تشخيص البلازما

لا يلاقي المهندس او الباحث اية صعوبات عند دراسة الغاز العادي وتحديد صفاته الفيزيائية وتركيبه مثلا فأي ترمومتر او بيرومتر يقيس درجة الحرارة الغاز كما يقيس المانومتر ضغطه اما مقاييس الجريان لجمل الغاز المختلفة فتقيس سرعة ومقدار التدفق واخيرا تسمح الطرق الكيميائية والطرق الفيزيائية . الكيميائية المعدة لتحليل الغاز بتعين تركيبه الكيميائي اما مع البلازما فالأمر مختلف فهنا يتحول كل قياس الى مشكلة قائمة بذاتها وهنالك عدد غير قليل من الحالات المعروفة التي فيها تقاس درجة حرارة البلازما ذاتها بطرق متعددة وفي كل مرة تكون نتيجة القياس مختلفة عن المرات الاخرى بفارق قد يبلغ عشرات الاضعاف احيانا ولانبالغ اذا قلنا انه ليس كل باحث في البلازما يعرف بدقة ولو مقدار اساسيا من مقادير البلازما مثل كثافة او تركيز الجسيمات المشحونة فيها.

ولهذا السبب بالذات فات تحديد المميزات الفيزيائية للبلازما خلافا لما هو متبع بالنسبة لغاز عادي لا يرد ببساطة الى تقنية القياس فطرق تعين درجات الحرارة والكثافة وتركيب البلازما تعد موضوعا دراسيا يشكل فرعا هاما في الفيزياء التجريبية للبلازما وفقا لقراءات اجهزة القياس صعب كصعوبة وضع تشخيص لمرض حسب معطيات معاينة المريض فاذا كان الغاز العادي يجيب بكل طواعية على اسئلة المعالج فان البلازما على الاغلب تتمتم كما في حالة تطبيب حيوان غير ناطق لذلك وعلى الارجح يمكن مقارنة عمل باحث البلازما بعمل الطبيب البيطري وهو عمل فيه كثير من الاجتهاد والتقدير.

يمكن استخدام عدد من الظواهر الفيزيائية الجارية في البلازما بهدف التشخيص وسوف نصادف مثل هذا التشخيص اثناء عرض كتابنا هذا. وسنقدم هنا موجز عاما لطرائق التشخيص والتي سوف يمر توضيح اسسها الفيزيائية بتفصيل قيما بعد.

عند عدم وجود حقل مغناطيسي خارجي يمكن تركيز الالكترونات ودرجة حرارة البلازما في آن معا بواسطة المسبر الكهربائي (او مسبر لانغمور) هذه الطريقة تعتمد على ظاهرة الاستقطاب في البلازما . حيث يدخل الى البلازما ومسبر معدني (الشكل 1) وتقاس العلاقة بين شدة التيار المار في المسبر والكمون المطبق عليه (المنحني المميز الفولت- امبير كما في الشكل 2) وتظهر هنا بشكل واضح صفة هامه للبلازما وهي انها لا تخضع لقانون اوم اي ان شدة التيار لا تتعين بالناقلية وانما بالاستقطابية فعند الكمونات الموجبة الكبيرة ينتهي التيار الى قيمة حدية لا تتعلق بالكمون هذا التيار الحدي يدعى تيار الاشباع وهو يتعين بمقدار الشحنة التي يحملها الالكترونات المتصادمة مع سطح المسبر نتيجة لحركتها الحرارية. اذا كانت السرعة الحرارية للإلكترونات معلومة فانه يمكن من تيار الاشباع ايجاد تركيز الالكترونات في البلازما. يتم حساب السرعة الحرارية من درجة حرارة الالكترونات التي تحسب من ميل المنحني المميز الفولت – أمبير.

