جهاز بلازما كبير

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

جهاز البلازما الكبير أثناء إجراء تجربة.

جهاز البلازما الكبير (يُشار إليه اختصارًا بـ LAPD ) هو جهاز فيزيائي تجريبي يقع في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA ) . صُمم ليكون مختبرًا متعدد الأغراض لأبحاث فيزياء البلازما التجريبية . بدأ تشغيل الجهاز عام 1991 [ 1 ] ، وتم تحديثه عام 2001 [ 2 ] إلى نسخته الحالية. يُشغّل جهاز LAPD الحديث كجهاز رئيسي لمرفق بحثي تعاوني وطني، هو مرفق علوم البلازما الأساسية (BaPSF)، المدعوم من وزارة الطاقة الأمريكية ، وعلوم طاقة الاندماج، والمؤسسة الوطنية للعلوم . [ 3 ] يُتاح نصف وقت تشغيل الجهاز للعلماء في مؤسسات ومرافق أخرى، والذين يمكنهم التنافس على الوقت من خلال طلب سنوي. [ 4 ] [ 5 ]

تاريخ

كان الإصدار الأول من جهاز LAPD عبارة عن جهاز بطول 10 أمتار، بناه فريق بقيادة والتر جيكلمان عام 1991. استغرق بناؤه 3.5 سنوات، وموّله مكتب البحوث البحرية (ONR). وفي عام 1999، موّل مكتب البحوث البحرية وجائزة NSF للأجهزة البحثية الرئيسية عملية تطوير رئيسية للجهاز ليصبح بطول 20 مترًا. [ 6 ] بعد إتمام هذا التطوير، مكّنت منحة بقيمة 4.8 مليون دولار أمريكي من وزارة الطاقة الأمريكية ومؤسسة العلوم الوطنية عام 2001 من إنشاء مرفق علوم البلازما الأساسي وتشغيل جهاز LAPD كجزء من هذا المرفق الوطني. شغل جيكلمان منصب مدير المرفق حتى عام 2016، حين تولى تروي كارتر إدارته.

نظرة عامة على الآلة

منظر للمختبر والجزء الداخلي من جهاز البلازما الكبير من الجهة الجنوبية للجهاز أثناء عملية التحديث التي جرت في يناير 2020.

جهاز LAPD هو جهاز تفريغ نبضي خطي يعمل بتردد  تكرار عالٍ (1 هرتز)، وينتج بلازما خلفية ممغنطة بقوة، ذات حجم كافٍ لدعم موجات ألفين . تُنتج البلازما من تفريغ قطب الكاثود-الأنود لأكسيد الباريوم (BaO) عند أحد طرفي وعاء أسطواني مفرغ من الهواء، طوله 20 مترًا وقطره متر واحد (انظر الرسم التخطيطي ). يبلغ طول عمود البلازما الناتج حوالي 16.5 مترًا وقطره 60  سم. يمكن تغيير شدة المجال المغناطيسي الخلفي، الناتج عن سلسلة من المغناطيسات الكهربائية الكبيرة المحيطة بالغرفة، من 400 غاوس إلى 2.5 كيلوغاوس (40 إلى 250 ملي تسلا ).

معلمات البلازما

نظرًا لأن جهاز LAPD جهاز بحثي متعدد الأغراض، فقد تم اختيار معايير البلازما بعناية لتسهيل التشخيص وتجنب المشاكل المرتبطة بالبلازما الأكثر سخونة (مثل بلازما الاندماج النووي)، مع توفير بيئة مناسبة لإجراء البحوث. وفيما يلي معايير التشغيل النموذجية:

  • الكثافة: ن = 1–4×{\displaystyle \times }10 12 سم −3
  • درجة الحرارة : Te = 6 eV، Ti = 1 eV
  • المجال الخلفي: B = 400–2500 غاوس (40–250 ملي تسلا)

من حيث المبدأ، يمكن توليد البلازما من أي نوع من الغازات، ولكن تُستخدم عادةً الغازات الخاملة لمنع البلازما من إتلاف الطلاء الموجود على مهبط أكسيد الباريوم. ومن أمثلة الغازات المستخدمة: الهيليوم ، والأرجون ، والنيتروجين ، والنيون . ويُستخدم الهيدروجين أحيانًا لفترات قصيرة. كما يمكن خلط عدة غازات بنسب متفاوتة داخل الحجرة لإنتاج بلازما متعددة الأنواع.

