Departamento de F´ısica Facultad de Ciencias Universidad de Chile
Curso F´ısica Experimental
Proyecto de Trabajo Final.
“Caracterizaci´
on de una sonda tipo copa
de Faraday para medici´
on de flujo y
energ´ıa de iones en descargas en un
dispotitivo Plasma Foco de 40[J ]”
Investigador Principal:
Nombre : Piotr Reymond
Direcci ´on : Av. J.P. Alessandri #900 dpto. 21E
Tel ´efonos : (2) 238 53 91
e-mail : preymond@gmail.com
Investigadores:
Nombre : Pablo Ariza Pozo
Direcci ´on : Pje. Camilo Mori #3988
Telefonos : (2) 4938655
e-mail : ariza.pablo@gmail.com
Nombre : Piotr Reymond
Direcci ´on : Av. J.P. Alessandri #900 dpto. 21E
Tel ´efonos : (2) 238 53 91
e-mail : preymond@gmail.com
Nombre : Nicol ´as Verschueren van Rees
Direcci ´on : Juan Montalvo #55 dpto. 307
Tel ´efonos : (2) 415 36 19
e-mail : nverschueren@gmail.com
Tutor : Dr. Jos ´e Moreno.
Santiago-Chile
´
Indice
1 Introducci ´on. 1
2 Revisi ´on Bibliogr ´afica. 2
2.1 Plasma . . . 2
2.2 Dispositivo de Plasma Foco . . . 2
2.3 Copa de Faraday . . . 2
2.4 T ´ecnica de medici ´on de impedancia a trav ´es de onda reflejada . . . 3
2.5 Tiempo de Vuelo . . . 4
3 Objetivos. 5 4 Plan de Trabajo. 6 5 Material y M ´etodos. 7 5.1 Listado de Instrumentos y Materiales . . . 7
6 An ´alisis de Resultados. 8
7 Financiamiento. 9
2
Revisi´
on Bibliogr´
afica.
En esta secci ´on explicaremos brevemente aspectos fundamentales que son necesarios para enten-der en qu ´e consiste el presente proyecto.
2.1
Plasma
En f´ısica y qu´ımica, un plasma t´ıpicamente es un gas ionizado que cumple con tres coondiciones b ´asicas:
• El radio de una esf ´era de Debye (distancia a cual las cargas apantallan una fuente de potencial) es mucho mas chico que el largo caracter´ıstico del sistema,
λd<< L .
• Cabe una gran cantidad de partriculas dentro de una esf ´era de Debye.
• El tiempo de vuelo medio entre colisiones es menor que el per´ıodo dado por la frecuencia caracter´ıstica de vibraci ´on del plasma
ωτ > 1 .
Una definici ´on que suele usarse es: “Un plasma es un gas quasi-neutro de p `art´ıculas cargadas y neutras que presentan efectos colectivos”[1]. Las cargas el ´ectricas libres hacen que el plasma sea un conductor el ´ectrico, por lo tanto, tiene fuertes respuestas a campos electromagn ´eticos.
2.2
Dispositivo de Plasma Foco
Un dispositivo de Plasma Foco (PF) consiste en una m ´aquina que produce por aceleraci ´on y com-presi ´on electromagn ´etica, plasma de una vida muy corta muy caliente y denso que se convierte en una fuente de abundante multi-radiaci ´on. Adem ´as de rayos X y pulsos de neutrones, los PF es una bien conocida fuente de rayos i ´onicos energ ´eticos, de energ´ıas caracter´ısticas del orden desde cen-tenas de kiloelectronvolts, hasta decenas de megaelectronvolts[2]. La compresi ´on electromagn ´etica de un plasma se denomina como “pinch”[3].
2.3
Copa de Faraday
Consiste en un metal conductor dise ˜nado para atrapar part´ıculas cargadas en el vac´ıo. Se basa en el principio de que si sobre una superficie incide una part´ıcula cargada el resultado es un flujo de electrones y por tanto se crea una corriente. Un i ´on, al chocar sobre la superficie de un d´ınodo, que es un material emisor de particulas secundarias como el BeO, GaP ´o CsSb, induce la emisi ´on de electrones secundarios de manera temporal. Esta emisi ´on origina una corriente en la copa y da lugar a una peque ˜na se ˜nal que puede ser amplificada. Este detector es relativamente sensible pero muy robusto y de sencillo dise ˜no [4]. La figura 1 representa una copa de Faraday c ´onica de gr ´afito como la usada en el presente experimento.
Figura 1: Copa de Faraday c´
onica.
2.4
T´
ecnica de medici´
on de impedancia a trav´
es de onda reflejada
Cuando una onda mec ´anica se propaga a lo largo de una cuerda de extremo fijo, la perturbaci ´on viaja hasta alcanzar el extremo fijo, en dependencia de la densidad del material (i.e. la ”resistencia” que ´este presente a oscilar) donde est ´a fijada la cuerda, la onda se reflejar ´a sobre la cuerda en sentido inverso total o parcialmente. Por ejemplo, si la cuerda se encuentra con un extremo fijo a otra cuerda con una densidad o tensi ´on diferentes, la onda mec ´anica se propagar ´a en una parte hacia la cuerda de diferente tensi ´on, mientras que la otra parte se constituir ´a como onda reflejada.
