Dispositivo de plasma grande - Large Plasma Device
El dispositivo de plasma grande (a menudo estilizado como dispositivo de plasma grande o LAPD ) es un dispositivo de física experimental ubicado en UCLA . Está diseñado como un laboratorio de propósito general para la investigación experimental de la física del plasma . El dispositivo comenzó a funcionar en 1991 y se actualizó en 2001 a su versión actual. El moderno LAPD funciona como el dispositivo principal de una instalación de usuario nacional, la Instalación de Ciencias del Plasma Básico (o BaPSF), que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. , Ciencias de la Energía de Fusión y la Fundación Nacional de Ciencias . La mitad del tiempo de funcionamiento del dispositivo está disponible para científicos de otras instituciones e instalaciones que pueden competir por el tiempo a través de una solicitud anual.
Historia
La primera versión del LAPD fue un dispositivo de 10 metros de largo construido por un equipo dirigido por Walter Gekelman en 1991. La construcción tardó 3,5 años en completarse y fue financiada por la Oficina de Investigación Naval (ONR). La ONR financió una actualización importante a una versión de 20 metros y un premio de Instrumentación de Investigación Importante de la NSF en 1999. Tras la finalización de esa actualización importante, el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias otorgaron una subvención de $ 4.8 millones en 2001 permitió la creación de la Instalación de Ciencias Básicas del Plasma y el funcionamiento del LAPD como parte de esta instalación nacional para usuarios. Gekelman fue director de la instalación hasta 2016, cuando Troy Carter se convirtió en director de BaPSF.
Descripción general de la máquina
El LAPD es un dispositivo lineal de descarga pulsada operado a una alta tasa de repetición (1 Hz), produciendo un plasma de fondo fuertemente magnetizado que es físicamente lo suficientemente grande para soportar las ondas de Alfvén . El plasma se produce a partir de una descarga de cátodo-ánodo de óxido de bario (BaO) en un extremo de un recipiente de vacío cilíndrico de 20 metros de largo y 1 metro de diámetro ( diagrama ). La columna de plasma resultante tiene aproximadamente 16,5 metros de largo y 60 cm de diámetro. El campo magnético de fondo, producido por una serie de grandes electroimanes que rodean la cámara, puede variar de 400 gauss a 2,5 kilogauss (40 a 250 mT ).
Parámetros de plasma
Debido a que el LAPD es un dispositivo de investigación de uso general, los parámetros del plasma se seleccionan cuidadosamente para simplificar los diagnósticos sin los problemas asociados con plasmas más calientes (por ejemplo, a nivel de fusión), al tiempo que proporcionan un entorno útil en el que realizar la investigación. Los parámetros operativos típicos son:
- Densidad: n = 1–4 10 12 cm −3
- Temperatura: T e = 6 eV, T i = 1 eV
- Campo de fondo: B = 400 a 2500 gauss (40 a 250 mT)
En principio, se puede generar un plasma a partir de cualquier tipo de gas, pero los gases inertes se utilizan típicamente para evitar que el plasma destruya el revestimiento del cátodo de óxido de bario. Ejemplos de gases utilizados son helio , argón , nitrógeno y neón . El hidrógeno a veces se usa durante períodos cortos de tiempo. También se pueden mezclar varios gases en diferentes proporciones dentro de la cámara para producir plasmas de múltiples especies.
Con estos parámetros, el radio de Larmor del ion es de unos pocos milímetros y la longitud de Debye es de decenas de micrómetros. Es importante destacar que también implica que la longitud de onda de Alfvén es de unos pocos metros y, de hecho, las ondas de corte de Alfvén se observan de forma rutinaria en el LAPD. Esta es la razón principal de la longitud de 20 metros del dispositivo.
Fuentes de plasma
La principal fuente de plasma dentro del LAPD se produce a través de la descarga del cátodo recubierto de óxido de bario (BaO), que emite electrones a través de una emisión termoiónica . El cátodo está ubicado cerca del final del LAPD y está hecho de una fina hoja de níquel, uniformemente calentada a aproximadamente 900 ° C. El circuito está cerrado por un ánodo de malla de molibdeno a poca distancia. Las corrientes de descarga típicas están en el rango de 3-8 kiloamperios a 60-90 voltios, suministradas por un interruptor de transistor de diseño personalizado respaldado por un banco de capacitores de 4 faradios .