عند هذه المعايير، يبلغ نصف قطر لارمور للأيون بضعة ملليمترات، وطول ديباي عشرات الميكرومترات. والأهم من ذلك، أن هذا يعني أيضاً أن طول موجة ألفين يبلغ بضعة أمتار، وفي الواقع، تُلاحظ موجات ألفين القصية بشكل روتيني في جهاز LAPD. وهذا هو السبب الرئيسي لطول الجهاز البالغ 20 متراً.

مصادر البلازما

صورة داخلية من منفذ طرفي في الطرف الشمالي للجهاز تُظهر مهبطًا من أكسيد الباريوم مُسخّنًا. الجهاز تحت فراغ، لكن تفريغ البلازما مُطفأ.

يُنتج المصدر الرئيسي للبلازما داخل جهاز LAPD عن طريق التفريغ الكهربائي من الكاثود المطلي بأكسيد الباريوم (BaO)، والذي يُصدر الإلكترونات عبر الانبعاث الحراري . يقع الكاثود بالقرب من نهاية جهاز LAPD، وهو مصنوع من صفيحة رقيقة من النيكل، تُسخّن بشكل منتظم إلى حوالي 900  درجة مئوية. تُغلق الدائرة بواسطة مصعد شبكي من الموليبدينوم على مسافة قصيرة. تتراوح تيارات التفريغ النموذجية بين 3 و8 كيلو أمبير عند جهد 60-90 فولت، ويتم توفيرها بواسطة مفتاح ترانزستور مصمم خصيصًا مدعوم بمجموعة مكثفات سعتها 4 فاراد .

تم تطوير مصدر كاثود ثانوي مصنوع من سداسي بوريد اللانثانوم (LaB6 ) في عام 2010 [ 7 ] لتوفير بلازما أكثر سخونة وكثافة عند الحاجة. ويتكون من أربع بلاطات مربعة متصلة لتشكيل 20×{\displaystyle \times }تبلغ مساحة هذا المكون 20  سم² ويقع في الطرف الآخر من جهاز LAPD. تُغلق الدائرة أيضًا بواسطة مصعد شبكي من الموليبدينوم، والذي يمكن وضعه في مكان أبعد داخل الجهاز، وهو أصغر حجمًا بقليل من المصعد المستخدم لإغلاق مصدر مهبط أكسيد الباريوم. يُسخّن مهبط LaB₆ عادةً إلى درجات حرارة أعلى من 1750 درجة مئوية بواسطة سخان من الجرافيت، وينتج تيارات تفريغ تبلغ 2.2 كيلو أمبير عند 150 فولت. 

عادةً ما يتم توليد البلازما في جهاز LAPD بنبضات بتردد 1  هرتز، مع تشغيل مصدر BaO الأساسي لمدة تتراوح بين 10 و20 مللي ثانية في كل مرة. في حال استخدام مصدر LaB6 ، فإنه عادةً ما يُفرغ شحنته بالتزامن مع مهبط BaO، ولكن لفترة أقصر (حوالي 5-8 مللي ثانية) قرب نهاية كل دورة تفريغ. يتيح استخدام مصدر بلازما ذي مهبط أكسيدي، بالإضافة إلى مفتاح ترانزستور مُصمم بدقة للتفريغ، بيئة بلازما قابلة للتكرار بدرجة عالية من التكرار بين كل نبضة وأخرى.