En una analog´ıa completa a lo anterior, opera el principio de medici ´on de la impedancia por re-flexi ´on. Supongamos que enviamos una pulso a lo largo de la linea de transmisi ´on. Lo que ocurrir ´a con este pulso una vez que alcance el final de la linea de transmisi ´on, depende de la resistencia o impedancia que se encuentre en su extremo. Si existe una resistencia infinita (i.e. el medio cir-cundante) el pulso rebotar ´a por completo. Mientras que si se incorpora una resistencia conocida, existir ´an una pulso transmitido y por lo tanto el pulso reflejado ser ´a de mucho menor intensidad. La expresi ´on que gobierna este comportamiento es la siguiente:
Ir Ii
= Zc− Zl Zc+ Zl
(1)
donde Ii y Ir son las intensidades de la se ˜nal incidente y reflejada, respectivamente y Zc y Zl las impedancias de la copa de Faraday y de la linea.
Cabe destacar tres casos part´ıculares:
Zc= 0 → Ir= Ii Zc= Zl → Ir= 0 Zc= inf → Ir= −Ii
2.5
Tiempo de Vuelo
El m ´etodo de tiempo de vuelo (TOF) se utiliza para medir el tiempo que le toma a una particula, objeto o corriente en alcanzar un detector mientras viaja a trav ´es de una distancia conocida. en la espectrometr´ıa de masa de tiempo de vuelo, iones son acelerados por un campo el ´ectrico a una cierta energ´ıa cin ´etica con la velocidad del i ´on dependiendo de la relaci ´on carga/masa del electr ´on. De esta forma, el m ´etodo TOF es usado para estimar la longitud de onda dependiente de la longitud del camino recorrido por dicha onda.
3
Objetivos.
El objetivo principal de la investigaci ´on desarrollada durante el curso de F´ısica Experimental es la medici ´on de la energ´ıa y del flujo de iones emitidos por la descarga en un Plasma Foco de baja energ´ıa (400[J ]). Como aparato de medici ´on se usan dos copas de Faraday, una copa m ´ovil en el eje del PF y la otra fija en un ´angulo de ???? de ´este. En el proceso se espera lograr los siguientes objetivos secundarios:
• Caracterizaci ´on de las copas de Faraday,
• Uso de la copa de Faraday axial en aplicaci ´on de la t ´ecnica de medici ´on de energ´ıa “Tiempo de vuelo”,
• Mediciones de flujo de iones originados en descargas en Hidr ´ogeno,
• Mediciones de flujo de iones originados en descargas en Hidr ´ogeno dopado con Arg ´on (5% y 20%),
• Concepci ´on de un electrodo de configuraci ´on tipo Mather para descargas en Metano, • Mediciones de flujo de iones originados en descargas en Metano.
4
Plan de Trabajo.
La ejecuci ´on del proyecto tiene lugar entre el mi ´ercoles 30 de abril y el mi ´ercoles 11 de junio, los d´ıas de medici ´on son los mi ´ercoles de cada semana, durante el resto de la semana el tiempo se usar ´a en el an ´alisis de los datos obtenidos. Excluyendo el d´ıa festivo del 21 de mayo, esto deja un total de 5 sesiones de medici ´on, las cuales se reparten seg ´un lo expuesto en la siguiente carta Gantt:
Tabla I: Carta Gantt de la distribuci´
on del tiempo del proyecto.
A continuaci ´on se describe brevemente cada uno de los seis objetivos espec´ıficos ya especifica-dos en la secci ´on 3.
• Durante la primera sesi ´on se pretende medir la impedancia por reflexi ´on de la copa de Fara-day, una vez alcanzado este objetivo, se proceder ´a a tomar mediciones sobre el dispositivo plasma foco de baja energ´ıa, cuya cavidad se encontrar ´a rellenada con hidr ´ogeno, las medi-ciones deber´ıan revelar qu ´e tipo de iones se encuentran en las descargas, el tiempo de vuelo a diferentes distancias del medidor.
• Durante la segunda sesi ´on, se repetir ´an las mediciones hechas para el hidr ´ogeno, esta vez para una mezcla de hidr ´ogeno con otros gases, esto traer ´a complicaciones adicionales en el an ´alisis de los datos (por ejemplo, traslape de los peak, en la identificaci ´on de los iones involucrados).
• Durante la tercera sesi ´on se inicia, la parte final del proyecto, la cual consiste en repetir las mediciones hechas sobre la c ´amara rellenada con metano, para lo cual ser ´a necesario mod-ificar el montaje experimental, por lo cual aqu´ı se espera comenzar a la fabricaci ´on de las piezas que permitan la medici ´on final en metano. Durante esta sesi ´on se analizar ´an los datos obtenidos en la mezcla de hidr ´ogeno y gases y se comenzar ´a la construcci ´on del montaje final. • Tras el d´ıa festivo, el montaje debiera encontrarse listo para realizar las mismas mediciones en metano, este proceso se llevar ´a a cabo de manera mucho m ´as minuciosa, pues aqu´ı se pretende revalidar lo que dice la reciente publicaci ´on [2], esta tarea debiera llevarse a cabo durante las sesiones restantes, en las cuales adicionalmente se har ´a un recuento de los datos encontrados en las mediciones anteriores.
5
Material y M´
etodos.
5.1
Listado de Instrumentos y Materiales
• Un Plasma Foco (P.F.) de 400[J]:
6
An´
alisis de Resultados.
7
Financiamiento.
• Comisi ´on Chilena de Energ´ıa Nuclear, Departamento de Plasma Termonuclear. • Escuela de Pregrado, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile.
8
Bibliograf´ıa.
[1] F. Chen, Introduction to Plasma Physics, Tercera Edici ´on, Plenum Press, Nueva York y Londres, 1974.
[2] H Bhuyan, H Chuaqui, M Favre, I Mitchell and E Wyndham - Ion beam emission in a low energy plasma focus device operating with methane.
[3] Leopoldo Soto - New trends and future perspectives on plasma focus research
[4] P ´agina del consejo superior de investigaciones cient´ıficas de Espa ˜na: http://niobio.grasa.csic.es/
