Методы диагностики плазмы

Диагностика плазмы — это определение локальных и мгновенных значений основных ее параметров: концентраций электронов, атомов и молекул, функций распределения различных компонент плазмы по энергиям, характеризующих её состояние. Так как плазма в общем случае представляет собой многокомпонентную неравновесную неоднородную систему с широчайшим спектром всевозможных значений параметров, ее диагностика сталкивается с большими техническими трудностями. Особенно сложно проводить диагностику в экстремальных условиях (при максимальных температурах, плотностях, скоростях процессов, мощности внешних воздействий и других).

Спектроскопическая диагностика плазмы в основном подразумевает регистрацию и анализ характеристик спектров электромагнитного излучения плазмы. По используемому интервалу частот ее делят на СВЧ, оптическую и рентгеновскую. С помощью спектров можно найти пространственно-временные распределения практически всех параметров плазмы в самых широких диапазонах их значений. Недостатками метода является сложность связи параметров плазмы с непосредственно измеряемыми интенсивностями и существенная зависимость от видов статистических распределений частиц и излучения, которые заранее не известны.

Поэтому спектроскопические исследования проводятся в три этапа: сначала устанавливают модель состояния плазмы и выбирают методы диагностики плазмы, допустимые в рамках этой модели, далее эти методы реализуют, а затем интерпретируют полученные результаты измерений и контролируют адекватность принятой модели. Информация, необходимая для решения задач первого этапа, может быть получена из анализа спектрального состава излучения плазмы, который позволяет определить основные компоненты ионного и химического состава плазмы. Обычно измеряют интенсивности, интегральные вдоль луча наблюдения. Локальные значения, связанные непосредственно с параметрами плазмы, необходимо вычислять с помощью интегрального преобразования.

Зондирование плазмы СВЧ основано на модели плазмы как макроскопической среды, влияющей на распространение электромагнитных волн. Этот метод дает возможность определить частоту столкновения электронов с тяжёлыми частицами, а в оптическом диапазоне и концентрацию нейтральных атомов. Методика основана на зависимости диэлектрической проницаемости плазмы от частоты [15].

Лазерные методы диагностики плазмы основаны на регистрации изменений зондирующего излучения, возникающих при прохождении электромагнитной волны через плазму. Для измерения электронной плотности плазмы чаще всего используется метод интерферометрии, физической основой которого служит изменение фазы зондирующей волны. Разработанные методы лазерной диагностики используются в исследованиях горячей плазмы.

Корпускулярная диагностика плазмы обычно подразумевает анализ потоков тяжелых частиц или излучаемых самой плазмой (пассивная диагностика плазмы), или пронизывающих ее и испускаемых внешним источником (активная диагностика плазмы). Корпускулярная диагностика плазмы с использованием тяжелых частиц является основной для изучения физических характеристик тяжелой компоненты горячей плазмы в проблеме управляемого термоядерного синтеза. С помощью пассивных методов исследуют нейтральные атомы, покидающие плазму в результате перезарядки ионов в объёме [8].

Наиболее удобной диагностикой плазмы является зондовая диагностика плазмы, основанная на помещении в плазму зондов. Все зондовые методы, кроме зондов-анализаторов, возмущают плазму. Однако обычно возмущение локализуется в прилегающих зонду слоях, а параметры призондовой плазмы удается связать с ее объемными свойствами. Энергетический поток, который может выдержать зонд, ограничен. Поэтому все варианты зондовых методик пригодны только для анализа низкотемпературной или периферийных зон горячей плазмы [9].