ДИАГНО́СТИКА ПЛА́ЗМЫ

ДИАГНО́СТИКА ПЛА́ЗМЫ, про­цесс и ме­то­ды оп­ре­де­ле­ния зна­че­ний па­ра­мет­ров плаз­мы с це­лью их кон­тро­ля и управ­ле­ния ими. Д. п. обес­пе­чи­ва­ет оп­ре­де­ле­ние мгно­вен­ных зна­че­ний и эво­лю­ции во вре­ме­ни со­ста­ва, фор­мы и по­ло­же­ния плаз­мы, ср. зна­че­ний и флук­туа­ций па­ра­мет­ров (кон­цен­тра­ции ком­по­нент, ско­ро­сти дви­же­ния, внутр. по­лей), их рас­пре­де­ле­ний в фи­зич. про­стран­ст­ве (про­фи­лей) и про­стран­ст­ве ско­ро­стей (функ­ций рас­пре­де­ле­ния), ско­ро­сти хи­мич. и ядер­ных ре­ак­ций, на­се­лён­но­сти энер­ге­ти­че­ских уров­ней, ко­эф. пе­ре­но­са и т. п.

Д. п. ис­поль­зу­ет как об­щие, так и спе­ци­фич. ме­то­ды и уст­рой­ст­ва в слу­ча­ях вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной, низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной, кос­ми­че­ской, хи­ми­че­ски ак­тив­ной и пы­ле­вой плаз­мы. Д. п. ос­но­ва­на на ана­ли­зе фор­ми­руе­мых плаз­мой элек­трич. и маг­нит­ных по­лей, из­лу­че­ний (от мик­ро­вол­но­во­го до гам­ма-диа­па­зо­на), по­ки­даю­щих плаз­му час­тиц, а так­же взаи­мо­дей­ст­вия плаз­мы с зон­да­ми и её ре­ак­ции на внеш­ние воз­дей­ст­вия элек­три­че­ских и маг­нит­ных по­лей, из­лу­че­ний, ато­мар­ных и ион­ных пуч­ков, мак­ро­час­тиц.

Ме­то­ды Д. п. де­лят­ся на ло­каль­ные, спо­соб­ные оп­ре­де­лять па­ра­мет­ры в ог­ра­ни­чен­ном объ­ё­ме плаз­мы, и не­ло­каль­ные, оп­ре­де­ляю­щие зна­че­ния, ус­ред­нён­ные вдоль ли­нии зон­ди­ро­ва­ния, по се­че­нию или объ­ё­му. Для мно­го­лу­че­во­го и мно­го­ра­курс­но­го на­блю­де­ния плаз­мы ис­поль­зу­ют­ся ка­ме­ры-об­ску­ры. Ди­на­ми­ку плаз­мы ис­сле­ду­ют с при­ме­не­ни­ем ана­ло­го-циф­ро­во­го пре­об­ра­зо­ва­ния сиг­на­лов и ме­то­дов ре­ги­ст­ра­ции быс­тро­про­те­каю­щих про­цес­сов (ско­ро­ст­ное фо­то­гра­фи­ро­ва­ние и т. п.). Для ус­та­нов­ле­ния свя­зи ме­ж­ду из­ме­ряе­мы­ми па­ра­мет­ра­ми плаз­мы и сиг­на­ла­ми дат­чи­ков не­об­хо­ди­мы вы­бор фи­зич. мо­де­ли из­ме­ре­ний, мо­де­ли из­ме­рит. уст­рой­ст­ва и оп­ре­де­ле­ние его ап­па­рат­ной функ­ции. При реа­ли­за­ции кон­крет­но­го ме­то­да Д. п. аде­к­ват­ность при­ня­той мо­де­ли кон­тро­ли­ру­ют, срав­ни­вая с ана­ло­гич­ны­ми дан­ны­ми др. ди­аг­но­стик. Ес­ли рас­пре­де­ле­ния плаз­мы ли­бо её отд. ком­по­нент близ­ки к рав­но­вес­ным, то Д. п. уп­ро­ща­ет­ся, т. к. мож­но поль­зо­вать­ся ус­ред­нён­ны­ми ха­рак­тери­сти­ка­ми и по­ня­ти­ем темп-ры. При этом час­то при­хо­дит­ся раз­ли­чать темп-ры элек­тро­нов и тя­жё­лых час­тиц.