الشكل (1) مخطط قياس تركيز الالكترونات ودرجة حرارتها في انفراغ غازي بواسطة مسبر كهربائي C,A قطبا انبوبة الانفراغ (مصعد ومهبط) اللذان يثيران الانفراغ في الغاز. P –مسبر كهربائي. V لمقياس فولط و A مقياس امبير . في الاسفل – منبع التغذية (او الجهد) المطبق على المسبر عبر مقاومة متغيرة تسمح بتغير هذا الجهد.

الشكل (2) مميزة الفولط- امبير لمسبر كهربائي.

Iتيار المسبر، V- كمون المسبر بالنسبة للمصعد ، الجزء BD – تيار الاشباع .

يعطى تيار الاشباع بالعلاقة:

حيث  مساحة سطح المسبر، e- شحنة الالكترون، ne- عدد الالكترونات في وحدة الحجم او الكثافة العددية، السرعة الوسطية للإلكترونات في اتجاه واحد وهي ترتبط بدرجة حرارة الالكترونات Te بالعلاقة ⁽¹⁾ 

حيث m كتلة الالكترون.

يمكن تعين درجة حرارة الالكترون بواسطة المنحني المميز الفولت. امبير في المجال الذي يكون فيه كمون المسبر بالنسبة للبلازما سالبا. في هذا المجال يدفع المسبر الالكترونات عنه ويمكن ان تبلغ سطح المسبر فقط تلك الالكترونات التي تملك طاقة حركية حسب توزيع بولتزمان كافية لاجتياز فرق الكمون V-VO حيث V- كمون المسبر، Vo – كمون البلازما.

ومن هنا يكون

تصدر البلازما الكثيفة جدا اشعاعا حراريا عاديا ويمكن تعيين درجة حرارتها بطرائق قياس درجات الحرارة العالية (البارومترية) وهي طرائق ضوئية طيفية تعطي الكثير من المعلومات القيمة عن درجة حرارة وتركيب البلازما وتركيزها . ولدراسة البلازما يتم نشر الاشعاع الصادر عنها وفق طيف. ويكون طيف البلازما عادة اكثر تعقيدا من طيوف الغازات والاجسام الصلبة فطيف الغاز يتكون من خطوط طيفية مستقلة ويكون طيف الحسم الصلب مستمرا متصلا بينما تصدر البلازما طيفا مركبا من خطوط متفردة محمولة على طيف متصل ضعيف نسبيا.

اذا بقيت في البلازما جزئيات سليمة بالإضافة للذرات ظهر في الطيف ايضا عصابات جزيئية عريضة الى جانب الخطوط الضيقة ويصبح الشكل النموذجي لطيف البلازما كما هو مبين في الشكل 5 وحسب اماكن توضع الخطوط الطيفية على الرسم يمكن تحديد التركيب الكيميائي النوعي للبلازما. فمثلا عندما تكون البلازما الحارة على تحاك مع الجدران فانه يظهر في الطيف وبشكل سريع خطوط طيفية مميزة لتلك الذرات التي تتكون منها مادة الجدران.

ومع رفع درجة الحرارة تثار الكترونات الذرات الى مدارات خارجية اكثر بعدا وحسب العلاقة بين شدات الخطوط الطيفية الصادرة عن سويات طاقية مختلفة الارتفاعات يمكن ان نحكم على درجة حرارة البلازما وعند درجات الحرارة المرتفعة ينفصل عن الذرات المعقدة بعض الالكترونات وتنتج ايونات متعددة الشحنات يمكن الاستدلال عليها بالخطوط الجديدة التي تظهر في الطيف ( وهي الخطوط الخاصة بهذه الايونات) .

الشكل (3) الطيف النموذجي للبلازما. الخطوط : ذرة الهيدروجين H- ، ايون الاكسجين احادي الشحنة CH,OH جذر الهيدروكربون . تدل الارقام على اطوال الامواج بوحدة الأنكستروم (A )

ان ظهور خطوط للأيونات متعددة الشحنات يشهد على وجود بلازما مرتفعة الحرارة ويقدم امكانية اعطاء تقدير تقريبي عن درجة حرارتها يتعلق عرض الخطوط الطيفية في البلازما الحارة المتخلخلة بدرجة الحرارة كما ان يتعلق في حالة البلازما الباردة بتركيز الجسيمات المشحونة⁽²⁾.