من الجوانب المثيرة للاهتمام في مصدر بلازما أكسيد الباريوم (BaO) قدرته على العمل كمصدر "لميزر ألفين " ، وهو مصدر لموجات ألفين القصية المتماسكة ذات السعة الكبيرة. [ 8 ] يتكون التجويف الرنيني من مهبط نيكل عالي الانعكاس ومصعد شبكي شبه شفاف. ولأن المصدر يقع في نهاية الملف اللولبي الذي يُولّد مجال الخلفية الرئيسي لثنائي الفوتون ذي السعة الكبيرة (LAPD)، يوجد تدرج في المجال المغناطيسي داخل التجويف. ولأن موجات القص لا تنتشر فوق تردد السيكلوترون الأيوني ، فإن التأثير العملي لذلك هو العمل كمرشح للأنماط التي يمكن إثارتها. يحدث نشاط الميزر تلقائيًا عند توليفات معينة من شدة المجال المغناطيسي وتيار التفريغ، ويمكن عمليًا تفعيله (أو تجنبه) من قِبل مستخدم الجهاز.

الوصول التشخيصي والمجسات

المجسات

تُعدّ المجسات المتحركة الأداة التشخيصية الرئيسية. وبفضل درجة حرارة الإلكترون المنخفضة نسبيًا، يُصبح تصنيع المجسات بسيطًا ولا يتطلب استخدام مواد متطورة. تُصنع معظم المجسات داخليًا في المنشأة، وتشمل مجسات المجال المغناطيسي، [ 9 ] ومجسات لانغمير ، ومجسات ماخ (لقياس التدفق)، ومجسات ثنائي القطب الكهربائي، وغيرها الكثير. كما يُتيح التصميم القياسي للمجسات للمستخدمين الخارجيين إمكانية استخدام أدواتهم التشخيصية الخاصة، إذا رغبوا في ذلك. يُدخل كل مجس عبر نظام تعشيق فراغي خاص به، مما يسمح بإضافة المجسات وإزالتها أثناء تشغيل الجهاز.

يُتيح معدل تكرار يبلغ 1  هرتز، إلى جانب قابلية تكرار بلازما الخلفية العالية، جمع كميات هائلة من البيانات بسرعة. عادةً ما تُصمَّم تجربة LAPD بحيث تُكرَّر مرة واحدة في الثانية، لعدد الساعات أو الأيام اللازمة لتجميع مجموعة كاملة من الملاحظات. وهذا يُتيح تشخيص التجارب باستخدام عدد قليل من المجسات المتحركة، على عكس مصفوفات المجسات الكبيرة المستخدمة في العديد من الأجهزة الأخرى.

يُجهز الجهاز بالكامل بوصلات كروية، وهي وصلات زاوية محكمة الإغلاق (ابتكرها أحد أعضاء فريق عمل LAPD)، تسمح بإدخال المجسات وتدويرها رأسيًا وأفقيًا. عمليًا، تُستخدم هذه الوصلات مع محركات مجسات آلية يتم التحكم بها بواسطة الحاسوب لأخذ عينات من "مستويات" (مقاطع عرضية رأسية) من بلازما الخلفية باستخدام أي مجس مطلوب. وبما أن القيد الوحيد على كمية البيانات التي يتم جمعها (عدد النقاط في المستوى) هو الوقت المستغرق في تسجيل اللقطات بتردد 1  هرتز، فمن الممكن تجميع مجموعات بيانات حجمية كبيرة تتكون من مستويات متعددة في مواقع محورية مختلفة.

يمكن الاطلاع على الصور المرئية المكونة من هذه القياسات الحجمية في معرض شرطة لوس أنجلوس .

وبإضافة المفاصل الكروية، يوجد ما مجموعه 450 منفذ وصول على الآلة، بعضها مزود بنوافذ للمراقبة البصرية أو الميكروويف.

