Sonde pour stylo à bille - Ball-pen probe

Sonde à bille utilisée sur le tokamak CASTOR en 2004. Un collecteur en acier inoxydable se déplace à l'intérieur d'un tube de blindage en céramique (nitrure de bore).

Représentation schématique d'une seule sonde pour stylo à bille. Les ions (en rouge) ont un grand rayon gyromagnétique et peuvent atteindre le collecteur plus facilement que les électrons (en bleu).

Une sonde à stylo à bille est une sonde de Langmuir modifiée utilisée pour mesurer le potentiel plasmatique dans les plasmas magnétisés. La sonde à stylo à bille équilibre les courants de saturation des électrons et des ions, de sorte que son potentiel flottant est égal au potentiel du plasma. Parce que les électrons ont un gyroradius beaucoup plus petit que les ions, un écran en céramique mobile peut être utilisé pour masquer une partie réglable du courant d'électrons du collecteur de sonde.

Les sondes à bille sont utilisées en physique des plasmas, notamment dans les tokamaks tels que CASTOR, (Czech Academy of Sciences Torus) ASDEX Upgrade , COMPASS , ISTTOK , MAST , TJ-K, RFX, H-1 Heliac , IR-T1, GOLEM as ainsi que des appareils à basse température comme le magnétron cylindrique CC à Prague et des appareils à plasma magnétisé linéaire à Nancy et Ljubljana .

Principe

Si une sonde de Langmuir (électrode) est insérée dans un plasma , son potentiel n'est pas égal au potentiel du plasma car une gaine Debye se forme, mais à un potentiel flottant . La différence avec le potentiel plasma est donnée par la température électronique : ${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle V_ {fl}}$ ${\ displaystyle T_ {e}}$

${\ displaystyle \ Phi -V_ {fl} = \ alpha * T_ {e}}$

où le coefficient est donné par le rapport de la densité de courant de saturation des électrons et des ions ( et ) et des zones de collecte des électrons et des ions ( et ): ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle j_ {e} ^ {sat}}$${\ displaystyle j_ {i} ^ {sat}}$${\ displaystyle A_ {e}}$${\ displaystyle A_ {i}}$

${\ displaystyle \ alpha = ln \ left ({\ frac {A_ {e} j_ {e} ^ {sat}} {A_ {i} j_ {i} ^ {sat}}} \ right) = ln (R) }$

La sonde à stylo à bille modifie les zones de collecte des électrons et des ions de manière à ce que le rapport soit égal à un. Par conséquent, et le potentiel flottant de la sonde du stylo à bille devient égal au potentiel du plasma quelle que soit la température de l' électron : ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ alpha = 0}$

${\ displaystyle V_ {fl} = \ Phi}$

Conception et étalonnage

Potentiel et ln (R) de la sonde stylo bille pour différentes positions du collecteur.

Une sonde stylo à bille est constituée d'un collecteur de forme conique ( acier inoxydable non magnétique , tungstène , cuivre , molybdène ), qui est blindé par un tube isolant ( nitrure de bore , alumine ). Le collecteur est entièrement blindé et toute la tête de sonde est placée perpendiculairement aux lignes de champ magnétique .

Lorsque le collecteur glisse dans le blindage, le rapport varie et peut être réglé à 1. La longueur de rétraction adéquate dépend fortement de la valeur du champ magnétique . La rétraction du collecteur doit être à peu près inférieure au rayon de Larmor de l'ion . L'étalonnage de la bonne position du capteur peut être effectué de deux manières différentes: ${\ displaystyle R}$

1. Le collecteur de sonde de stylo à bille est polarisé par une tension basse fréquence qui fournit les caractéristiques IV et obtient le courant de saturation des électrons et des ions. Le collecteur est ensuite rétracté jusqu'à ce que les caractéristiques IV deviennent symétriques. Dans ce cas, le rapport est proche de l'unité, mais pas exactement. Si la sonde est rétractée plus profondément, les caractéristiques IV restent symétriques. ${\ displaystyle R}$
2. Le potentiel du collecteur de la sonde du stylo à bille reste flottant et le collecteur est rétracté jusqu'à ce que son potentiel sature. Le potentiel résultant est supérieur au potentiel de la sonde de Langmuir.

Mesures de température électronique

En utilisant deux mesures du potentiel plasma avec des sondes dont le coefficient diffère, il est possible de récupérer passivement la température de l' électron (sans tension ni courant d'entrée). En utilisant une sonde de Langmuir (avec un non négligeable) et une sonde à bille (dont associée est proche de zéro) la température électronique est donnée par: ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle T_ {e} = {\ frac {\ Phi -V_ {fl}} {\ alpha}}}$

où est mesurée par la sonde du stylo à bille, par la sonde standard de Langmuir, et est donnée par la géométrie de la sonde de Langmuir , la composition du gaz plasma, le champ magnétique et d'autres facteurs mineurs ( émission d'électrons secondaires , expansion de la gaine, etc.) Il peut être calculé théoriquement, sa valeur étant d'environ 3 pour un plasma d'hydrogène non magnétisé. ${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle V_ {fl}}$${\ displaystyle \ alpha}$

En pratique, le rapport de la sonde à bille n'est pas exactement égal à un, de sorte que le coefficient doit être corrigé par une valeur empirique pour : ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle T_ {e} = {\ frac {\ Phi _ {BPP} -V_ {fl}} {\ bar {\ alpha}}},}$

où ${\ displaystyle {\ bar {\ alpha}} = \ alpha -ln (R).}$

Les références

Liens externes

• Thèse de doctorat, Jiri Adamek (langue tchèque et anglaise)
• Vue d' ensemble: la conception de la sonde à bille stylo, la théorie et les premiers résultats à différents dispositifs de fusion .
• Examen des pics de courant plasma et analyse générale des prises de vue en mode H dans le tokamak COMPASS
• Mesures de la sonde électrique sur le tokamak COMPASS
• Mesures de sonde sur le tokamak COMPASS
• Sonde à balayage sensible aux ions pour les mesures de profil de plasma à la limite du tokamak Alcator C-Mod
• Développement de sondes pour l'évaluation du transport de chaleur ionique et du flux thermique de la gaine à la limite du Tokamak Alcator C-Mod
• Vidéo: évolution temporelle de l'ELM de type I dans la région du divertor sur le tokamak COMPASS.
• Le nouveau stylo à bille divertor et les sondes Langmuir sur le tokamak COMPASS.