Диагностика плазмы: методы и приборы¶

Диагностика плазмы — раздел физики плазмы, посвящённый измерению параметров плазмы и определению её состояния. К основным диагностируемым величинам относятся плотность заряженных частиц, электронная и ионная температуры, потенциал плазмы, напряжённость электрического и магнитного полей, а также состав и степень ионизации. Методы диагностики разделяются на контактные (зондовые) и бесконтактные (оптические, СВЧ- и лазерные), выбор которых зависит от диапазона параметров плазмы и условий эксперимента.

¶Зондовые методы

Зондовые методы относятся к контактным и основаны на введении в плазму металлического электрода (зонда). Наиболее распространённым является метод одиночного зонда Ленгмюра, разработанный Ирвингом Ленгмюром в 1920-х годах. При подаче на зонд изменяющегося напряжения регистрируется вольт-амперная характеристика (ВАХ), по которой определяются электронная температура, плотность плазмы и плавающий потенциал. Для определения ионной температуры и функции распределения частиц по энергиям применяются многосеточные зонды и зонды с модуляцией.

Двойные и тройные зонды используются в плазме с высоким уровнем флуктуаций и в радиочастотных разрядах, где одиночный зонд даёт искажённые результаты. Эмиссионные зонды (с нагреваемым электродом) позволяют измерять потенциал плазмы с высокой точностью. Недостатком зондовых методов является возмущение плазмы вносимым электродом, что ограничивает их применение в плотной и горячей плазме, а также в плазмохимических реакторах, где зонд быстро загрязняется продуктами реакций.

¶Оптические методы

Оптические методы являются бесконтактными и основаны на анализе излучения плазмы или прохождения через неё электромагнитных волн.

¶Эмиссионная спектроскопия

Метод регистрирует спектр собственного излучения плазмы в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. По интенсивности и форме спектральных линий определяются электронная и ионная температуры, плотность частиц, а также температура возбуждения. Для определения электронной плотности используется штарковское уширение спектральных линий (например, линии Hβ водорода). Метод не требует внесения возмущений и широко применяется в промышленной плазмохимии и астрофизике.

¶Лазерная диагностика

К лазерным методам относятся:

• Интерферометрия — измерение сдвига фазы лазерного луча, прошедшего через плазму, что позволяет определить усреднённую электронную плотность.
• Томсоновское рассеяние — рассеяние лазерного излучения на свободных электронах плазмы. По доплеровскому уширению рассеянного спектра определяется электронная температура, по интенсивности — плотность электронов. Метод считается эталонным для определения электронных параметров.
• Лазерно-индуцированная флуоресценция (ЛИФ) — возбуждение лазером резонансного перехода в атомах или ионах с последующей регистрацией флуоресценции. Применяется для измерения ионной температуры, скоростей потоков и концентрации примесей.

¶СВЧ- и ВЧ-методы

СВЧ-диагностика основана на взаимодействии электромагнитных волн с плазмой. СВЧ-интерферометрия использует частоты выше плазменной частоты и позволяет измерять электронную плотность. Микроволновое рассеяние применяется для исследования флуктуаций плотности и турбулентности. В установках управляемого термоядерного синтеза широко используется рефлектометрия — метод, основанный на отражении зондирующей волны от критической поверхности, что даёт профиль плотности плазмы.

¶Магнитные и корпускулярные методы

Для измерения напряжённости магнитного поля в плазме применяются магнитные зонды (пояса Роговского, катушки индуктивности), а также спектроскопические методы по зеемановскому расщеплению спектральных линий. Корпускулярная диагностика включает анализ потоков заряженных частиц, покидающих плазму, с помощью энергоанализаторов и масс-спектрометров. Эти методы позволяют определять ионный состав, энергию частиц и степень загрязнения плазмы примесями.

¶Применение

Выбор метода диагностики определяется конкретной задачей. В термоядерных исследованиях (токамаки, стеллараторы) применяются томсоновское рассеяние, рефлектометрия и корпускулярные анализаторы. В плазменных технологиях (травление, напыление, осаждение плёнок) преимущественно используются зонды Ленгмюра и эмиссионная спектроскопия, позволяющие контролировать процесс в реальном времени. В космической физике диагностика плазмы осуществляется дистанционно по спектрам излучения, а также с помощью зондов на космических аппаратах.

¶Источники

• Райзер Ю. П. «Физика газового разряда». — М.: Наука, 1987.
• Хаддистоун Р., Леонард С. «Диагностика плазмы». — М.: Мир, 1967.
• Лохте-Хольтгревен В. «Методы исследования плазмы». — М.: Мир, 1971.