大型プラズマ装置

実験中の大型プラズマ装置。

大型プラズマ装置（ LAPDとも表記される）は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）にある実験物理学装置である。実験プラズマ物理学研究のための汎用実験室として設計されている。この装置は1991年に運用を開始し[1] 、2001年に現在のバージョンにアップグレードされた[2] 。最新のLAPDは、米国エネルギー省、核融合エネルギー科学局、および国立科学財団によって支援されている国立共同研究施設である基礎プラズマ科学施設（BaPSF）の主要装置として運用されている。[3]この装置の運用時間の半分は、年間の募集を通じて時間を競うことができる他の機関や施設の科学者に利用可能である。[4] [5]

歴史

LAPDの最初のバージョンは、 1991年にウォルター・ゲケルマン率いるチームによって建造された全長10メートルの装置でした。建造には3年半を要し、海軍研究局（ONR）の資金提供を受けました。1999年には、ONRとNSF主要研究機器助成金によって全長20メートルバージョンへの大規模なアップグレードが行われました。[6]この大規模アップグレードの完了後、 2001年に米国エネルギー省と国立科学財団から480万ドルの助成金が交付され、基礎プラズマ科学施設（BaPSF）が設立され、LAPDはこの国立ユーザー施設の一部として運用されるようになりました。ゲケルマンは2016年にトロイ・カーターがBaPSFの所長に就任する まで、同施設の所長を務めました。

機械の概要

2020 年 1 月のアップグレード中、機械の南端にある実験室と大型プラズマ装置の内部を眺めた写真。

LAPDは、高繰り返し周波数（1Hz）で動作する線形パルス放電装置であり、アルヴェン波を支えるのに十分な物理的大きさを持つ、強力に磁化された背景プラズマを生成します。プラズマは、長さ20メートル、直径1メートルの円筒形真空容器の一端における酸化バリウム（BaO）の陰極-陽極放電によって生成されます（図）。生成されるプラズマ柱は、長さ約16.5メートル、直径60センチメートルです。チャンバーを取り囲む一連の大型電磁石によって生成される背景磁場は、400ガウスから2.5キロガウス（40～250 mT）まで変化させることができます。

プラズマパラメータ

LAPDは汎用研究装置であるため、プラズマパラメータは、高温（例えば核融合レベル）のプラズマに伴う問題を回避しつつ、研究に適した環境を提供しつつ、診断を簡素化できるよう慎重に選定されています。標準的な動作パラメータは以下のとおりです。

  • 密度: n = 1–4 10 12 cm −3 × {\displaystyle \times }
  • 温度: T e = 6 eV、T i = 1 eV
  • 背景磁場: B = 400～2500ガウス (40～250 mT)

原理的には、あらゆる種類のガスからプラズマを生成できますが、プラズマが酸化バリウム陰極のコーティングを破壊するのを防ぐため、通常は不活性ガスが使用されます。使用されるガスの例としては、ヘリウム、アルゴン、窒素、ネオンなどがあります。水素は短時間使用されることもあります。また、複数のガスをチャンバー内で様々な比率で混合することで、多種プラズマを生成することもできます。

これらのパラメータでは、イオンのラーモア半径は数ミリメートル、デバイ長は数十マイクロメートルです。重要なのは、アルヴェン波長も数メートルであるということです。実際、ロサンゼルス市警ではシアーアルヴェン波が日常的に観測されています。これが、この装置の長さが20メートルである主な理由です。

プラズマ源

装置の北端にあるエンドポートから見た内部の様子。加熱された酸化バリウム陰極が見える。装置は真空状態だが、プラズマ放電はオフになっている。

LAPD内のプラズマの主な発生源は、酸化バリウム（BaO）コーティングされた陰極からの放電によって生成されます。陰極は熱電子放出によって電子を放出します。陰極はLAPDの端部付近に位置し、薄いニッケル板で作られており、均一に約900℃に加熱されています。回路は、そこから少し離れたモリブデンメッシュ陽極によって閉じられています。典型的な放電電流は、60～90ボルトで3～8キロアンペアの範囲で、4ファラッドのコンデンサバンクでバックアップされたカスタム設計のトランジスタスイッチによって供給されます。

2010年にランタンヘキサボライド（LaB 6 ）製の二次陰極源が開発され、必要に応じてより高温で高密度のプラズマを供給できるようになりました[7] 。これは4枚の正方形タイルを接合して20cm 2の面積を形成し、LAPDの反対側に配置されています。この回路はモリブデンメッシュ陽極によっても閉じられています。モリブデンメッシュ陽極は装置のさらに下方に設置されることもあり、BaO陰極源を閉じるために使用されるものよりもわずかに小さいサイズです。LaB 6陰極は通常、グラファイトヒーターによって1750℃以上に加熱され、150ボルトで2.2キロアンペアの放電電流を生成します。 × {\displaystyle \times }

LAPD内のプラズマは通常1Hzでパルス化され、バックグラウンドのBaO源は10～20ミリ秒間オンになります。LaB 6源を使用する場合、通常はBaO陰極と共に放電しますが、放電サイクルの終盤に近づくにつれて、放電時間は短くなります（約5～8ミリ秒）。酸化物陰極プラズマ源と、適切に設計された放電用トランジスタスイッチを使用することで、ショットごとに極めて再現性の高いプラズマ環境を実現できます。