En 2010 se desarrolló una fuente de cátodo secundaria hecha de hexaboruro de lantano (LaB 6 ) para proporcionar un plasma más caliente y denso cuando sea necesario. Consiste en cuatro baldosas cuadradas unidas para formar un área de 20 20 cm 2 y está ubicada en el otro extremo del LAPD. El circuito también está cerrado por un ánodo de malla de molibdeno, que puede colocarse más abajo en la máquina, y es de tamaño ligeramente más pequeño que el utilizado para cerrar la fuente del cátodo de BaO. El cátodo LaB 6 se calienta típicamente a temperaturas superiores a 1750 ° C mediante un calentador de grafito y produce corrientes de descarga de 2,2 kiloamperios a 150 voltios.
El plasma en el LAPD generalmente se pulsa a 1 Hz, con la fuente de BaO de fondo encendida durante 10-20 milisegundos a la vez. Si se utiliza la fuente LaB 6 , normalmente descarga juntos el cátodo de BaO, pero por un período de tiempo más corto (aproximadamente 5 a 8 ms) cerca del final de cada ciclo de descarga. El uso de una fuente de plasma de cátodo-óxido, junto con un interruptor de transistor bien diseñado para la descarga, permite un entorno de plasma que es extremadamente reproducible de disparo a disparo.
Un aspecto interesante de la fuente de plasma BaO es su capacidad para actuar como un "Alfvén Maser ", una fuente de ondas de corte coherentes de gran amplitud Alfvén. La cavidad resonante está formada por el cátodo de níquel altamente reflectante y el ánodo de rejilla semitransparente. Dado que la fuente se encuentra al final del solenoide que genera el campo de fondo principal del LAPD, existe un gradiente en el campo magnético dentro de la cavidad. Como las ondas de corte no se propagan por encima de la frecuencia del ciclotrón de iones , el efecto práctico de esto es actuar como un filtro en los modos que pueden excitarse. La actividad de Maser ocurre espontáneamente con ciertas combinaciones de intensidad de campo magnético y corriente de descarga y, en la práctica, el usuario de la máquina puede activarla (o evitarla).
Acceso y sondas de diagnóstico
Sondas
El diagnóstico principal es la sonda móvil. La temperatura de los electrones relativamente baja hace que la construcción de la sonda sea sencilla y no requiere el uso de materiales exóticos. La mayoría de las sondas se construyen internamente dentro de la instalación e incluyen sondas de campo magnético, sondas Langmuir , sondas Mach (para medir el flujo), sondas dipolo eléctricas y muchas otras. El diseño estándar de la sonda también permite a los usuarios externos llevar consigo sus propios diagnósticos, si así lo desean. Cada sonda se inserta a través de su propio enclavamiento de vacío, lo que permite agregar y quitar sondas mientras el dispositivo está en funcionamiento.
Una tasa de repetición de 1 Hz, junto con la alta reproducibilidad del plasma de fondo, permite la recopilación rápida de enormes conjuntos de datos. Un experimento en LAPD generalmente está diseñado para repetirse una vez por segundo, durante tantas horas o días como sea necesario para reunir un conjunto completo de observaciones. Esto hace posible diagnosticar experimentos utilizando un pequeño número de sondas móviles, en contraste con las grandes matrices de sondas utilizadas en muchos otros dispositivos.
Toda la longitud del dispositivo está equipada con "rótulas", acoplamientos angulares herméticos al vacío (inventados por un miembro del personal del LAPD) que permiten insertar y girar sondas, tanto vertical como horizontalmente. En la práctica, estos se utilizan junto con accionamientos de sonda motorizados controlados por ordenador para muestrear "planos" (secciones transversales verticales) del plasma de fondo con cualquier sonda que se desee. Dado que la única limitación en la cantidad de datos que se tomarán (número de puntos en el plano) es la cantidad de tiempo dedicado a grabar tomas a 1 Hz, es posible ensamblar grandes conjuntos de datos volumétricos que constan de muchos planos en diferentes ubicaciones axiales.
Las visualizaciones compuestas de tales medidas volumétricas se pueden ver en la galería de LAPD .
Incluidas las rótulas, hay un total de 450 puertos de acceso en la máquina, algunos de los cuales están equipados con ventanas para observación óptica o de microondas.
Otros diagnósticos
También hay una variedad de otros diagnósticos disponibles en el LAPD para complementar las mediciones de la sonda. Estos incluyen fotodiodos , interferómetros de microondas , una cámara de alta velocidad (3 ns / cuadro) y fluorescencia inducida por láser .
Ver también
- Lista de artículos sobre plasma (física)
- Enorme dispositivo de plasma toroidal (ETPD), un dispositivo de plasma toroidal ubicado en las mismas instalaciones que el LAPD