В другом Щслучае при фиксированном магнитномпол е и с поль з уют с я три фи к сиров а нныечастоты электромагнитной волны срасстройкой между ними, соизмеримойс полушириной линии электронного 25циклотронного поглощения. Нахождениетрех значений коэффициента поглощенияэлектромагнитной волны плазмой позво-ляет определить наклон зависимости0 п Л от лщ /ж с точностью20. При давлении газа 1 10 мм рт.ст. температуры электронов, определенные согласно предлагаемому способу имеют значения: гелий 2 10 К,аргон - 8 10 К, криптон - 6 104 К,пары ртути - 2 104"К, Точность изме -рений составляет 60. В выбранномпримере магнитное поле достаточномало, что позволяет использоватьдля измерения электронной температуры плазмы в неоднородном магнитном 40поле также электрический зонд. Впределах точности измерений значенияТ, найденные электрическим зондоми определенные предлагаемым способом, совпадают, 45Предлагаемый способ обеспечиваетизмерение электронной температурыплазмы, помещеннной в неМонотонноизменяющееся в пространстве магнитноеполе. Его использование не вызывает 5 Оискажениями плазмы. Способ позволяетопределять электронную температурупри использовании магнитных полей любой велИЧины, Способ пригодендля определения электронной температуры как в гаэоразрядной;так и втермоядерной плазме,Способ измерения электронной температуры плазмы, помещенной в магнитное поле, путем пропускания черезплазму электромагнитной волны с частотой, соответствующей электроннойциклотронной частоте, сканированияуказанной частоты, измерения профилялинии поглощения зондирующей волны иопределения температуры электроновпо измеренному профилю, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюизмерения локальной температуры плаз -мы, находящейся в неоднородном магнитном поле с области минимума илимаксимума поля, выбирают напРавлениераспространения электромагнитнойволны совпадающее с направлениемвектора магнитного поля в точкеэкстремума, значение частоты зондирующей волны задают равным циклотроннойчастоте в минимуме или максимумемагнитного поля, частоту волныуменьшают в случае минимума магнитного поля и увеличивают в случаемаксимума от заданного значения,а значение электронной температурывычисляют из следующей зависимости:о -2 2 ., /дЕоьТ К 1=3,4 Ь 40 Ь см 3 со 1 сск 3где д - коэффициент поглощениямощности электромагнитнойволны в плазме;6 В- )- производная магнитногополя В по координатев точке 1 экстремума;и- частота электромагнитнойволны, Юи = юи,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Козлов О. В. Электрическийзонд. в плазме, МАтомиздат ,1969, с. 31.2, Бекефи Д. Радиацион ные процессы в плазме, ММир, 19 /1,с.230. ЦНИИПИ Заказ 10234/42Тираж 844 Подписное Филиал ППП Патент,г.ужгород,ул.Проектная,4