2-3 مرحله تراکم شعاعی8

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

2-4 مرحله پلاسمای چگال و کانونی شدن9
2-5 مرحله وقوع ناپایداری و فروپاشی پینچ10
3- تحلیل مراحل کار پلاسمای کانونی11
3-1 مدل جاروبی یا برف روبی11
3-2 مدل قطعه ای13
4- دستگاه نانوفوکوس14
فصل دوم: طراحی22
1- مقدمه23
2- مراحل طراحی یک دستگاه پلاسمای کانونی24
2-1 محاسبه پارامترهای الکتریکی و دوره تناوب تخلیه25
2-2 محاسبه شعاع آند26
2-3 محاسبه طول موثر آند27
2-4 محاسبه طول عایق و شعاع داخلی کاتد27
3- طراحی دستگاه پلاسمای کانونی کوچک 20 ژول30
3-1 انتخاب سیستم تغذیه الکتریکی مناسب و دوره تناوب تخلیه30
3-2 طراحی الکترود داخلی (آند)31
3-3 طراحی الکترود خارجی (کاتد) و عایق بین الکترود ها33
3-4 طراحی سیستم الکتریکی دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول37
3-4-1 منبع تغذیه و بانک خازنی37
3-4-2 سیستم کنترل37
3-4-3 طراحی سیستم های تخلیه و دمش گاز38
4- سیستم های آشکارسازی و ثبت اطلاعات40
فصل سوم: ساخت، نصب و راه اندازی41
1- مقدمه42
2- ساخت، نصب و راه اندازی دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول45
2-1 قسمت مکانیکی دستگاه 20 ژول47
2-2 سیستم تخلیه و دمش گاز49
2-3 سیستم الکتریکی دستگاه50
2-4 نصب و راه اندازی و آزمایشات اولیه57
3- پایش پرتوی61
فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری62
مراجع :66
فهرست شکل ها
شکل 1-1 ) نمای شماتیک دو دستگاه پلاسمای کانونی3
شکل 1-2) دو نمونه از تصاویر مربوط به کاربرد پلاسمای کانونی5
شکل1-3)طرحی از پلاسمای کانونی و مدار مربوط به آن7
شکل 1-5) نمایی از دستگاه نانوفوکوس15
شکل 1-6) تصویر بیرونی دستگاه نانوفوکوس16
شکل 1-7)17
شکل 1-8) سیگنال های الکتریکی مربوط به ولتاژ، مشتق جریان و جریان18
شکل 1-919
شکل 2-1) بلوک دیاگرام کلی طراحی دستگاه های پلاسمای کانونی28
شکل 2-2)‌ تصویری از بالا از دستگاه29
شکل 2-3) میله آند همراه با عایق دور آن و لایه تفلون جدا کننده32
شکل 2-4) برشی عمودی از دستگاه35
شکل3-1) دستگاه پلاسمای کانونی کوچک 20 ژول که بر روی میز استیل دو طبقه نصب شده است.46
شکل 3-2) اندازه های قسمت های مختلف دستگاه بر حسب میلی متر48
شکل 3-3) سیستم کلی دستگاه 20 ژول50
شکل3-4) نمای تابلو فرمان52
شکل 3-5) شمای دستگاه کنترل الکترونیکی54
شکل 3-6) بلوک دیاگرام کلی دستگاه55
شکل 3-7) شمای کلی از طرح دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول56
شکل3-8) نمونه ای از سیگنال مشتق جریان58
شکل 3-9) نمونه ای ازسیگنال مشتق جریان59
شکل 3-10) نمونه ای ازسیگنال جریان59
شکل 3-11) تغییرات فرکانس تخلیه با فشار در ولتاز تخلیه 16 کیلو ولت60
شکل 3-12) آرایش TLDهای نصب شده در اطراف دستگاه20 ژول61
فهرست جدول ها
جدول1-1مشخصات دستگاه های پلاسمای کانونی موجود در مرکزCCHEN20
جدول 2-1) مشخصات الکتریکی چند دستگاه پلاسمای کانونی24
جدول3-1) اسامی برخی از وسایل موجود در آزمایشگاه پلاسمای کانونی کوچک در پژوهشکده فیزیک پلاسما43
جدول 3-2) مشخصات دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول47
فصل اول
عملکرد
پلاسمای کانونی
1- مقدمه:
1-1 دستگاه پلاسمای کانونی1:
پلاسمای کانونی دستگاهی از خانواده Z-پینچ2های دینامیک است. این دستگاه از دو الکترود هم محور تشکیل می شود که در پایین به وسیله یک عایق از هم جدا می شوند و الکترود بیرونی نقش کاتد و الکترود داخلی نقش آند را بازی می کندو فضایبین آن ها را گازی با فشار پایین پر کرده است.]2و1[
الکترود ها معمولا از جنس مس یا فولاد ضد زنگ ساخته می شوند. جنس عایق در این دستگاه ها ممکن است، چینی، سرامیک، یا تفلون باشد.در این دستگاهاعمال یک ولتاژ بالا به شکل پالسی بیناین دو الکترود هم محور سبب وقوع تخلیه الکتریکی بین دو الکترود میشود که در نتیجه آنیک ستون پلاسمای داغ(با دمای در حدود چند کیلو الکترون ولت)، چگال (در حدود 3-cm1019 -1018) وبا عمر کوتاه (درحدودns200-50) بر روی محور الکترود داخلی تولید میگردد.
این دستگاه در دهه 1960 میلادی به طور مستقل توسط فیلیپوف3 در شوروی و مدر4 در ایالات متحده آمریکا به دو مدل متفاوت طراحی و ساخته شد که به نام مخترعینشان نامیده می شوند. تفاوت این دو مدل در نسبت طول الکترود داخلی(L)به قطرآن(D) است.درنوع فیلیپوف 1L/D< (در حدود 2/0 یا کمتر) و در نوع مدر 1L/D> (در حدود 5 یا بیشتر) است(شکل 1-1)]2و1[
این اختلاف منجر به تفاوت هایی در فرآیندهای فیزیکی به ویژه در مرحله اول تخلیه می شود، اما در نهایت شاهد نتایج مشابهی در هر دو نوع هستیم. یعنی تشکیل پلاسمایی داغ و چگال با مشخصات ذکر شده در پاراگراف بالا، که منبعی غنی از انواع مختلف تابش های نوترونی، الکترومغناطیسی، الکترونی، پرتو ایکس 5نرم و سخت و انواع پدیده های پلاسمایی است.]3[
همچنین دستگاههای پلاسمای کانونی ترکیبی (هیبرید) با نسبت های2-1L/D= نیز ساخته شده اند.]5و4[
پلاسمای کانونی ماشینی ارزان و کارآمد برای مطالعه امواج ضربه، پدیده پینچ و کانونی شدن، ناپایداریهای مختلف پلاسما و پدیده های متعدد دیگری است که در آن پلاسما می تواند تا شرایط گداخت گرم شده و مقادیر قابل ملاحظه ای پرتو ایکس نرم و سخت، انواع یون های پرانرژی، پرتوهای الکترون نسبیتی و در صورتی که گاز به کار رفته حاوی دوتریم باشد،نوترون های حاصل از گداخت هسته ای گسیل نماید]6[.

