Bài thuyết trình Các phương pháp chẩn đoán Plasma bao gồm những nội dung về lịch sử phát triển VL Plasma, khái niệm plasma, chẩn đoán plasma, phương pháp phân tích quang phổ phát xạ. Mời các bạn tham khảo bài thuyết trình để hiểu rõ hơn về những nội dung này.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG GVHD: PGS TS Lê Văn Hiếu HVTH: Nguyễn Đăng Khoa Lê Thị Lụa Lý Ngọc Thủy Tiên Trần Thị Mỹ Hạnh Nguyễn Thanh Tú LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VL PLASMA • 1845:từ “Plasma” đươc phát biểu với ý nghĩa sinh vật học • 1923: Langmuir Tolk gọi chất khí trạng thái dẫn điện plasma • 1667,nhà bác học Floreltre phát lửa đèn có tính dẫn điện • 1698,tiến sĩ Volt người Anh phát hiện tượng phóng tia lửa điện khơng khí nghiên cứu nhiễm điện hổ phách • Đầu kỉ XIX,giáo sư Pétro phát minh hồ quang • • • Irving Langmuir (1881 1957) nhà khoa học Mỹ nghiên cứu trạng thái plasma, người coi cha đẻ vật lý plasma Năm 1920, Langmuir mơ tả thí nghiệm tạo khối cầu phát sáng có đặc tính dường giống sét Năm 1924, ông đưa khái niệm nhiệt độ điện tử phát minh phương pháp chẩn đoán mật độ nhiệt độ plasma đầu dò điện • Năm 1940, Hannes Alfvén chứng minh loại chuyển động tập thể mới, gọi “sóng từthủy động lực học” sinh hệ plasma Các sóng đóng vai trò quan trọng xác định tính chất plasma KHÁI NIỆM PLASMA Theo định nghĩa Langmuir, plasma “một tập hợp” hạt mang điện hạt trung hòa phải thỏa mãn: Điều kiện gần trung hòa: Z n 0 e ,i e , i Bán kính Debye phải nhiều lần nhỏ kích thước miền chứa tập hợp đó: rD L Một số dạng Plasma TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐỐN PLASMA • Chẩn đốn plasma nghiên cứu tượng vật lý tiến triển bên plasma, từ suy tính chất plasma • Phương pháp chẩn đoán plasma phương pháp đo nhiệt độ, mật độ, thành phần plasma • Khó khăn việc thiết lập mơ hình lý thuyết • Phải tiến hành chẩn đoán nhiều phương pháp khác đối tượng Ví dụ chẩn đốn plasma tokamak NGUYÊN TẮC CHẨN ĐOÁN ◙ Trong plasma,1 số ion dương gia tốc,vượt khỏi miền bao plasma vào độ nhỏ ,đến cặp cong đặt song song với ◙ Các ion chuyển động điện trường cong ◙ Chỉ có ion chuyển động theo đường cong cong qua khe đến detector XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG ION ◙ Điện trường cong tác dụng lực lên ion làm chúng chuyển động theo quỹ đạo cong,lúc lực điện trường đóng vai trò lực hướng tâm: ◙ Điện trường xuyên tâm Er cong có bán kính cong trung bình R xấp xỉ điện trường tụ song song cách khoảng d,và hiệu điện tụ 2VA ◙Năng lượng Joule ion có khối lượng M, vận tốc vi ◙Thế pt (1),(2) vào (3),ta có: (eV) : Năng lượng ion với điện DC áp vào cong Tỉ lệ với: ◙ Điện áp vào cong ◙ Dạng hình học cong PHÉP ĐO TRỰC TIẾP HÀM PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG KHƠNG DÙNG BỘ PHÂN TÍCH PHÉP ĐO HÀM PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG DÙNG BỘ PHÂN TÍCH TỨ CỰC Một số phương pháp chẩn đoán khác Tán xạ Thomson Quang phổ khả kiến Quang phổ hấp thụ Tán xạ chùm laser Quay phim tốc độ cao DÙNG MÁY QUAY PHIM TỐC ĐỘ CAO ĐỂ CHẨN ĐỐN PLASMA CẤU TẠO: • • • • Hệ thấu kính hội tụ Tấm chắn Gương quay Màn phim Tán xạ Thomson Thomson scattering is scattering off free electrons in the plasma The electrons are set oscillating by the incoming laser beam, and then radiate as dipole radiators The intensity of the scattered radiation gives the electron density, the double-Doppler broadening of the scattered radiation gives the electron temperature The ITER LIDAR Thomson scattering system Optical Spectroscopy - the least intrusive in-situ plasma diagnostics Plasma spectra Particle Degree of freedom Atom or ionElectronic excitation Line Ionization Translation Electrons Recombination Free-free transition Molecules Rotation Vibration-rotation Electronic excitation