Poloautomatizovaná VA charakteristika doutnavého výboje na tokamaku GOLEM

Transkript

1 Poloautomatizovaná VA charakteristika doutnavého výboje na tokamaku GOLEM O. Tinka, Š. Malec, M. Bárta Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, Břehová 7, Praha 1 malecste@fjfi.cvut.cz Abstrakt Uvažovali jste někdy jaký vliv má tvar elektrického pole na VA charakteristiku doutnavého výboje? Změní se křivka nějak? Změní se vůbec? Náš experimentu se pokusí zodpovědět tyto otázky v toroidální geometrii tokamaku GOLEM. Proces bude částečně automatizován a celý experiment je navíc předstupněm měření VA charakteristiky tokamakového plasmatu. 1 Konfigurace experimentu Ze zkušeností z předchozích experimentů [1] bylo rozhodnuto zapojit experiment pro první měření, tak, jak je popsáno obrázku 1). Hodnota odporu na rezistoru R1 byla 120 kω. Obrázek 1: Schéma zapojení Při všech měřeních byla sonda natočena o 45 vůči toroidálnímu směru a délka manipulátoru mimo komoru činila 2,4 cm. Při prvním měření se vyskytl problém při měření záporné větve VA charakteristiky (záporné napětí na zdroji). Po diskusi byl pro druhé a třetí měření z experimentu vyřazen multimetr měřící napětí na zdroji. Toto napětí bylo poté odezíráno z analogového voltmetru zabudovaného ve zdroji. 2 Průběh experimentu Experiment bylo třeba opět před začátkem sestavit. Ještě před začátkem měření se vyskytl problém s multimetrem měřícím napětí na zdroji - došlo k jeho výměně. Celkem proběhla

2 tři měření. Nejprve bylo měřeno dle starého schématu (již zmíněno výše). Krok napětí na zdroji činil 2 V a rozpětí napětí bylo 10 V. Problém, který se při měření vyskytl způsobil, že bylo měřeno stále stejné napětí 2 V. Jeho příčinou nejspíše byl nezanedbatelný vnitřním odpore multimetru, který měřil napětí na zdroji. Proto bylo rozhodnuto tento multimetr vyřadit. Poté bylo měřeno ještě jednou v H 2 a následně jednou v He. Relevantní data jsou pouze z 2. a 3. měření. Komunikace multimetru měřící napětí na odporu s počítačem probíhala po sériové lince a bylo zajištěna programem, psaném v jazyku python, jehož výstupem byl aritmetický průměru ze zadaného počtu měření (pro jedno napětí na zdroji). Program byl tedy spouštěn po každém kroku napětí na zdroji. 3 Zpracování dat VA Charakteristiky dvojité sondy, měřené při doutnavém výboji ve vodíku a heliu byly vyhodnoceny technikou popsanou v práci [2]. 3.1 Elektronová teplota Elektronová teplota je určena z výrazu: Který se dá přepsat jako: kt e e = 1 di du p I 1 I 2 I 1 + I 2 (1) kt e e = 1 du R du p U 1 U 2 U 1 + U 2 (2) Kde T e je elektronová teplota, e elementární náboj a k Boltzmanova konstanta. Význam parametrů I 1,2 resp. U 1,2 je patrný z obrázku 2). Charakteristiky změřené na tokamaku GOLEM jsou pro oba pracovní plyny porovnány v obrázku 3). Obrázek 2: Legenda k parametrům

3 Obrázek 3: VA charakteristika na tokamaku GOLEM Symboly na obrázku 3) jsou změřené hodnoty, čáry představují jejich interpolaci. Z výrazu (2) plyne, že potřebujeme určit derivaci du R / du p, kterou zjistíme numericky. Výsledek je na obr. 4). Obrázek 4: Derivace U R podle U P Maximum derivace se nachází v okolí U P = 0, jak se dá očekávat. Další parametry potřebné ke stanovení elektronové teploty (U 1 a U 2 ) určíme extrapolací lineární části IV charakteristiky (obr. 5 a 6).

4 Obrázek 5: extrapolace lineární části VA char. Vodíku Obrázek 6: extrapolace lineární části VA char. Helia 3.2 Elektronová hustota Lokální elektronová hustota je určena vztahem: n e = I 1 + I 2 (3) kt ea e m i

5 Kde e je elementární náboj, k Boltzmanova konstanta, A je plocha sondy a m i je hmota iontu pracovního plynu. Hodnoty I 1, I 2 lze získat z hodnot z U 1, U 2 užitím Ohmova zákona. I = U R (4) Kde R je odpor rezistoru na kterém jsme měřili schodek napětí a U právě toto napětí. Následuje tabulka napětí a jim příslušným proudů. U i [V ] I i [A] U 1H U 2H U 1He U 2He Tabulka 1: Převod napětí na proud 4 Výsledky - závěr Lokální elektronová teplota v heliovém výboji je tedy pod dosazení do rovnice 1) kt e = 2.3 ev a ve vodíkovém kt e = 3.02 ev Po dosazení do vztahu 3) dostáváme hustotu vodíkového plasmatu částic na cm 3 a hustotu heliového plasmatu částic na cm 3. Hodnoty teplot se zdají být rozumné, tudíž je zvolený experimentální setup nepochybně správný. 5 Reference [1] O. Tinka, Š. Malec, M. Bárta,VA charakteristika Doutnavého výboje na dvojité sondě, [2] M. Mozetič,Characterization of extremely weakly ionized hydrogen plasma with a double langmuir probe,