ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ

Совокупность методов определения параметров ионизов. газа. К определяемым параметрам плазмы относятся плотность n, электронная Те и ионная Ti темп-ры, интенсивность излучения, электрич. и магн. поля и др. Понятие «температура» обычно используется условно, т. к. распределение ч-ц по энергиям в лаб. и косм. плазме редко бывает максвелловским. В таких случаях речь идёт о кинетич. темп-ре, т. е. о ср. энергии ч-ц.

Методы Д. п. делятся на активные и пассивные. Пассивные методы (напр., измерение собств. излучения плазмы) не оказывают влияния на исследуемый объект. К ним относятся спектроскопич. методы, а также фотографирование и измерения эл.-магн. волн в широком диапазоне (тормозное излучение, циклотронное излучение и др.). В активных методах плазма непосредственно вовлекается в процесс измерения, и это может внести искажения в её состояние. Активные методы тем не менее используются наряду с пассивными, расширяя диапазон определяемых параметров. Наиболее распространены след. активные методы Д. п.: зондирование плазмы электрич. и магн. зондами, СВЧ излучением, пучками заряж. и нейтр. ч-ц (корпускулярная Д. п.). Корпускулярная Д. п. может быть и пассивным методом, если исследуются св-ва ч-ц, выходящих из объёма изучаемой плазмы.

Зонды вводятся внутрь плазмы для измерения её локальных параметров. Электрическим (ленгмюровским) зондом измеряют ток на него в зависимости от потенциала зонда относительно плазмы. Ток насыщения позволяет определить плотность плазмы, а форма хар-ки при малых потенциалах даёт электронную темп-ру Те. Эти зонды находят широкое применение при исследованиях холодной незамагниченной лаб. плазмы и космической плазмы. Применение зондов при исследованиях горячей плазмы ограничено вследствие загрязнений, вносимых материалом зонда, а также вследствие трудностей анализа измерений при наличии сильных магн. полей.

Для измерений магн. полей используются магнитные зонды — соленоиды разл. размеров, вводимые в плазму. Такой зонд регистрирует дH/дt, а для получения напряжённости магн. поля Н сигнал с зонда интегрируется. В косм. плазме магн. поля измеряются феррозондами и квантовыми магнетометрами, а также по вращению плоскости поляризации (Фарадея эффект).

Активная корпускулярная Д. п. (зондирование нейтр. атомами и быстрыми заряж. ч-цами) позволяет получать данные о её плотности, темп-ре и полях. При прохождении пучка эл-нов через плазму с сильно изменяющимися полями он отклоняется за счёт поперечной составляющей электрич. поля. Регистрируя величины отклонения от первонач. направления, можно оценить усреднённое вдоль пучка значение электрич. поля. Для плазмы, находящейся в сильном магн. поле, эфф. зондирование осуществляется потоком быстрых нейтр. атомов. Каждый атом зондирующего пучка, потерявший эл-н вследствие перезарядки или ионизации электронным ударом, отклоняется магн. полем и не попадает на регистратор. По наблюдаемому ослаблению пучка можно получить информацию об усреднённых вдоль его траектории n и Т'е.

Зондирование плазмы СВЧ излучением явл. одним из удобных методов определения nе (особенно для косм. плазмы). Он основан на зависимости диэлектрической проницаемости e плазмы от её плотности:

e=1-w2p/w2,

где wр — плазменная частота. Каждому значению wp соответствует определ. критич. электронная плотность

nкрит=mew2p/4pe2,

где me — масса электрона.

Если частота падающей эл.-магн. волны w>wp, сигнал проходит через плазму, при w?wp плазма отражает волны. Этот метод широко используется для зондирования ионосферы, а также при исследовании лаб. плазмы. Однако этот т. н. метод «отсечки» сигнала требует изменения частоты генератора в широких пределах и не позволяет вести наблюдение за плазмой с быстроменяющимися параметрами. Поэтому более широкое применение в исследованиях лаб. плазмы, особенно нестационарной, находят интерферометрические методы, основанные на зависимости разности фаз между опорным излучением и излучением, прошедшим через плазму, от плотности плазмы.