شکل 1-1 ) نمای شماتیک دو دستگاه پلاسمای کانونی
]2و1[
1-2 کاربرد های پلاسمای کانونی:
در سال های اخیر پلاسمای کانونی کاربردهای بسیار زیاد پژوهشی، صنعتی و پزشکی یافته که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد]9-6[.
1- برخی از کاربردهای پزشکی مربوط به این دستگاه ها:
رادیو گرافی با پرتو x
رادیو گرافی با نوترون های سریع
کاربرد بعنوان چشمه مولد پرتوx یا نوترون در درمان بیماران
تولید ایزوتوپ های با عمر کوتاه برای کاربردهای پزشکی
کاربردهای زیست پزشکی مثل میکروسکوپی با پرتو x و فعال سازی آنزیم ها
2- برخی از کاربردها در صنایع غیرهسته ای:
لیتوگرافی با استفاده از پرتو x
تست قطعات الکترونیک با استفاده از پرتو x
کاربرد در اکتشاف منابع زیرزمینی مانند نفت و ذغال سنگ
بررسی فشردگی مغناطیسی مواد و ماشین کاری در ابعاد میکرومتر
کاشت یونی
3- برخی از کاربردهای آن در سیستم های هسته ای:
کاربرد در سیستم های هیبرید شکافت-گداخت به عنوان چشمه نوترون
تست قطعات بدنه و اجزای داخلی راکتورهای گداخت و وسایل تشخیصی بکار رفته در این دستگاه ها در محل خودشان
تولید کننده نیروی محرکه سفینه های فضائی
4- کاربردهای دیگر
تحقیقات در زمینه فیزیک پلاسمای پایه و فیزیک ستارگان(برای شبیه سازی فرایندهای آستروفیزیکی)
آموزش دانشجویان و پژوهشگران فیزیک پلاسما
درشکل 1-2 دو تصویر از کاربردهای پلاسمایکانونی آورده شده است. این تصاویر مربوط به رادیوگرافی پرتو x و نوترون های حاصل از پلاسمای کانونی برای کاربرد در اکتشاف (برای تشخیص موادی که دارای هیدروژن هستند) است.]5و4[