BaOプラズマ源の興味深い点の一つは、「アルヴェン・メーザー」、すなわち大振幅でコヒーレントなせん断アルヴェン波の発生源として機能する能力である。[8]共鳴空洞は、高反射ニッケル陰極と半透明グリッド陽極によって形成される。この発生源は、LAPDの主背景磁場を生成するソレノイド の端部に配置されているため、空洞内には磁場勾配が存在する。せん断波はイオンサイクロトロン周波数を超えて伝播しないため、実際的な効果としては、励起される可能性のあるモードに対するフィルターとして機能する。メーザー活動は、磁場強度と放電電流の特定の組み合わせにおいて自発的に発生し、実際には装置の使用者によって活性化（または回避）される可能性がある。

診断アクセスとプローブ

プローブ

主な診断装置は可動式プローブです。電子温度が比較的低いため、プローブの製造は容易で、特殊な材料を使用する必要がありません。ほとんどのプローブは施設内で製造されており、磁場プローブ、[9] ラングミュアプローブ、マッハプローブ（流量測定用）、電気双極子プローブなど、様々なプローブが含まれています。また、標準的なプローブ設計により、外部ユーザーが希望する場合は独自の診断装置を持ち込むことも可能です。各プローブは専用の真空インターロックを介して挿入されるため、装置の動作中でもプローブの追加や取り外しが可能です。

1Hzの繰り返し周波数と背景プラズマの高い再現性により、膨大なデータセットを迅速に収集することが可能です。LAPDにおける実験は通常、1秒に1回の繰り返しで、完全な観測データセットを収集するために必要な時間または日数にわたって実行されるように設計されています。これにより、他の多くの装置で使用される大規模なプローブアレイとは対照的に、少数の可動プローブを用いて実験を診断することが可能になります。

装置の全長には、LAPD職員が発明した真空密閉角度カップリング「ボールジョイント」が取り付けられており、プローブを垂直方向と水平方向の両方に挿入・回転させることができます。実際には、コンピュータ制御の電動プローブ駆動装置と組み合わせて使用​​され、任意のプローブで背景プラズマの「平面」（垂直断面）をサンプリングします。取得できるデータ量（平面内の点数）の唯一の制限は、1Hzでのショットの記録に要する時間であるため、異なる軸方向位置にある多数の平面からなる大規模な体積データセットを作成することが可能です。

このような体積測定から作成された視覚化は、LAPD ギャラリーで見ることができます。

ボールジョイントを含め、マシンには合計 450 個のアクセス ポートがあり、その一部には光学またはマイクロ波観察用のウィンドウが取り付けられています。

その他の診断

LAPDでは、プローブ測定を補完する様々な診断装置も利用可能です。これには、フォトダイオード、マイクロ波干渉計、高速度カメラ（3ナノ秒/フレーム）、レーザー誘起蛍光法などが含まれます。

参照

参考文献

  1. ^ Gekelman, W.; Pfister, H.; Lucky, Z.; Bamber, J.; Leneman, D.; Maggs, J. (1991). 「大型プラズマ研究装置の設計、構築、および特性 − UCLAのLAPD」Review of Scientific Instruments . 62 (12): 2875– 2883. Bibcode :1991RScI...62.2875G. doi :10.1063/1.1142175. ISSN  0034-6748.
  2. ^ Gekelman, W.; Pribyl, P.; Lucky, Z.; Drandell, M.; Leneman, D.; Maggs, J.; Vincena, S.; Van Compernolle, B.; Tripathi, SKP (2016). 「改良型大型プラズマ装置：最先端基礎プラズマ物理学研究のための装置」Review of Scientific Instruments . 87 (2): 025105. Bibcode :2016RScI...87b5105G. doi :10.1063/1.4941079. ISSN  0034-6748. PMID  26931889.
  3. ^ 「US NSF - MPS - PHY - 施設とセンター」www.nsf.gov . 2020年7月29日閲覧。
  4. ^ サミュエル・ライヒ、ユージェニー (2012). 「Lab astrophysics aims for the stars」. Nature . 491 (7425): 509. Bibcode :2012Natur.491..509R. doi : 10.1038/491509a . ISSN  0028-0836. PMID  23172193.
  5. ^ Perez, Jean C.; Horton, W.; Bengtson, Roger D.; Carter, Troy (2006). 「大型プラズマ装置における渦度プローブを用いた強磁場横断せん断流の研究」. Physics of Plasmas . 13 (5): 055701. Bibcode :2006PhPl...13e5701P. doi :10.1063/1.2179423. ISSN  1070-664X.
  6. ^ 「NSF Award Search: Award#9724366 - To Upgrade a Large Plasma Device」. www.nsf.gov . 2020年7月29日閲覧。
  7. ^ Cooper, CM; Gekelman, W.; Pribyl, P.; Lucky, Z. (2010). 「新しい大面積六ホウ化ランタンプラズマ源」. Review of Scientific Instruments . 81 (8): 083503. Bibcode :2010RScI...81h3503C. doi :10.1063/1.3471917. ISSN  0034-6748. PMID  20815604.
  8. ^ Maggs, JE; Morales, GJ; Carter, TA (2004). 「実験室におけるアルヴェン波メーザー」. Physics of Plasmas . 12 (1): 013103. Bibcode :2005PhPl...12a3103M. doi :10.1063/1.1823413. ISSN  1070-664X. PMID  12906425.
  9. ^ Everson, ET; Pribyl, P.; Constantin, CG; Zylstra, A.; Schaeffer, D.; Kugland, NL; Niemann, C. (2009). 「爆発プラズマの診断のための3軸高周波磁気プローブ（Bドットプローブ）の設計、構築、および較正」Review of Scientific Instruments . 80 (11): 113505. Bibcode :2009RScI...80k3505E. doi :10.1063/1.3246785. ISSN  0034-6748. PMID  19947729.
  • 基礎プラズマ科学施設のウェブサイト


北緯34°03′39″ 西経118°26′57″ / 北緯34.0607° 西経118.4493° / 34.0607; -118.4493

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