Πως μετράμε την πολύ υψηλή θερμοκρασία που επικρατεί στην κατάσταση πλάσματος;

Συχνές ερωτήσεις, Σεπτέμβριος 2003

Μια από τις πιο ισχυρές διαγνωστικές μεθόδους για την κατανομή των ταχυτήτων των ηλεκτρονίων σ' ένα πλάσμα θερμοκρασίας εκατομμυρίων βαθμών, είναι η σκέδαση του φωτός από τα ηλεκτρόνια. Δεν διαταράσσει το πλάσμα και μας δίνει λεπτομερείς πληροφορίες για την κατανομή των ενεργειών των ηλεκτρονίων και μερικές φορές και των ιόντων του πλάσματος.

Στους πειραματικούς θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες, που είναι γνωστοί ως Tokamac, επικρατούν θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών. Στη θερμοκρασία αυτή τα άτομα έχουν απογυμνωθεί από τα ηλεκτρόνιά τους και η κατάσταση αυτή είναι γνωστή ως κατάσταση πλάσματος. Το πλάσμα συγκρατείται μέσα στο Tokamac με τη βοήθεια μαγνητικών πεδίων που το περιορίζουν σε συγκεκριμένο χώρο. Στις συνθήκες αυτές επιτυγχάνεται η θερμοπυρηνική σύντηξη. Πυρήνες δηλαδή βαρέως υδρογόνου, που είναι γνωστό ως τρίτιο, αντιδρούν και συνενώνονται και κατά την αντίδραση αυτή ελευθερώνονται πολύ μεγάλες ποσότητες ενέργειας. 

Για να μετρήσουμε την τεράστια θερμοκρασία που επικρατεί στο πλάσμα, δεν είναι βέβαια δυνατόν να χρησιμοποιήσουμε οποιοδήποτε συμβατικό θερμόμετρο, αφού στη θερμοκρασία αυτή κάθε υλικό έχει ήδη λιώσει αρχικά και έχει μετατραπεί σε πλάσμα.

Ο μόνος γνωστός τρόπος για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων του πολύ θερμού πλάσματος είναι η σκέδαση Thomson.

Η σκέδαση Thomson είναι σκέδαση φωτός από φορτισμένα σωματίδια, τα ηλεκτρόνια, και μπορούμε να την αντιληφθούμε ως εξής:

Ας θεωρήσουμε ένα προσπίπτον ηλεκτρομαγνητικό κύμα πάνω σ' ένα φορτισμένο σωματίδιο. Ως αποτέλεσμα του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου του κύματος το σωματίδιο επιταχύνεται. Το φορτισμένο σωματίδιο καθώς επιταχύνεται εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προς όλες τις κατευθύνσεις.

Αυτή η ακτινοβολία είναι το σκεδαζόμενο κύμα. Το αποτέλεσμα της σκέδασης του φωτός εξαρτάται από την ενέργεια των ηλεκτρονίων με τα οποία αλληλεπιδρά. Έτσι η σκέδαση μας επιτρέπει να βγάλουμε συμπεράσματα για την ενέργεια των ηλεκτρονίων του πλάσματος. 

Δυστυχώς η σκέδαση αυτού του τύπου δεν είναι έντονη, με αποτέλεσμα, το σήμα που παίρνουμε να είναι πολύ αδύνατο. Το φωτεινό σήμα είναι δύσκολο να παρατηρηθεί απέναντι στο φωτεινό υπόβαθρο του πολύ θερμού πλάσματος. Είναι σα να προσπαθείς να παρατηρήσεις το φως που εκπέμπεται από τα αέρια που αφήνει ένα τζετ που διασχίζει τον ουρανό, απέναντι στο φωτεινό υπόβαθρο του ουρανού κατά την ανατολή του ήλιου. Έτσι η μέθοδος αυτή αν και είναι η μοναδική παρουσιάζει μεγάλες τεχνικές δυσκολίες. 

Μια σημαντική βελτίωση της μεθόδου επήλθε με τη χρήση δέσμης λέιζερ, η οποία μπορεί να έχει πολύ μεγαλύτερη ένταση από τις συμβατικές πηγές φωτός.