شکل 1-2) دو نمونه از تصاویر مربوط به کاربرد پلاسمای کانونی: تصویرسمت چپ: رادیوگرافی توسط پرتو x و تصویرسمت راست: کاربرد نوترون ها در تشخیص مواد هیدروژنه]5و4[
برای کاربردهای مختلف مهندسی و پزشکی به دلایل مختلف از جمله برای کاهش مشکلات فنی و شار بسیار زیاد پرتوها که به ویژه در موارد استفاده های پزشکی نیازی به آن نیست، به دستگاهی که به راحتی قابل جابه جایی (و طبیعتا با ابعاد کوچک و انرژی کمتر)، قابل اطمینان، دارای نرخ تکرار بالا (همراه با تغییرات نسبتا کم در انجام تخلیه هایی با شرایط اولیه یکسان) و با طول عمر زیاد باشد نیاز است. در سالیان اخیر گروه های تحقیقاتی مختلفی تلاشهای زیادی برای توسعه دستگاه های پلاسمای کانونی قابل حمل در محدوده انرژی های از کمتر از یک ژول تا چند ده ژول انجام داده اند.]11و10[
دستگاههای پلاسمای کانونی با انرژیهای بانک خازنی کمتر می توانند با نرخ های تکرار بسیار بالاتر کار کنند. همچنین دستگاههای پلاسمای کانونی کوچک برای تحقیقات پلاسما جالب توجه هستند و برای کاربرد به عنوان چشمه های پالسی پرتوهای مختلف بسیار مناسبند، چرا که نسبت به منابع سنتی رادیواکتیو، آلودگی کمتری دارند. تابش پالسی(نوترونها و پرتو ایکس) از پلاسمای کانونی دارای طول زمانی چند ده تا چند صدنانو ثانیه است]8[.
2- اصول عملکرد دستگاه پلاسمای کانونی:
مراحل مختلف عملکرد دستگاه پلاسمای کانونی عبارتند از]6[:
1- مرحله شکست و تخلیه سطحی
2- مرحله رانش محوری6
3- مرحله تراکم شعاعی
4- مرحله پلاسمای چگال و کانونی شدن
5- مرحله وقوع ناپایداری و فروپاشی پینچ
شکل1-3)طرحی از پلاسمای کانونی و مدار مربوط به آن. تشکیل پینچ پلاسمایی در چند مرحله صورت می گیرد: شروع شدن تخلیه از سطح عایق، شتابدار شدن لایه جریان در راستای الکترودها و فشردگی شعاعی و تشکیل پینچ]12[
2-1 مرحله شکست و تخلیه سطحی
در مرحله اول با بسته شدن کلید اختلاف پتانسیل زیادی بین دو الکترود اعمال می شود که در صورت مناسب بودن شرایط باعث تخلیه الکتریکی در گاز داخل محفظه روی سطح عایق جدا کننده دو الکترود می گردد، در نتیجه اثر پوستی یک لایه جریان بر روی سطح عایق شکل میگیرد. این مرحله شکست و تخلیه سطحی بسیار مهم است زیرا رفتارهای بعدی تخلیه به کیفیت لایه جریان تشکیل شده در این مرحله بستگی دارد.
طبیعی است که کمینه ولتاژی برای شکست وجود د اردکه این ولتاژ شکست از قانون پاشن7 بهدست می آید]14و13و6[.
این لایه جریان یک میدان مغناطیسیB ⃗ را ایجاد میکند که نیروی لورنتسیJ ⃗×B ⃗ وارده از طرف آن بر لایه جریان باعث جدا شدن لایه جریان از عایق میشود.در اینجا مرحله شکست به پایان میرسد.]6[

2-2 مرحله رانش محوری
این مرحله با جدا شدن لایه جریان از عایق شروع میشود.لایه جریان که بطور شعاعی از الکترود داخلی به الکترود خارجی جاری می گردد بر اثر نیروی لورنتس در راستای محور شتاب میگیرد.به علت وابستگی 1/r میدان مغناطیسی به شعاع،نیروی لورنتسی با افزایش فاصله از الکترود داخلی کمتر میشود.
بنابراین شکل لایه جریان تخت نبوده و به صورت تابعی از (r,z) دارای انحنا است، (شکل 1-3 ) وهمان طوری که مشاهده می شود دارای تقارن محوری بوده و شکل آن به صورت سهمیوار خواهد شد. این مرحله در پلاسمای کانونی نوع فیلیپوف وجود نداردو هنگامی که لایه جریان به انتهای آند میرسد پایان مییابد.]14و13و6[.

2-3 مرحله تراکم شعاعی
این مرحله با رسیدن لایه جریان به انتهای الکترود داخلی شروع میشود و بعد از آن یک انتهای لایه جریان روی الکترود خارجی حرکت کرده و انتهای دیگر آن روی سطح افقی الکترود داخلی به حرکت خودادامه میدهد و گاز پیش روی خود را جاروب میکند. در این مرحله شکل لایه جریان شبیه یک قیف است. زمانی که ستون پلاسما به کمینه شعاع میرسد متناظر با بیشینه چگالی بوده (3-cm 1019) و این مرحله به پایان میرسد]6[.
در صورتی که برای تحلیل این مرحله از مدل برفروبی8 استفاده شود، مقدارمحاسبه شده شعاع ستون پلاسما در پایان آن برابر صفر خواهد بود که از نظر فیزیکی مردود است. در آن مدل فرض می شود که وقتی لایه جریان شتابدار در جهت محوری در مکان z است، همه جرم انباشته شده در آن در نقطه z قرار دارد و با وجود این که مرحله رانش محوری را به خوبی تحلیل می کند اما همان طوری که در بالا شرح داده شد برای تشریح مرحله تراکم شعاعی مناسب نیست. برای رفع این مشکل لی9 یک مدل قطعه ای10پیشنهاد کرده که در قسمت های بعد توضیح داده خواهد شد]14و13و6[.