Type of spectrum Spectral region UV-visible-IR Continuum UV-visible-IR Line profiles Continuum UV-visible Continuum IR Line Far-infrared band IR band systems UV-visible-IR • Optical emission spectroscopy • Actinometry • Absorption spectroscopy • Laser Induced Fluorescence (LIF) Optical Emission Spectroscopy • Optical emission comes from the excited, emitting species generated by • electron impact excitation and dissociation • ion impact process • Experimental setup for OES Monochramator Photomultiplier Plasma Amplifier Recorder Grating Optical fiber • Identification of ions : mostly < 200 nm, monochromator should be under vacuum (vacuum UV ; < 110 nm), need spectrometer resolution of 0.1 to nm (1m focal length -> 0.01 nm resolution, Fabre-Perot interferometer ~ 0.0005 nm resolution Optical Emission Spectroscopy • Difficulties • the extreme complexity of emission spectra • the dependency of the optical emission intensity on the ability of the plasma to excite the ground state species into electronically excited emitting species • Actinometry : A small quantity (1-2 %) of an inert gas, called as actinometer, is mixed into the gas fed to the plasma without affecting plasma parameters If the quantum yield and the cross section of the reactive and inert species have the same energy dependence, the following relation exists; Emission intensity of inert gas Ir Fr C Ii Fi Concentration of reactive species • Electron temperature or electron energy distribution can be obtained from the line ratio measurements Absorption Spectroscopy Advantages: • Absorption spectroscopy can supplement the optical emission diagnostics which are limited the the existing excited species • Requires higher resolution to overcome background radiation -σnl • Easy implementation Ir Iroe by adding an external light source • Continuum light sources for diatomic and polyatomic species • UV range of 160-350 nm : deuterium lamp • visible region : tungsten lamp Disadvantages: • Requires vacuum ultraviolet sources for many elements of interest • Low sensitivity in the infrared region of the spectrum • Spectrums of multi-component mixtures can overlap Laser Induced Fluorescence (LIF) power meter Plasma Diode or Dye Laser beam dump collection optics Detector fiber bundle • Dye laser pumped by either an excimer laser (330-900 nm) or a NdYAG laser (~380-900 nm) are highest in peak power and are most common tunable pulsed sources • High sensitivity and selectivity • LIF measures Time- and space-resolved ion distribution functions • Disadvantages : limited available tunable laser sources, complex apparatus and operations Visible spectrometer • [Objectives] To observe spectral lines, bands and their spatial profile for study of atomic and molecular processes in the divertor plasmas • [Diagnostic method] Emission collimated with lenses is transmitted through 16 optical fibers from the torus hall to a diagnostic room The light from the optical fibers is dispersed with the spectrometer and the imageintensified CCD camera observes the image of the fibers http://www-jt60.naka.jaeri.go.jp/diag/html/diag_30.html ... L Một số dạng Plasma TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐỐN PLASMA • Chẩn đốn plasma nghiên cứu tượng vật lý tiến triển bên plasma, từ suy tính chất plasma • Phương pháp chẩn đoán plasma phương pháp đo nhiệt... chùm laser Plasma Phân tích quang phổ phát xạ Tán xạ Thomson Đầu dò từ Đầu dò langmuir Các phương pháp chẩn đốn Chẩn đốn Thơng số plasma Đầu dò langmuir Nhiệt độ plasma, nồng độ, plasma Phân... đo nhiệt độ, mật độ, thành phần plasma • Khó khăn việc thiết lập mơ hình lý thuyết • Phải tiến hành chẩn đoán nhiều phương pháp khác đối tượng Ví dụ chẩn đốn plasma tokamak Quay phim tốc độ cao