Осн. тен­ден­ция раз­ви­тия Д. п. – по­лу­че­ние двух- и трёх­мер­ных рас­пре­де­ле­ний па­ра­мет­ров плаз­мы в ре­жи­ме ре­аль­но­го вре­ме­ни.

В за­ви­си­мо­сти от то­го, воз­ни­ка­ют воз­му­ще­ния плаз­мы в про­цес­се из­ме­ре­ний или нет, ме­то­ды Д. п. де­лят на пас­сив­ные и ак­тив­ные. При ис­поль­зо­ва­нии ак­тив­ных ме­то­дов воз­му­ще­ния плаз­мы стре­мят­ся ми­ни­ми­зи­ро­вать.

Клас­си­фи­ка­ция ме­то­дов Д. п. ос­но­ва­на на ис­поль­зо­ва­нии фи­зич. прин­ци­пов из­ме­ре­ний (ди­аг­но­сти­ка элек­тро­маг­нит­ная, зон­до­вая, бо­ло­мет­ри­че­ская, спек­тро­ско­пич., оп­тич. и тер­мо­гра­фи­че­ская, мик­ро­вол­но­вая и ла­зер­ная, ней­трон­ная, про­дук­тов ре­ак­ций и эро­зии по­верх­но­стей, взаи­мо­дей­ст­вую­щих с плаз­мой).

Электромагнитные методы

ис­поль­зу­ют­ся для оп­ре­де­ле­ния ср. зна­че­ний ко­ле­ба­ний и флук­туа­ций маг­нит­ных по­лей в плаз­мен­ном объ­ё­ме; то­ков и по­лей, ге­не­ри­руе­мых в плаз­ме и ок­ру­жаю­щих её стен­ках; фор­мы и по­ло­же­ния плаз­мен­но­го шну­ра; ср. га­зо­ки­не­тич. дав­ле­ния плаз­мы. Эти ме­то­ды при­ме­ня­ют­ся в сис­те­мах с маг­нит­ным удер­жа­ни­ем вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы (в то­ка­ма­ках, пин­че­вых раз­ря­дах и др.). В ка­че­ст­ве дат­чи­ков ис­поль­зу­ют­ся маг­нит­ные ка­туш­ки, пет­ли, дат­чи­ки Хол­ла. По­сколь­ку эти дат­чи­ки очень чув­ст­ви­тель­ны к ско­ро­сти из­ме­не­ния по­лей, элек­тро­маг­нит­ные ме­то­ды Д. п. при­ме­ня­ют­ся в ква­зи­ста­цио­нар­ных раз­ря­дах.

Зондовые методы

бы­ли пер­вы­ми ме­то­да­ми из­ме­ре­ния ло­каль­ных па­ра­мет­ров плаз­мы (впер­вые при­ме­не­ны ещё в 1920-х гг. И. Лен­гмю­ром). Для про­ве­де­ния из­ме­ре­ний в плаз­му вво­дят­ся элек­тро­ды, ана­ли­за­то­ры по­то­ков час­тиц или из­лу­че­ний. Кон­такт с плаз­мой ог­ра­ни­чи­ва­ет об­ласть при­ме­ни­мо­сти зон­дов, т. к. они мо­гут вы­дер­жать те­п­ло­вые по­то­ки не бо­лее 10 МВт/м², что со­от­вет­ству­ет кон­цен­тра­ции ок. 10²⁰ м^–3 при темп-ре 10 эВ. Зон­до­вые из­ме­ре­ния на­дёж­ны в бес­столк­но­ви­тель­ном ре­жи­ме, ко­гда дли­ны про­бе­га час­тиц пре­вы­ша­ют раз­ме­ры зон­да. Ин­тер­пре­та­ция дан­ных в слож­ных ус­ло­ви­ях (маг­нит­ные по­ля, на­ли­чие столк­но­ве­ний, вы­со­кие ско­ро­сти по­то­ков и др.) за­труд­не­на.