2-4 مرحله پلاسمای چگال و کانونی شدن
در نتیجه تراکم شعاعی یک ستون پلاسمای داغ و چگال (پینچ) در یک ناحیه کوچک حول محور استوانه و در مجاورت آند تشکیل می شود. اندازهگیری های تجربی نشان داده اند که در لحظه وقوع پینچ، در منحنی جریان و مشتق جریان افت ناگهانی و در منحنی ولتاژ افزایش ناگهانی مشاهده می گردد که این علامت یک پینچ خوب است، بنابراین تراکم بیشینه پلاسما باید نزدیک به قله جریان رخ دهد،جریان در پینچ به انرژی مولد توان پالسی بستگی دارد و مقادیر آن از دهها کیلو آمپر تا چند مگا آمپر تغییرمی کند]14و13و6[.

2-5 مرحله وقوع ناپایداری و فروپاشی پینچ
در نهایت ستون پلاسمای داغ و چگال تشکیل شده به سرعت بر اثر ناپایداری های m=0 تخریب خواهد شد(در مدت زمان حدود 200-50 نانو ثانیه)]15و6[.
مراحل ذکر شده در اغلب این دستگاه ها چند میکروثانیه و در دستگاه های سریع جدید کمتر از ns500 طول می کشد]14و13[.
با وجود اینکه دستگاه های پلاسمایکانونی در گستره وسیعی از انرژی کار می کنند اما پارامترهای پلاسما (دما و چگالی الکترونی) در آنها تقریبا ثابت باقی می مانند.

مقدار سرعت لایه جریان نیز در عملکردبهینه همه PF ها تقریبا مساوی ( در مرحله محوری از مرتبه1-ms105×1 و در مرحله تراکم شعاعی از مرتبه1-ms105×2) است.
این دو ویژگی ناشی از دو پارامتری هستند که در گستره وسیعی از دستگاه های پلاسمای کانونی(از چند صد ژول تا مگا ژول) تقریبا ثابت باقی می مانند که عبارتند از:
پارامتر راه انداز11I_0⁄(ap^(1/2) ) و چگالی انرژی 28E⁄a^3 که درآنها E انرژی ذخیره شده در بانک خازنی بر حسب ژول، I_0 بیشینه جریان بر حسب کیلو آمپر، a شعاع آند بر حسب سانتی متر و p فشار گاز برای مقدار بهینه تولید نوترون بر حسب میلی بار هستند.
برای دستگاه های نوع مدر که در ناحیه بهینه گسیل نوترونی کار می کنند مقدار پارامتر راه انداز در محدودهkA/〖cm.mbar〗^(1/2) 7±77 و مقدار چگالی انرژی دارای مقداری از مرتبهJ/m^3 1010×(10-1)است ]16و10و5[.
با استفاده از مدل برفروبی برای مرحله محوری و مدل قطعه ای برای مرحله شعاعی زمانهای گذار محوری و شعاعی(به ترتیب، زمان لازم برای رسیدن لایه جریان به بالای آند و زمان لازم برای فشردگی شعاعی جهت کانونی شدن) برای جبهه موج ضربه ای پلاسما برابرند با:

