대형 플라즈마 장치

Large Plasma Device
실험 중 대형 플라즈마 장치.

대형 플라즈마 장치(Large Plasma Device 또는 LAPD로 종종 스타일링됨)는 UCLA에 위치한 실험 물리학 장치다. 실험 플라즈마 물리학 연구를 위한 범용 실험실로 설계되었다. 이 장치는 1991년에[1] 작동을 시작했고 2001년에[2] 현재 버전으로 업그레이드되었다. 현대 LAPD는 미국 에너지 퓨전에너지과학부 및 국립과학재단이 지원하는 국가 사용자 시설인 BaPSF(Basic Plasma Science Facility, 또는 BaPSF)의 1차 장치로 운영된다.[3] 기기 작동 시간의 절반은 다른 기관과 시설의 과학자들이 연간 청구를 통해 시간 경쟁을 할 수 있다.[4][5]

역사

LAPD의 첫 번째 버전은 1991년 월터 게켈만이 이끄는 팀이 만든 10미터 길이의 장치였다. 이 공사는 완공하는 데 3.5년이 걸렸고 해군 연구소의 자금 지원을 받았다. 20미터 버전으로 주요 업그레이드는 1999년에 ONR과 NSF 주요 연구 계측상으로부터 자금을 지원받았다.[6] 이러한 주요 업그레이드가 완료된 후, 2001년에 미국 에너지부와 국립과학재단이 480만 달러의 보조금을 수여함으로써 기본 플라즈마 과학 시설을 만들고 이 국가 사용자 시설의 일부로 LAPD를 운영할 수 있었다. 게켈만은 트로이 카터가 BaPSF 감독이 된 2016년까지 이 시설의 감독을 맡았다.

기계 개요

2020년 1월에 업그레이드된 기계의 남쪽 끝에서 Large Plasma Device의 실험실 및 내부 보기.

LAPD는 높은(1Hz) 반복률로 작동하는 선형 펄스 방전 장치로, 알펜 파동을 지원할 수 있을 만큼 물리적으로 큰 강력한 자기화 백그라운드 플라즈마를 생성한다. 플라즈마는 길이 20m, 지름 1m의 원통형 진공 용기(다이아그램)의 한쪽 끝에서 배륨산화물(BaO) 음극 양극 방전으로부터 생성된다. 그 결과 혈장기둥의 길이는 약 16.5m이고 지름은 60cm이다. 챔버를 둘러싸고 있는 일련의 대형 전자기기에 의해 생성되는 배경 자기장은 400가우스에서 2.5가우스(40~250mT)까지 변화할 수 있다.

플라즈마 파라미터

LAPD는 범용 연구 장치이기 때문에 플라즈마 매개변수를 주의 깊게 선택하여 고온(예: 융접 레벨) 플라스마와 관련된 문제 없이 진단을 단순화하는 동시에 연구를 수행할 수 있는 유용한 환경을 제공한다. 일반적인 작동 매개 변수는 다음과 같다.

  • 밀도: n = 1–4 10cm12−3
  • 온도: Te = 6 eV, Ti = 1 eV
  • 배경장: B = 400–2500 가우스(40–250 mT)

원칙적으로 플라즈마는 어떤 종류의 기체에서도 생성될 수 있지만, 불활성 기체는 플라즈마가 바륨 산화물 음극의 코팅이 파괴되는 것을 방지하기 위해 일반적으로 사용된다. 사용되는 기체의 예로는 헬륨, 아르곤, 질소, 네온 등이 있다. 수소는 때때로 짧은 시간 동안 사용된다. 또한 복수 기체를 챔버 내에서 다양한 비율로 혼합하여 다종 플라스마를 생성할 수 있다.

이러한 파라미터에서 이온 라모르 반경은 몇 밀리미터, 데비예 길이는 수십 마이크로미터가 된다. 중요한 것은 또한 알펜 파장이 몇 미터라는 것을 암시하며, 사실 전단 알펜 파장은 LAPD에서 일상적으로 관찰된다. 이 장치의 길이 20m가 가장 큰 이유다.

플라즈마 소스

장치의 북쪽 끝에 있는 엔드 포트에서 열선내장 바륨 산화물 음극이 표시되는 내부 뷰. 그 기계는 진공상태인데 혈장방전이 꺼져 있다.