التشخيصات الأخرى

تتوفر في مختبر LAPD مجموعة متنوعة من أدوات التشخيص الأخرى لاستكمال قياسات المجسات. وتشمل هذه الأدوات الثنائيات الضوئية ، ومقاييس التداخل الميكروي ، وكاميرا عالية السرعة (3 نانوثانية/إطار)، والتألق الناتج عن الليزر .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جيكلمان، دبليو؛ بفايستر، إتش؛ لاكي، زد؛ بامبر، جيه؛ لينمان، دي؛ ماجز، جيه (1991). "تصميم وبناء وخصائص جهاز أبحاث البلازما الكبير - LAPD في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس". مجلة الأدوات العلمية . 62 (12): 2875-2883 . Bibcode : 1991RScI...62.2875G . doi : 10.1063/1.1142175 . ISSN 0034-6748 . 
  2. ↑ جيكلمان، دبليو؛ بريبيل، بي؛ لاكي، زد؛ درانديل، إم؛ لينمان، دي؛ ماجز، جيه؛ فينسينا، إس؛ فان كومبرنول، بي؛ تريباثي، إس كيه بي (2016). "جهاز البلازما الكبير المُطوَّر، آلة لدراسة فيزياء البلازما الأساسية الرائدة". مراجعة الأدوات العلمية . 87 (2): 025105. رمز Bibcode : 2016RScI...87b5105G . doi : 10.1063/1.4941079 . ISSN 0034-6748 . PMID 26931889 .  
  3. ↑ "مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية - قسم خدمات إدارة المشاريع - قسم الفيزياء - المرافق والمراكز" . www.nsf.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2020 .
  4. ↑ صموئيل رايش، يوجيني (2012). "علم الفيزياء الفلكية المختبري يطمح إلى النجوم" . مجلة نيتشر . 491 (7425): 509. Bibcode : 2012Natur.491..509R . doi : 10.1038/491509a . ISSN 0028-0836 . PMID 23172193 .  
  5. ↑ بيريز، جان سي؛ هورتون، دبليو؛ بنغتسون، روجر دي؛ كارتر، تروي (2006). "دراسة التدفق القصي القوي عبر المجال باستخدام مسبار الدوامة في جهاز البلازما الكبير". فيزياء البلازما . 13 (5): 055701. Bibcode : 2006PhPl...13e5701P . doi : 10.1063/1.2179423 . ISSN 1070-664X . 
  6. ↑ "البحث عن جوائز مؤسسة العلوم الوطنية: الجائزة رقم 9724366 - لتحديث جهاز بلازما كبير" . www.nsf.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2020 .
  7. ↑ كوبر، سي إم؛ جيكلمان، دبليو؛ بريبيل، بي؛ لاكي، زد. (2010). "مصدر بلازما جديد واسع المساحة من سداسي بوريد اللانثانوم". مراجعة الأدوات العلمية . 81 (8): 083503. رمز Bibcode : 2010RScI...81h3503C . doi : 10.1063/1.3471917 . ISSN 0034-6748 . PMID 20815604 .  
  8. ↑ ماغز، جيه إي؛ موراليس، جي جيه؛ كارتر، تي إيه (2004). "مازر موجة ألفين في المختبر". فيزياء البلازما . 12 (1): 013103. Bibcode : 2005PhPl...12a3103M . doi : 10.1063/1.1823413 . ISSN 1070-664X . PMID 12906425 .  
  9. ↑ إيفرسون، إي تي؛ بريبيل، بي؛ كونستانتين، سي جي؛ زيلسترا، إيه؛ شيفر، دي؛ كوجلاند، إن إل؛ نيمان، سي. (2009). "تصميم وبناء ومعايرة مسبار مغناطيسي ثلاثي المحاور عالي التردد (مسبار B-dot) كأداة تشخيصية للبلازما المتفجرة". مجلة الأدوات العلمية . 80 (11): 113505. رمز Bibcode : 2009RScI...80k3505E . doi : 10.1063/1.3246785 . ISSN 0034-6748 . PMID 19947729 .  

34°03′39″ شمالاً 118°26′57″ غرباً / 34.0607° شمالاً 118.4493° غرباً / 34.0607; -118.4493