تتعلق شدة الطيف المستمر بتركيز الجسيمات اكثر مما تتعلق بدرجة الحرارة ويمكن استخدامها من اجل تعين تركيز الالكترونات في مجال محدد من درجات الحرارة. وتبقى طرائق تعيين درجة الحرارة صالحة فقط ضمن الشروط التي تبقى فيها البلازما متوازنة حراريا. وفي البلازما المتخلخلة جدا. حيث لا يوجد مثل هذا التوازن يصبح مفهوم درجة الحرارة بحد ذاته غير محدد ويبقى الحديث عن درجة حرارة الفراغ ما بين النجوم مثلا مجرد اصطلاح لا اكثر حيث ان معنى درجة الحرارة يتعلق بالفكرة التي يتضمنها هذا المفهوم في مثل هذه الحالات.

ان الحقل المغناطيسي الداخلي وثيق الارتباط بالبلازما الى حد شدته يجب ان تدخل في عداد المقادير الفيزيائية التي تميز البلازما ويعد قياس الحقول المغنطيسية مسألة هامة في تشخيص البلازما لهذا الغرض يستخدم المسبر المغنطيسي وهو عبارة عن سلك على شكل عروة تدخل في البلازما (الشكل 4) . يهيج الحقل المغنطيسي المتناوب للبلازما في العروة تيار دائريا الذي يتم تسجيله بواسطة راسم اشارة (Oscilloscope) .

بمعرفة توزع الحقول المغنطيسية وبالاعتماد على قوانين الالكتروديناميك يمكن حساب توزع التيارات في البلازما لكي نقيس كثافة التيار مباشرة يستخدم حزام روغوفسكي الذي يقوم على التيار المراد قياسه يولد حوله حقلا مغنطيسيا دواميا وهذا الحقل يحرض في الملف تيار جديدا.

الشكل (4)

من اجل الحقول المغنطيسية الضعيفة في بلازما الشمس يتم الاعتماد على استقطاب الضوء الصادر في حقل مغنطيسي بأشكال مختلفة تتعلق بمركباته المتعددة والتي ينشطر وفقها الخط الطيفي .

يلاحظ حصول تذبذبات او تغيرات في شدة الخطوط الطيفية عند اطرافها في حقل مغنطيسي وذلك عند استخدام مقطب دوار يمرر الضوء بهذا الاتجاه الاستقطابي تارة وبذاك الاتجاه تارة اخرى .

تشهد هذه التذبذبات على ان الخط الطيفي ينقسم الى مركباته وفق اتجاهات استقطابها المختلفة لكن هذا الانقسام مموه بتوسع الخط الطيفي تشكل سعة تذبذبات شدة الضوء عند تدوير المقطب معيار لشدة الحقل المغنطيسي في البلازما وقد صنع على هذا الاساس جهاز مميز هو الراسمة المغنطيسية الشمسية التي بواسطتها تقاس الحقول المغنطيسية المتناوبة الضعيفة الشدة على سطح الشمس ولا تصلح هذه الطريقة في حالة القياسات المخبرية نظرا لضعف الحجم المضيء وللتغير السريع في حالة البلازما.

____________________________________

(1) درجة الحرارة مقدرة بوحدات الطاقة.

(2) يتعلق عرض الخطوط الطيفية في البلازما الحارة المتخلخلة بمفعول دوبلر اما في البلازما الباردة فيتعلق بالأفعال المتبادلة بين الجسيمات عند اقترابها بعضها من بعض وتصادماتها (التعرض الصدمي وتعرض ستارك Stark (وهو التعرض الناتج عن تأثير الحقل الكهربائي على الخطوط الطيف )).