LAPD 내 플라즈마의 주요 공급원은 열전 방출로 전자를 방출하는 바륨 옥사이드(BaO) 코팅 음극의 방전을 통해 생성된다. 음극은 LAPD의 끝부분에 위치하며 얇은 니켈 시트로 만들어지며, 약 900 °C까지 균일하게 가열된다. 이 회로는 멀리 떨어진 몰리브덴 망사 양극에 의해 폐쇄된다. 일반적인 방전 전류는 4-패러드 캐패시터 뱅크가 지원하는 맞춤형 트랜지스터 스위치에 의해 공급되는 60-90V에서 3-8킬로암페어의 범위 내에 있다.

란타넘 헥사보라이드(LaB6)로 만든 2차 음극원은 필요시 더 뜨겁고 밀도가 높은 플라즈마를 제공하기 위해 2010년에[7] 개발되었다. 20 20 cm2 면적을 형성하기 위해 결합된 네 개의 사각 타일로 구성되며, LAPD의 반대쪽 끝에 위치한다. 또한 회로는 기계 아래쪽으로 더 내려갈 수 있는 몰리브덴 망사 양극에 의해 닫히고, BaO 음극 소스를 닫는 데 사용되는 양극에 비해 크기가 약간 작다. LaB6 음극은 일반적으로 흑연 히터에 의해 1750 °C 이상의 온도로 가열되며, 150볼트에서 2.2 킬로암페어의 방전 전류를 생성한다.

LAPD의 플라즈마는 대개 1Hz로 펄스되며, 백그라운드 BaO 선원은 한 번에 10-20밀리초 동안 켜진다. LaB6 소스를 사용하는 경우, 일반적으로 BaO 음극을 함께 방출하지만, 각 방전 주기가 끝나갈 때 더 짧은 시간(약 5~8ms) 동안 방전된다. 방전용으로 잘 설계된 트랜지스터 스위치와 함께 산화-카테ode 플라즈마 소스를 사용하면 샷 대 샷이 매우 재현 가능한 플라즈마 환경이 가능하다.

BaO 플라즈마 선원의 한 가지 흥미로운 측면은 대형 암페어, 일관성 있는 전단 알펜 파동의 원천인 "Alfén Maser" 역할을 하는 능력이다.[8] 공명 공동은 고반사 니켈 음극과 반투명 격자 양극에 의해 형성된다. 선원은 주 LAPD 배경장을 생성하는 솔레노이드의 끝에 위치하므로, 캐비티 내 자기장에 구배가 있다. 전단파가 이온 사이클로트론 주파수 이상으로 전파되지 않기 때문에, 이것의 실질적인 효과는 흥분할 수 있는 모드에 필터 역할을 하는 것이다. 마저 활동은 자기장 강도 및 방전 전류의 특정 조합에서 자연적으로 발생하며, 실제로 기계 사용자가 활성화(또는 회피)할 수 있다.

진단 액세스 및 프로브

프로브

주된 진단은 이동식 프로브다. 전자 온도가 상대적으로 낮기 때문에 프로브 구조가 간단하고 이국적인 재료를 사용하지 않아도 된다. 대부분의 프로브는 시설 내에서 자체 제작되며 자기장 프로브,[9] Langmuir 프로브, 마하 프로브(흐름 측정용), 전기 쌍극 프로브 등이 포함된다. 또한 표준 탐침 설계는 외부 사용자가 원할 경우 자신의 진단서를 가지고 올 수 있도록 한다. 각 프로브는 자체 진공 연동장치를 통해 삽입되어 장치가 작동 중일 때 프로브를 추가 및 제거할 수 있다.

1Hz rep-rate는 백그라운드 플라즈마의 높은 재현성과 결합되어 거대한 데이터셋의 신속한 수집을 가능하게 한다. LAPD에 대한 실험은 일반적으로 전체 관측치를 조립하는 데 필요한 시간 또는 일 단위로 초당 한 번 반복하도록 설계된다. 이것은 다른 많은 장치에서 사용되는 큰 프로브 배열과 대조적으로 소수의 이동식 프로브를 사용하여 실험을 진단할 수 있게 한다.