При плотностях плазмы n?1014 см-3 используют интерферометры в СВЧ диапазоне, а при n?1017 см-3 пригодны только оптические интерферометры. Наибольшая чувствительность достигнута на интерферометре Фабри — Перо, работающем в ИК диапазоне. Приборы с широким углом зрения позволяют получить мгновенную пространств. картину распределения плотности плазмы. При n?1015 см-3 удобно использовать голографич. интерферометрию (см. ГОЛОГРАФИЯ). Измерение циклотронного излучения плазмы, позволяющее определить её плотность, находит особенно широкое применение в исследованиях косм. плазмы (регистрация излучений Солнца и др. звёзд).

Спектроскопическая Д. п. явл. другим важнейшим методом исследования косм. и лаб. плазмы. Каждый из спектроскопич. методов пригоден лишь в очень ограниченной области параметров плазмы. Анализ непрерывного спектра излучения плазмы позволяет определить Те и nе. Ширина и форма наблюдаемых спектр. линий могут дать информацию о темп-ре газа (по Доплера эффекту), о плотности заряж. ч-ц (по Штарка эффекту), о магн. полях (по Зеемана эффекту и эффекту Фарадея). Вклад каждого из этих механизмов в наблюдаемый контур линии можно выделить даже в тех случаях, когда их влияние соизмеримо. Эффект Штарка сильнее всего влияет на далёкие «крылья» спектр. линии, эффект Доплера — на центральную её часть, а зеемановские компоненты легко выделить, исследуя поляризацию. Анализ контуров линий излучения высокоионизов. атомов позволяет получить ионную темп-ру Ti горячей плазмы. Отношение интенсивностей спектр. линий даёт возможность в ряде случаев определить Те. При данной Те в плазме существуют в осн. ионы с определ. зарядом, поэтому уже только идентификация наиб. ярких спектр. линий позволяет грубо определить электронную темп-ру. При Те? кэВ осн. информацию о ней несут линии рентг. спектра. Измерение рентг. тормозного излучения плазмы позволяет определить n и Те. Сплошной рентг. спектр излучения успешно регистрируется в лаборатории только для плазмы высокой плотности (n?1017 см-3); при низкой плотности плазмы рентг. излучение возникает в осн. из-за попадания ч-ц на стенки камеры. Спектроскопич. измерения в радиодиапазоне позволяют определять уровень электромагнитных шумов в плазме.

Лазерная Д. п. Анализ рассеянного на свободно движущихся эл-нах эл.-магн. излучения стал возможным только благодаря появлению и развитию лазеров большой мощности.

При небольшой плотности плазмы интенсивность рассеянного излучения пропорц. плотности. Контур линии рассеянного света определяется эффектом Доплера, причём, т. к. рассеяние происходит на эл-нах, а не на ионах, ширины спектр. линий составляют сотни А. В плотной плазме возникает рассеяние на флуктуациях плотности зарядов, и линия рассеянного излучения имеет в центре довольно острый пик, близкий по форме ионному доплеровскому.

Кроме осн. максимума, соответствующего частоте падающего излучения, наблюдаются максимумы комбинационного рассеяния на шумах плазмы, позволяющие получить информацию об уровне её турбулентности. По положению комбинац. максимумов, отвечающих ленгмюровским плазменным частотам wр, определяют плотность плазмы. Сложность этих исследований заключается в том, что при малых плотностях (n?1012 см-3) трудно выделить сигнал на фоне излучения, рассеянного на деталях установки, а при n = 1017 см-3 сильный фон создаёт собственное излучение плазмы.

Пассивная корпускулярная Д. п. применяет электрич. и магн. анализаторы (см. МАСС-СПЕКТРОСКОПИЯ) и калориметрич. методы измерения для ч-ц, выходящих из объёма изучаемой плазмы. Трудности выведения ч-ц из плазмы, находящейся в сильном магн. поле, делают предпочтительным анализ быстрых нейтр. атомов, возникших в плазме за счёт перезарядки. Такие атомы ионизуются затем в потоке эл-нов или при «обдирке» на газовых мишенях (либо на тонких фольгах) и далее анализируются по энергиям. При высоких темп-pax, когда в плазме возникают термоядерные реакции D+D и D+T, измерения потоков и распределения по энергиям продуктов яд. реакций, в частности нейтронов, позволяют определять TI и нек-рые др. параметры плазмы.

Фотографирование плазмы в разл. спектр. диапазонах позволяет грубо оценить пространств. распределение n и Te. Особенно полезны фотографии плазмы с помощью камеры-обскуры в мягком рентг. излучении. Сверхскоростная фотография позволяет понять динамику развития неустойчивостей и получить информацию о хар-ре вз-ствия плазмы с магн. полем.