(1-1)[(4π^2 (c^2-1))/(ηLn(c))]^(1/2) (z_. ρ_.^(1/2))/((I_(0/a) ) ) ‏t_a=
(1-2)t_r=[(16π^2)/η(γ+1) ]^(1/2) (aρ_.^(1/2))/((I_(0/a) ) )
3- تحلیل مراحل کار پلاسمای کانونی
مدل های نظری مختلفی برای تحلیل مراحل کار پلاسمای کانونی ارائه شده اند. اما هیچ یک از این مدل ها به طور کامل نمی توانند نتایج تجربی را تحلیل کنند.در این جا دومدل قطعه ای و برف روبی که برای تحلیل عملکرد این دستگاه به کار رفتهاند تشریح می شوند.
3-1 مدل جاروبی یا برف روبی
این مدل و همچنین مدل قطعه ای که در بخش بعدی توضیح داده میشود، مختص پلاسمای کانونی نیستند بلکه قبل از آن برای بررسی دینامیک انواع دیگرZ-پینچ ها مورد استفاده قرار گرفته است. در مدل جاروبی فرض میشود که لایه جریان که بسیار نازک است هنگامی که در اثر نیروی لورنتسی حرکت می کند تمام گاز پیش روی خود را جاروب کرده و در خود جمع می کند. پهنای این لایه ناچیز (نزدیک به صفر) در نظر گرفتهو به همین علت، این مدل را مدل بدون ساختار می نامند.همانطور که ذکر شد این مدل با وجود آن که مرحله رانش محوری را به خوبی تحلیل می کند اما وقتی که به مرحله تراکم شعاعی اعمال می شود شعاع پینچی برابر صفر را به دست می دهد و برای رفع این مشکل لی یک مدل قطعه ای پیشنهاد کرد]6[:
شکل 1-4) طرحی شماتیک از مراحل محوری(بالا) و شعاعی(پایین).
]14و13[
3-2 مدل قطعه ای
در این مدل برای مرحله حرکت محوری مدل برف روبی به کار می رود ولی از آنجا که مدل برفروبی نمی توانست مرحله تراکم شعاعی را به طور درست تحلیل کند برای مرحله تراکم شعاعی، یک جبهه موج ضربه ای در نظر گرفته می شود که به وسیله یک لایه پلاسما با ضخامت کم از لایه جریان که پیستون مغناطیسی نامیده می شود جدا می گردد. این لایه توسط نیروی لورنتز بطور شعاعی به داخل رانده می شود.
از آنجایی که در مقابل حرکت به بالا مانعی وجود ندارد با رانش به داخل، طول ستون پلاسما نیز افزایش خواهد یافت. همان طوری که گفته شد در این مدل گاز برخورد کرده با جبهه موج ضربه ای به صورت پلاسما بین جبهه موج ضربه و پیستون مغناطیسی قرار گرفته و تشکیل یک قطعه پلاسما می دهد، جبهه موج ضربه پس از برخورد با محور دستگاه به طرف بیرون منعکس می شود، در حالی که پیستون به حرکت خود به سمت داخل ادامه می دهد تا در نهایت باموج ضربه منعکس شده برخورد می کند، در آن نقطه حرکت پیستون متوقف می شود و شعاع ستون پلاسما به حداقل و چگالی به حداکثر میرسد(پینچ)]14و13و6[.
4- دستگاه نانوفوکوس
دستگاه نانوفوکوس،کوچکترین دستگاه پلاسمای کانونی جهان (با انرژی 0.1 J ) است که در مرکز 12CCHENشیلی ساخته شده است. نمایی کلی از این دستگاه در شکل های1-5 و 1-6 نشان داده شده است. یک جفت الکترود برنجی به قطر mm 200 به عنوان خازن برای انجام تخلیه عمل می کنند. یک لوله مسی به قطر mm 6/1 که با آلومینا پوشانده شده به مرکز صفحه آند متصل می شود و از یک سوراخ کوچک در مرکز کاتد عبور میکند. چهار فیلم دی الکتریک 13PVDF به ضخامت µm80 بین دو صفحه قرار داده شده اند. ظرفیت اندازه گیری شده nF 9/4 و ابعاد کلی دستگاه cm5×cm20×cm20 است.
مشتق زمانی جریان با استفاده از پیچه روگوفسکی اندازه گیری شده است و برای کنترل ولتاژ شارژ، از یک تقسیم کننده مقاومتی استفاده می شود. برای ایجاد اتصال کوتاه روی عایق تخلیه در فشار بالایی از هیدروژن (بیش ازmbar 20) انجام شده است. با بررسی سیگنال های الکتریکی ثبت شده،مقادیر دوره تناوبns30 و خودالقایی دستگاه nH 8/4به دست آمده اند]16[.