장치의 전체 길이에 "볼 조인트"와 진공 밀폐형 각 연결 장치(LAPD 스태프가 발명함)가 장착되어 프로브를 수직 및 수평으로 삽입 및 회전할 수 있다. 실제로 이것들은 원하는 프로브를 가진 백그라운드 플라즈마의 "플레인"(수직 단면)을 샘플링하기 위해 컴퓨터 제어식 전동 프로브 드라이브와 함께 사용된다. 촬영할 데이터의 양(평면의 포인트 수)에 대한 유일한 제한은 1Hz에서 샷을 기록하는 데 걸리는 시간이기 때문에, 서로 다른 축 위치에서 많은 평면으로 구성된 대형 볼륨 데이터 세트를 조립할 수 있다.

그러한 체적 측정으로 구성된 시각화는 LAPD 갤러리에서 볼 수 있다.

볼 조인트를 포함해 기계에는 총 450개의 액세스 포트가 있으며, 그 중 일부는 광학 또는 마이크로파 관측을 위한 윈도우가 장착되어 있다.

기타 진단

프로브 측정을 보완하기 위해 LAPD에서 다양한 다른 진단도 이용할 수 있다. 여기에는 광다이오드, 마이크로파 간섭계, 고속 카메라(3ns/frame) 및 레이저 유도 형광등이 포함된다.

참고 항목

참조

  1. ^ Gekelman, W.; Pfister, H.; Lucky, Z.; Bamber, J.; Leneman, D.; Maggs, J. (1991). "Design, construction, and properties of the large plasma research device−The LAPD at UCLA". Review of Scientific Instruments. 62 (12): 2875–2883. Bibcode:1991RScI...62.2875G. doi:10.1063/1.1142175. ISSN 0034-6748.
  2. ^ Gekelman, W.; Pribyl, P.; Lucky, Z.; Drandell, M.; Leneman, D.; Maggs, J.; Vincena, S.; Van Compernolle, B.; Tripathi, S. K. P. (2016). "The upgraded Large Plasma Device, a machine for studying frontier basic plasma physics". Review of Scientific Instruments. 87 (2): 025105. Bibcode:2016RScI...87b5105G. doi:10.1063/1.4941079. ISSN 0034-6748. PMID 26931889.
  3. ^ "US NSF - MPS - PHY - Facilities and Centers". www.nsf.gov. Retrieved July 29, 2020.
  4. ^ Samuel Reich, Eugenie (2012). "Lab astrophysics aims for the stars". Nature. 491 (7425): 509. Bibcode:2012Natur.491..509R. doi:10.1038/491509a. ISSN 0028-0836. PMID 23172193.
  5. ^ Perez, Jean C.; Horton, W.; Bengtson, Roger D.; Carter, Troy (2006). "Study of strong cross-field sheared flow with the vorticity probe in the Large Plasma Device". Physics of Plasmas. 13 (5): 055701. Bibcode:2006PhPl...13e5701P. doi:10.1063/1.2179423. ISSN 1070-664X.
  6. ^ "NSF Award Search: Award#9724366 - To Upgrade a Large Plasma Device". www.nsf.gov. Retrieved July 29, 2020.
  7. ^ Cooper, C. M.; Gekelman, W.; Pribyl, P.; Lucky, Z. (2010). "A new large area lanthanum hexaboride plasma source". Review of Scientific Instruments. 81 (8): 083503. Bibcode:2010RScI...81h3503C. doi:10.1063/1.3471917. ISSN 0034-6748. PMID 20815604.
  8. ^ Maggs, J. E.; Morales, G. J.; Carter, T. A. (2004). "An Alfvén wave maser in the laboratory". Physics of Plasmas. 12 (1): 013103. Bibcode:2005PhPl...12a3103M. doi:10.1063/1.1823413. ISSN 1070-664X. PMID 12906425.
  9. ^ Everson, E. T.; Pribyl, P.; Constantin, C. G.; Zylstra, A.; Schaeffer, D.; Kugland, N. L.; Niemann, C. (2009). "Design, construction, and calibration of a three-axis, high-frequency magnetic probe (B-dot probe) as a diagnostic for exploding plasmas". Review of Scientific Instruments. 80 (11): 113505. Bibcode:2009RScI...80k3505E. doi:10.1063/1.3246785. ISSN 0034-6748. PMID 19947729.

외부 링크