Elektrické sondy pro měření v okrajovém plazmatu v tokamakcích

1. Elektrické sondy pro měření v okrajovém plazmatu v tokamakcích Jan Stöckel Ústav fyziky plazmatu AV ČR Uvítám otázky během mé přednášky Marianská, 11.12. 2012

2. 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

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

4. 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!

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

6. 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 F

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

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

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

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

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

12. Iontový nasycený proud Plovoucí potenciál Voltampérová charakteristika jednoduchésondy 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 IionsatVfloa a Te Ip=Iionsat{1 - exp [- e(Vfloat-Vp)/kTe]} V magnetizovaném plazmatu obvykle fitujeme jen část I-V charakteristiky Vp < F

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

14. 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 Isat = Usat/R = U/50 Usat

15. Odhad hustoty plazmatu z Isat Teoretický vztah pro velikost iontového nasyceného proudu kde je rychlost iontového zvuku pro Te ~ Ti => ~ 50 km/s GOLEM e – náboj elektronu e = 1,6*10-19 C A – Plocha sondy 2*d*l = 2,4 *10 -6 m 2 n – hustota plazmatu k – Boltzmanova konstanta k = 1,6*10-19 J/eV Mi – hmota protonu Mi = 1,67*10-27 kg Hrubý odhad - Pokud odhadneme elektronovou teplotu na 16 eV (typická hodnota na okraji plazmatu) a změříme na zátěži 50 W, pak hustota plazmatu je

16. 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 Ufloat Měření Ufloat s napěťovým děličem 1:100 Vfl Vfl/100

17. 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

18. Plovoucí potenciál 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. • Hroty 2 a 6 – není kontakt • Plovoucí potenciál je záporný! • Nestability • Turbulence Reprodukovatelné výboje ale mizerný výbojový režim!

19. Vertikální posunprstence plazmatu CASTOR – top Ufloat > 0 GOLEMtop Ufloat < 0 Limiter Limiter SOL SOL Last closed flux surface

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

21. Iontový nasycený proud Časový vývoj iontového nasyceného proudu pro výstřel#6618 Radiální profil hustoty plazmatu ze dvou výstřelů nasyceného proudu pro výstřel#6617-18 Rozumný profil Hustota na poloměru limiteru 1017 m-3

22. 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!!

23. 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)