Stefan Ullrich Engineering

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Hochempfindlicher Magnetfeld-Sensor

In Plasmen als ionisierte Gase können verschiedene Wellen auftreten. Durch die kollektive Wechselwirkung der geladenen Teilchen untereinander gibt es eine große Vielfalt solcher Wellen, besonders in magnetisierten Plasmen. Solche Plasmen spielen eine wichtige Rolle in der Astrophysik. Z.B. wird davon ausgegangen, dass im Wirkmechanismus von Sonnenprotuberanzen sogenannte Alfvenwellen von zentraler Bedeutung sind. Für ein besseres Verständnis der Wellen und vor allem der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Wellenarten werden Laboruntersuchungen als Grundlagenforschung durchgeführt. Der hier beschriebene Magnetfeldsensor kam als Hauptdiagnostik für Wechselwirkungsuntersuchungen zwischen Drift- und Alfvènwellen an der Vineta im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald zum Einsatz.

Zielsetzung: Empfindlichkeit und Frequenzbereich

Die nötige Empfindlichkeit des Sensors konnte im Vorfeld abgeschätzt werden auf mindestens 100nT im Frequenzbereich von 100Hz bis 1MHz. Diese Werte ergeben sich direkt aus den Plasmaparametern in Vineta wie Plasmadichte und Hauptmagnetfeld. Als weiterer Zielparameter ist die Sensorgröße zu nennen, die möglichst klein sein sollte, um Störungen des Plasma zu minimieren. Zur räumlichen Rekonstruktion des gemessenen Magnetfeldes muss der Sensor vektoriell arbeiten, also drei Magnetfeldkomponenten gleichzeitig aufnehmen.

Auswahl geeigneter Sensortechnologien

Um die geforderte Empfindlichkeit zu erreichen wurden drei Sensortechnologien in Betracht gezogen: Ein magnetoresistiver Sensor, ein Hall-Sensor und ein selbst gebauter induktiver Sensor. Bei einem Vergleich der Frequenzgänge der einzelnen Sensoren wurde festgestellt, dass der magnetoresistive Sensor ähnlich empfindlich ist wie der selbst gebaute Sensor, der Hall-Sensor hatte hingegen eine um Größenordnungen geringere Empfindlichkeit. Die Wahl fiel am Ende auf den selbst gebauten Sensor aufgrund der geringeren Baugröße.

Aufbau des Sensors

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Der Aufbau des Sensors ist in der Abbildung gezeigt. Folgende Details wurde berücksichtigt:

  • Für die vektorielle Aufnahme des Magnetfeldes wurden 3 Spulen gewickelt, die senkrecht aufeinander stehen. Um die Symmetrie zu wahren, wurde die 3. Spule aufgespalten und umgibt die Bx- und By-Spule als Bz-Spule.
  • Gegen elektrostatisches Pickup ist der Sondenkörper bis zum Verstärker vollständig geschirmt. Dies stellt eine große Herausforderung dar. Während die induzierten Spannungen im Bereich einiger uV bewegen, schwankt das umgebende Plasmapotential im Bereich von einigen Volt auf der gleichen Frequenz.
  • Die Sonde ist thermisch und elektrisch durch Keramik vom Plasma isoliert. Um unkontrolliertes Aufheizen und damit verbunden die Zerstörung der Sonde zu verhindern, ist im Sondenkopf ein Temperatursensor PT100 integriert. Die Plasmaquelle wird nur solange (gepulst) betrieben, bis die Temperatur 120°C erreicht hat. 
  • Zur Verstärkung der kleinen Signale wird ein rauscharmer SMD-Verstärker (THAT1512) verwendet, das den Signalpegel um +60dB anhebt. Als Besonderheit befindet sich dieser direkt in der Sondenhalterung, noch im evakuierten Bereich, ca. 15cm vom Sondenkopf entfernt.

Kalibration des Sensors

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Zunächst wurde die frequenzaufgelöste Empfindlichkeit von jedem Kanal mit einem magnetischen Testfeld ermittelt. Anschließend wurde die Sonde räumlich kalibriert. Mit einem automatischen Positioniersystem wurde zu diesem Zweck das Magnetfeld eines magnetisches Testfeldes in Form einer Zylinderspule abgefahren. Durch Vergleich der aufgenommen Signale mit der erwarteten Topografie des Magnetfeldes nach Biot-Savart konnte eine Richtungskalibrationsmatrix ermittelt werden. Als Ergebnis liefert die Sonde die magnetischen Komponenten Bx, By und Bz im kartesischen Koordinatensystems des Positioniersystems.

Anwendung: Magnetfeld einer Driftwelle

Ein erster nicht trivialer Test der Sonde war die Aufnahme des magnetischen Wellenfeldes einer kohärenten Driftwelle. Diese Wellen treten als Instabilität in gewissen Parameterbereichen der Entladung auf und führen zu Dichtefluktuationen des Plasma bis zu 10%. Neben der einfach zu diagnostizierende Dichte beinhaltet der Driftwellenmechanismus Plasmaströme parallel zum Magnetfeld, die magnetische Komponenten senkrecht zum Magnetfeld induzieren. Diese konnten mit der neu gebauten Sonde nachgewiesen werden. Die räumliche Auflösung wurde mit einem Positioniersystem erreicht, wobei als Phasenreferenz eine Langmuirsonde im Dichtegradienten des Plasmas diente, welche die Dichtefluktuationen der kohärenten Driftwelle aufnahm.

Referenz

Der Aufbau und Test des Magnetfeldsensors wird in folgendem Paper ausführlich beschrieben. Das Paper wurde am 07.06.2013 beim Journal Review of Scientific Instruments eingereicht und befindet sich derzeitig im Peer-Review-Prozess.

 

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