Пол­ные по­те­ри энер­гии из плаз­мы на стен­ки, вклю­чаю­щие транс­порт­ные (час­ти­цы) и ра­диа­ци­он­ные (из­лу­че­ние), из­ме­ря­ют бо­ло­мет­ра­ми. Бо­ло­мет­рич. из­ме­ре­ния ос­но­ва­ны на из­ме­не­нии свойств ма­те­риа­лов (напр., элек­трич. про­во­ди­мо­сти) при на­гре­ве по­верх­но­сти.

Спектральные методы

ос­но­ва­ны на ана­ли­зе ин­тен­сив­но­сти и фор­мы спек­траль­ных ли­ний ато­мов, ио­нов и мо­ле­кул, при­сут­ст­вую­щих в плаз­ме. По ха­рак­тер­ным ли­ни­ям мож­но оп­ре­де­лять со­став плаз­мы, кон­цен­тра­цию из­лу­чаю­щей ком­по­нен­ты, в т. ч. при­ме­сей; по до­п­ле­ров­ско­му уши­ре­нию и сдви­гу мож­но оп­ре­де­лять ско­ро­сти дви­же­ния час­тиц и темп-ру; по аб­со­лют­ной и от­но­ситель­ной ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния – темп-ру и кон­цен­тра­цию элек­тро­нов; ис­поль­зуя эф­фек­ты Зее­ма­на и Штар­ка, – маг­нит­ные и элек­трич. по­ля. Наи­бо­лее точ­ную ин­фор­ма­цию спек­траль­ные ме­то­ды да­ют для оп­ти­че­ски тон­кой плаз­мы. Для ана­ли­за ре­аль­ной плаз­мы ис­поль­зу­ют мо­де­ли пол­но­го или час­тич­но­го ло­каль­но­го тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия, а так­же ко­ро­нар­ную или бо­лее об­щую удар­но-ра­диа­ци­он­ную мо­дель. В оп­ти­че­ски плот­ной плаз­ме по ме­ре рас­про­стра­не­ния из­лу­че­ния к гра­ни­цам кон­ту­ры ли­ний транс­фор­ми­ру­ют­ся и ин­фор­ма­тив­ность спек­траль­но­го ме­то­да су­ще­ст­вен­но умень­ша­ет­ся.

В ак­тив­ной спек­тро­ско­пии плаз­мы ис­поль­зу­ет­ся ин­жек­ция пуч­ков ней­траль­ных ато­мов, ко­то­рые за счёт пе­ре­за­ряд­ки соз­да­ют из­лу­чаю­щие в оп­тич. диа­па­зо­не ио­ны. Ме­тод по­зво­ля­ет изу­чать со­стоя­ние ион­ных ком­по­нент плаз­мы.

Микроволновые методы

в про­цес­се из­ме­ре­ний ис­поль­зу­ют из­лу­че­ния в ги­га­гер­це­вом диа­па­зо­не час­тот (по­ряд­ка 10¹⁰ Гц). Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли: ре­зо­на­тор­ный ме­тод оп­ре­де­ле­ния кон­цен­тра­ции элек­тро­нов по сдви­гу ре­зо­нанс­ной час­то­ты; ин­тер­фе­ро­мет­рич. ме­то­ды оп­ре­де­ле­ния элек­трон­ной кон­цен­тра­ции, ос­но­ван­ные на сдви­ге фа­зы зон­ди­рую­щей вол­ны в плаз­ме; реф­лек­то­мет­ры, ис­поль­зую­щие эф­фект от­ра­же­ния элек­тро­маг­нит­ной вол­ны от т. н. об­лас­ти от­сеч­ки (где сов­па­да­ют плаз­мен­ная и зон­ди­рую­щая час­то­ты); ра­дио­мет­ры, ра­бо­таю­щие на вто­рой гар­мо­ни­ке цик­ло­трон­но­го из­лу­че­ния, ин­тен­сив­ность ко­то­ро­го про­пор­цио­наль­на элек­трон­ной темп-ре; ме­тод ди­аг­но­сти­ки флук­туа­ций по кол­лек­тив­но­му рас­сея­нию волн. В слу­чае ко­гда мик­ро­вол­но­вое из­лу­че­ние про­хо­дит че­рез плаз­му (не от­ра­жа­ет­ся ею), ис­поль­зу­ет­ся из­лу­че­ние на час­то­тах, пре­вы­шаю­щих плаз­мен­ную.