شکل 1-5) نمایی از دستگاه نانوفوکوس. 1: منبع تغذیه ولتاژ بالا، 2: مقاومت بار MΩ100، 3: خازن nF28، 4: اسپارک گپ، 5و8 یک جفت الکترود برنجی به قطر mm200 هستند که نقش خازنی با ظرفیت حدود nF5 برای راه اندازی تخلیه را ایفا می کنند، 6: آند، 7: دی الکتریک (4 فیلم PVDF به ضخامت µm80 ،9: کاتد ،10: پنجره اپتیکی، 11: محفظه تخلیه ،12: لوله آلومینا، 13: آند، 14: لایه پلاسما بین آند و کاتد (خازن اولیه nF28 بصورت پالسی شارژ می شود و یک خازن راه انداز nF5 به وسیله صفحات موازی 5 و 8 تشکیل می شود]16[.
شکل 1-6) تصویر بیرونی دستگاه نانوفوکوس از سه جهت]17[
برای عکس برداری از پلاسما با استفاده از نور مرئی گسیل شده از پلاسما از یک دوربین ICCDبا زمان نوردهی ns4 که با تخلیه همزمان شده است، استفاده می شود. در این دوربین ICCD از یک لنز دوکوژ با فاصله کانونی cm 5/1 و قطر cm5 استفاده شده است.
تعدادی آزمایش مقدماتی برای بررسی عملکرد دستگاه با استفاده از گاز هیدروژن انجام شده اند. در قسمت سمت چپ شکل 1-7 سیگنال های الکتریکی در حین تخلیه هیدروژن در فشار mbar 20 با ولتاژ تخلیه kV5 مشاهده می شوند و در قسمت راست این شکل تصویری از پلاسما را که توسط دوربین مرئی ICCDبا زمان نوردهیns4 برای تخلیه در فشار mbar 20 به دست آمده است نشان می دهد. همان طور که مشاهده میشود، پلاسما عایق را می پوشاند و با رفتار تخلیه در دستگاه های پلاسمای کانونی در فشارهای بالا سازگار است]16[.
شکل 1-7) در شکل سمت چپ سیگنال های الکتریکی در نانوفوکوس طی تخلیه در هیدروژن با فشار اولیهmbar20، با شارژاولیه kV5 نشان داده شده است. همچنین تصویری از پلاسما در زمان های بعد از تخلیه در سمت راست نشان داده شده است. ملاحظه می شود که پلاسما عایق را می پوشاند، که با رفتار تخلیه های پلاسمای کانونی در فشارهای بالا سازگار است]16[
در واقع، در این آزمایش تخلیه بصورت اتصال کوتاه انجام می شود و بنابراین از آن می توان برای محاسبۀ مشخصه های الکتریکی مؤثر دستگاه (مانند خودالقایی وظرفیت و غیره) استفاده کرد، که در این آزمایشnF9/4=C،ns 30=TوnH 8/4=L به دست آمده اند. زمان ایجاد لایه جریان از مرتبه ns 8 است.
شکل 1-8 سیگنال های الکتریکی در حین تخلیه هیدروژن در mbar 3 با ولتاژ تخلیهkV5/6(یعنی انرژی 1/0 ژول) را نشان می دهد، مشاهده می شود که جریان بیشینه برابرkA 5/4 است، شیب شدید در سیگنال مشتق جریان به همراه افت در جریان الکتریکی که با افزایش کوچکی در ولتاژ همراه است، به وضوح وقوع پینچ را نشان می دهد ]16[.

شکل 1-8) سیگنال های الکتریکی مربوط به ولتاژ، مشتق جریان و جریان در حین تخلیه گاز هیدروژن با فشار اولیهmbar3، با ولتاژ اولیه kV5/6(1/0ژول) از بالا به پایین نمایش داده شده اند. شعاع آند برابر mm8/0 است. جریان بیشینهkA5/4 به دست آمد. شیب تند در سیگنال مشتق جریان به همراه افت در جریان الکتریکی، به وضوح، تشکیل پینچ را نشان می دهد]16[.
در شکل 1-9 تصاویری از حرکت پلاسما در زمان های مختلف در این آزمایش نشان داده شده اند.
شکل 1-9از چپ به راست به ترتیب: الف) پلاسما آند را می پوشاند. ب) فشردگی شعاعی پلاسما روی آند رخ می دهد و ج) در نهایت پلاسما از آند در جهت محوری جدا می شود. زمان انجام این مراحل حدود ns30 است]10[.
بر اساس قوانین مقیاس بندی برای اندازه و طول زمانی پینج در تخلیه های پلاسمای کانونی نوع مدر، طول قابل انتظار پینچ و شعاع آن به ترتیب باید حدود a8/0=zaوa12/0=rp(یعنی برای این دستگاه mm 64/0 وmm 1/0) باشند.
مدت زمان دوام پینچ نیز باید برابر t_p [s]=2×〖10〗^(-6) a[m] باشد و با توجه به اینکه شعاع آند برابر mm 8/0 است این زمان برای این دستگاه برابر ns 6/1 بدست می آید. اگرچه آزمایش ها با هیدروژن انجام شد، منطقی است که در سایر موارد هم انتظار اندازه و طول زمانی پینچی از همین مرتبه را داشت]16[.
پارامترهای مشخصه پلاسمای کانونی مینیاتوریکه با هیدروژن در فشار 3 میلی بارکار می کند،
E/V_p =5/6×〖10〗^9 Jm^(-3)وI_0/(ap^(1/2) )=33kAmbar^(-1/2) cm^(-1) هستند که از مقادیر متناظرشان در دستگاه های با ابعاد بزرگ و متوسط بسیار کمترهستند، برای افزایش این پارامترها باید یا جریان افزایش یابد و یا شعاع آند کاهش یابد.
با این دستگاه آزمایش هایی با آندی با شعاع کوچک تر (mm 21/0=a) نیز انجام شده است. ]16[.
در جدول 1-1 مشخصات دستگاه های موجود در مرکز CCHEN شیلی (از دستگاه های با انرژی های بالا تا نانوفوکوس) مشاهده می شوند.

