Dispositivo grande de plasma

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El dispositivo grande de plasma durante un experimento.

El dispositivo grande de plasma (a menudo estilizado como LAPD por sus siglas en inglés ) es un dispositivo de física experimental ubicado en la 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[1]​ y se actualizó en 2001[2]​ a su versión actual. El moderno dispositivo grande de plasma funciona como el dispositivo principal para una instalación de usuario nacional, la Instalación de Ciencias del Plasma Básico, que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., Ciencias de la Energía de Fusión y la Fundación Nacional de Ciencias.[3]​ La mitad del tiempo de funcionamiento del dispositivo está disponible para científicos de otras instituciones e instalaciones que pueden competir por el tiempo mediante una solicitud anual.[4]​[5]​

Historia[editar]

La primera versión del dispositivo grande de plasma 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 (OIN). La OIN financió una importante mejora a una versión de 20 metros y un premio de Instrumentación de Investigación Importante de la NSF en 1999.[6]​ Tras la finalización de esa importante actualización, la concesión de una subvención de $ 4.8 millones por parte del Departamento de Energía de los EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias en 2001 permitió la creación de la Instalación de Ciencias Básicas del Plasma y el funcionamiento del dispositivo grande de plasma como parte de esta instalación nacional para usuarios. . Gekelman fue director de la instalación hasta 2016, cuando Troy Carter se convirtió en director de la ICBP.

Descripción de la máquina[editar]

Una vista del laboratorio y el interior del dispositivo grande de plasma en el extremo sur de la máquina durante su actualización en enero de 2020.

El dispositivo grande de plasma es un dispositivo lineal de descarga pulsada que funciona a alta (1 Hz) tasa de repetición, produciendo un plasma de fondo fuertemente magnetizado que es físicamente lo suficientemente grande como para soportar las ondas de Alfvén . El plasma se produce a partir de una descarga de cátodo-ánodo de óxido de bario 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[editar]

Debido a que el dispositivo grande de plasma es un dispositivo de investigación de uso general, los parámetros del plasma se seleccionan cuidadosamente para simplificar el diagnóstico sin los problemas asociados con plasmas más calientes (p. Ej., 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. En ocasiones, el hidrógeno 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 dispositivo grande de plasma. Esta es la razón principal de la longitud de 20 metros del dispositivo.

Fuentes de plasma[editar]

Una vista interior desde un puerto final en el extremo norte del dispositivo que muestra un cátodo de óxido de bario calentado. La máquina está al vacío pero la descarga de plasma está apagada.

La principal fuente de plasma dentro del dispositivo grande de plasma se produce mediante la descarga del cátodo recubierto de óxido de bario, que emite electrones a través de una emisión termoiónica . El cátodo está ubicado cerca del final del dispositivo grande de plasma y está hecho de una fina lámina de níquel, calentada uniformemente 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 .

Una fuente de cátodo secundaria hecha de hexaboruro de lantano fue desarrollada en 2010[7]​ para proporcionar un plasma más caliente y denso cuando sea necesario. Consta de cuatro tejas cuadradas unidas para formar un 20 20 cm 2 de área y se encuentra en el otro extremo del dispositivo grande de plasma. 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 que se usa para cerrar la fuente del cátodo . El cátodo generalmente se calienta a temperaturas superiores a 1750 °C mediante un calentador de grafito, y produce corrientes de descarga de 2,2 kilo-amperios a 150 voltios.

El plasma en el dispositivo grande de plasma generalmente se pulsa a 1 Hz, con la fuente de oxido de bario de fondo encendida durante 10-20 milisegundos a la vez. Si se utiliza la fuente LaB6, normalmente descarga junto con el cátodo de oxido de bario, 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 Alfvén de corte coherente y de gran amplitud.[8]​ 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 dispositivo grande de plasma, 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 puede ser activada (o evitada) por el usuario de la máquina.

Acceso de diagnóstico y sondas[editar]

Sondas[editar]

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 requiera el uso de materiales exóticos. La mayoría de las sondas se construyen internamente dentro de la instalación e incluyen sondas de campo magnético,[9]​ 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 propia conexión de vacío, lo que permite agregar y quitar sondas mientras el dispositivo está en funcionamiento.

Una tasa de repetición de un hercio, junto con la alta reproducibilidad del plasma de fondo, permite la recopilación rápida de enormes conjuntos de datos. Un experimento en el dispositivo grande de plasma 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 una pequeña cantidad 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 metálicas", acoplamientos angulares herméticos al vacío que permiten insertar y girar sondas, tanto vertical como horizontalmente. En la práctica, estos se utilizan junto con unidades de sonda motorizadas controladas por ordenador para muestreo de "planos" (secciones transversales-verticales) del plasma de fondo con cualquier sonda que sea requerida. 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 en 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 del dispositivo grande de plasma Archivado el 17 de diciembre de 2018 en Wayback Machine. .

Incluidas las rótulas metálicas , 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[editar]

También existe una variedad de otros diagnósticos disponibles en el dispositivo grande de plasma para complementar l mediciones de la sonda. Estos incluyen fotodiodos, interferómetros de microondas, una cámara de alta velocidad (3 ns / cuadro) y fluorescencia inducida por láser .

Referencias[editar]

  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 (en inglés) 62 (12): 2875-2883. Bibcode:1991RScI...62.2875G. ISSN 0034-6748. doi:10.1063/1.1142175. 
  2. ↑ Gekelman, W.; Pribyl, P.; Lucky, Z.; Drandell, M.; Leneman, D.; Maggs, J.; Vincena, S.; Van Compernolle, B. et al. (2016). «The upgraded Large Plasma Device, a machine for studying frontier basic plasma physics». Review of Scientific Instruments (en inglés) 87 (2): 025105. Bibcode:2016RScI...87b5105G. ISSN 0034-6748. PMID 26931889. doi:10.1063/1.4941079. 
  3. ↑ «US NSF - MPS - PHY - Facilities and Centers». www.nsf.gov. Consultado el 29 de julio de 2020. 
  4. ↑ Samuel Reich, Eugenie (2012). «Lab astrophysics aims for the stars». Nature (en inglés) 491 (7425): 509. Bibcode:2012Natur.491..509R. ISSN 0028-0836. PMID 23172193. doi:10.1038/491509a. 
  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 (en inglés) 13 (5): 055701. Bibcode:2006PhPl...13e5701P. ISSN 1070-664X. doi:10.1063/1.2179423. 
  6. ↑ «NSF Award Search: Award#9724366 - To Upgrade a Large Plasma Device». www.nsf.gov. Consultado el 29 de julio de 2020. 
  7. ↑ Cooper, C. M.; Gekelman, W.; Pribyl, P.; Lucky, Z. (2010). «A new large area lanthanum hexaboride plasma source». Review of Scientific Instruments (en inglés) 81 (8): 083503. Bibcode:2010RScI...81h3503C. ISSN 0034-6748. PMID 20815604. doi:10.1063/1.3471917. 
  8. ↑ Maggs, J. E.; Morales, G. J.; Carter, T. A. (2004). «An Alfvén wave maser in the laboratory». Physics of Plasmas (en inglés) 12 (1): 013103. Bibcode:2005PhPl...12a3103M. ISSN 1070-664X. PMID 12906425. doi:10.1063/1.1823413. 
  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 (en inglés) 80 (11): 113505. Bibcode:2009RScI...80k3505E. ISSN 0034-6748. PMID 19947729. doi:10.1063/1.3246785. 

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