При­ме­не­ние ла­зе­ров в ин­тер­фе­ро­мет­рич. ме­то­дах Д. п. да­ёт воз­мож­ность оп­ре­де­лять бо­лее вы­со­кие кон­цен­тра­ции элек­тро­нов в плот­ных плаз­мах (до 10²⁰– 10²² м^–3). Ес­ли у ато­мов име­ют­ся ре­зонанс­ные пе­ре­хо­ды, час­то­ты ко­то­рых близ­ко рас­по­ло­же­ны к час­то­те зон­ди­рую­ще­го лу­ча, то при оп­ре­де­ле­нии кон­цен­тра­ции ато­мов чув­ст­ви­тель­ность ме­то­дов воз­рас­та­ет на 6–10 по­ряд­ков.

Рас­сея­ние из­лу­че­ния на сво­бод­ных элек­тро­нах при­во­дит к из­ме­не­нию час­то­ты рас­се­ян­ной вол­ны, из­ме­ре­ния ко­то­рой по­зво­ля­ют оп­ре­де­лить функ­цию рас­пре­де­ле­ния час­тиц по ско­ро­стям, их плот­ность, темп-ру, на­прав­лен­ную ско­рость.

Корпускулярная диагностика плазмы

ос­но­ва­на на ана­ли­зе по­то­ков час­тиц, из­лу­чае­мых са­мой плаз­мой (пас­сив­ная), или ре­зуль­та­тов взаи­мо­дей­ст­вия с плаз­мой ин­жек­ти­ро­ван­ных в плаз­му пуч­ков ней­траль­ных ато­мов или тя­жё­лых ионов (ак­тив­ная). При пас­сив­ной кор­пус­ку­ляр­ной Д. п. ис­сле­ду­ют энер­ге­тич. спек­тры и по­то­ки ней­траль­ных ато­мов, об­ра­зую­щих­ся в ре­зуль­та­те пе­ре­за­ряд­ки в объ­ё­ме. Этим ме­то­дом из­ме­ря­ют темп-ру T_i ион­но­го со­ста­ва плаз­мы в ква­зи­ста­цио­нар­ных тер­мо­ядер­ных ус­та­нов­ках.

При ак­тив­ной кор­пус­ку­ляр­ной Д. п. ана­ли­зи­ру­ют уп­ру­гое и не­уп­ру­гое рас­сея­ние ато­мов пуч­ка, по­то­ки ато­мов пере­за­ряд­ки в пуч­ке. Ме­тод по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить темп-ру и плот­ность ио­нов плаз­мы.

Пуч­ки тя­жё­лых ио­нов (напр., тaллия) с энер­ги­ей до 300 кэВ ис­поль­зу­ют при изу­че­нии элек­трич. по­лей в плаз­ме то­рои­даль­ных ло­ву­шек и в ис­сле­до­ва­ни­ях тур­бу­лент­но­сти.

Нейтронную диагностику плазмы

при­ме­ня­ют при ана­ли­зе спек­тров и рас­пре­де­ле­ний ней­тро­нов, воз­ни­каю­щих в про­цес­се тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций. Кро­ме рас­пре­де­ле­ния тер­мо­ядер­ной мощ­но­сти в ре­ак­то­ре при мак­свел­лов­ском рас­пре­де­ле­нии час­тиц ме­тод по­зво­ля­ет оце­нить темп-ру ио­нов.

Диагностика поверхностей и пылевых частиц

, об­ра­зую­щих­ся в плаз­ме, ос­но­ва­на на тун­нель­ной и атом­но-си­ло­вой мик­ро­ско­пии, а так­же на всех ме­то­дах ис­сле­до­ва­ния по­верх­но­сти, ис­поль­зуе­мых в фи­зи­ке твёр­до­го те­ла.