جدول1-1مشخصات دستگاه های پلاسمای کانونی موجود در مرکزCCHEN
نام دستگاهNF
نانو فوکوسPF-50
یکی از کوچکترین دستگاههای موجود PF-400
یک دستگاه کوچکSPEED-4
دستگاهی با اندازه متوسطSPEED-2
یک دستگاه بزرگظرفیت بانک خازنی(nf)516088012504160حداکثر ولتاژ(kV)
مقدار نوعی(kV)15
10-535
30-2535
30100
60300
150حداکثر انرژی ذخیره شده(J)
مقدار نوعی(J)56/0
1/0100
70-50540
4006250
2250187000
67000حداکثر قله جریان(kA)
مقدار نوعی(kA)15
10-570
60-50168
127550
3304000
2400زمان رسیدن به حداکثر جریان(ns)16150300350400اندوکتانس(nH)538384020شعاع آند(cm)022/0-08/03/06/06/14/5شعاع کاتد(cm)-1/13/15/411طول موثر آند(cm)04/048/07/02-15/2-5/1طول عایق(cm)14/21/29/3-7/25/6حداکثر نرخ تکرار(Hz)
عملکرد نوعی50
20-11
تک تخلیه1
تک تخلیهتک تخلیه
تک تخلیهتک تخلیه
تک تخلیهتولید نوترون بر تخلیه103104×6/3 برای انرژی کاری 70 ژول و فشار گاز دوتریم 9 میلی بار
104×3/1 برای انرژی کاری 50 ژول و فشار گاز دوتریم 6 میلی بار106×2/1 برای انرژی کاری 400 ژول و فشار گاز دوتریم 9 میلی بار-1012-1011~
درآزمایشهایدوسلدورف و 1010×2~ در آزمایشهای انجام شده در شیلیابعاد(مجموع بانک خازنی و محفظه)
25cm×25cm×5 cm
50cm×30cm×20 cm
50cm×30cm×30
Cm
1m×1m×0.5 m

8m×8m×2 mوزن به kg (مجموع بانک خازنی ومحفظه تخلیه)
5
50
50
200
10000انرژی نوترون های تولید شده همراه با تغییرات در آن(MeV)-8/1±7/21±5/2–حداکثر شار نوترون در عملکرد تکراریدر حدود 104نوترون بر ثانیه برای پریودهای کوتاه
(کمتر از یک دقیقه)
104×6/3نوترون بر ثانیه
106نوترون بر ثانیه


فصل دوم
طراحی
1- مقدمه
همانطور که در فصل اول گفته شد یک ویژگی مهم دستگاه های پلاسمای کانونی نوع مدر این است که در آنها پارامترهایی مانند سرعت لایه جریان در مرحله های رانش محوری و تراکم شعاعی و دو پارامتر مهم به نام های چگالی انرژی و پارامتر راه انداز در بازه وسیعی از انرژی ( از ده ها ژول تا چند مگاژول)، تقریبا ثابت باقی می مانند.
سرعت لایه جریان در مرحله رانش محوری برای هر دستگاه پلاسمای کانونی که برای تولید نوترون بهینه شده باشد، در حدود (0/8 -1)×〖10〗^5 ms^(-1) و در مرحله تراکم شعاعی در حدود (2-2/25 )×〖10〗^5 ms^(-1) است.
با دقت در رابطه های مربوط به پارامترهای چگالی انرژی و راه انداز ملاحظه می شود که این پارامترها با پارامترهای الکتریکی و هندسی دستگاه ارتباط دارند و بنابراین ابزارهای بسیار مفیدی در طراحی دستگاه های پلاسمای کانونی به شمار می روند]16و10[.
با استفاده از پارامتر های چگالی انرژی و پارامتر راه انداز برای یک دستگاه پلاسمای کانونی با انرژی معین(با استفاده از بانک خازنی مشخصی)، مشخصات الکترودها و عایق دستگاه تعیین می گردد. در جدول 2-1 مشاهده میشود که انرژی مثالی برای دستگاه های کوچک NF وPF-2J مقداری بین نصف تا 5/2 برابر انرژی نوعی دستگاه است و در مورد PF-50 مقدار حداکثر انرژی نوعی تقریبا 2 برابر انرژی معمول دستگاه است و محاسبات مربوطه برای هر دستگاه نیز بر اساس حد اکثر مقدار انرژی مثالی انجام شده اند.
در این پروژه مقدار مثالی انرژی برای دستگاه 20 ژول، بین 15 تا 40 ژول انتخاب شده و محاسبات مربوطه بر اساس مقدار 40Jبه عمل آمده اند.دامنه نتایج محاسباتی که بر اساس این روابط انجام می شوند گسترده است و تنها نکته ای که نباید زیر پا گذارده شود آن است که مقادیر پارامترهای راهانداز و چگالی انرژی از محدوده مجاز خارج نشده و تا حد ممکن از مرزهای آن ها نیز فاصله داشته باشند.
جدول 2-1) مشخصات الکتریکی چند دستگاه پلاسمای کانونی
مشخصات/دستگاهPF-400
]22[FMPF-1
]21[J-160 PF58
]20[PF-50
]19[PF-2J
]18[NF
]16[ظرفیت(nF)88024008001602005خودالقایی(nH)38275338205انرژی(J)400270-170160-5898-325-125/0-06/0ولتاژ(kV)3015-1220-1230-2010-510-5قله جریان(kA)1278020601510-5زمان رسیدن به قله جریان(ns)300400380-32515010016-8
2- مراحل طراحی یک دستگاه پلاسمای کانونی
به طور کلی مراحل ساخت یک دستگاه پلاسمای کانونی بسیار کوچک را می توان به دو قسمت تقسیم کرد]6[.
الف- سیستم الکتریکی لازم برایدستگاه با توجه به انرژی آنشامل: بانک خازنی، اسپارک گپ و سیستم مدار فرمان الکترونیکی
ب – سیستم مکانیکی شامل محفظه تخلیه، الکترودهای هم محور، سیستم تخلیه و دمش گاز.
2-1 محاسبه پارامترهای الکتریکی و دوره تناوب تخلیه
در طراحی یک دستگاه پلاسمای کانونی با انرژی معین بسته به ظرفیت بانک خازنی به کار رفته و مقدار خودالقایی آن، ولتاژ مثالی از رابطه زیر محاسبه می گردد.
(2-1)E=1/2 cv^2→ v=√(2E/C)
بنابراین از میان خازن های موجود خازن هایی انتخاب میشوند که قادر به تحمل ولتاژهایی بالاتر از این مقدارباشند و سپس میتوان مقادیر حداکثر جریان و دوره تناوب را از روابط زیر محاسبه نمود]16[
(2-2)I_0max=v_max/√(L/C)
T=2π√lc
2-2 محاسبه شعاع آند
در گام اول برای محاسبه شعاع آند یک دستگاه پلاسمای کانونی راحت تر آن است که از پارامتر چگالی انرژی استفاده شود.
همان طوری که گفته شد مقدار پارامتر چگالی انرژی برابر با
28E/a^3 =(1-10)×〖10〗^10 Jm^(-3) است]16و10[.
معمولا در محاسبات مربوط به طراحی این دستگاه ها از مقدار میانگین این پارامتر (5×〖10〗^10 Jm^(-3)) برای محاسبه شعاع آند استفاده میشود.
28E/a^3 ~5×〖10〗^10 Jm^(-3)
البته می توان از پارامتر راه انداز
I_0/(ap^(1/2) )=77±7 kAcm(mbar)^(1/2) همراه با I_0max=V_max/√(L/C)
نیز شعاع آند را محاسبه کرد. مزیت این رابطه آن است که در طراحی دستگاه میتوان فشار بهینه آن(p)را نیز لحاظ کرد]16[.
2-3 محاسبه طول موثر آند
برای عملکرد بهینه یک دستگاه پلاسمای کانونی بایستی لحظه تشکیل پینچ با وقوع جریان ماکزیمم همزمان باشند. در این صورت باید از رابطه زیر برای محاسبه طول موثر آند (Za) استفاده کرد]16و10[.
(2-3)Z_a/v_a +a/v_r =T/4در رابطه فوق va و vr سرعت های محوری و شعاعی هستند که به ترتیب در حدود
(0/8 -1)×〖10〗^5 ms^(-1) و(2-2/25 )×〖10〗^5 ms^(-1)
هستند]14و10[.
در طراحی دستگاه های پلاسمای کانونی معمولا مقادیر آنها به ترتیب 1×〖10〗^5 ms^(-1) و 2×〖10〗^5 ms^(-1) در نظر گرفته می شوند.
2-4 محاسبه طول عایق و شعاع داخلی کاتد
پس از محاسبه طول موثر آند (Za) و شعاع آند(a) و با توجه به رابطه Lins= Z-Zaکه در آن Z طول آند و Linsطول عایق است، و با در نظر گرفتن این که در دستگاه های پلاسمای کانونی نوع مدر نسبت قطر آند به طول آن مقداری کوچک تر از یک (معمولا در حدود 25/0 یا کمتر) است]1[.
می توان مقدار تقریبی مناسب برای طول آند را بین 8 تا 10 برابر شعاع آن انتخاب نمود و سپس طول عایق را از رابطه Lins= Z-Za محاسبه نمود و بعد از رابطه زیر برای عملکرد بهینه دستگاه مقدار مناسبی برای شعاع داخلی کاتد که در این جا با b نشان داده شده است یافت]23[.
(2-4)1≤L_ins/(b-a)≤1/8با توجه به مطالب گفته شده بلوک دیاگرام کلی طراحی دستگاه های پلاسمای کانونی به شرح زیر است:
شکل 2-1) بلوک دیاگرام کلی طراحی دستگاه های پلاسمای کانونی
شکل 2-2 نمای از بالای دستگاه را نشان می دهد.
شکل 2-2)‌ تصویری از بالا از دستگاه : ا- آند 2- عایق(شیشه پیرکس) 3- کاتد 4- صفحه کاتد
5- پیچ های متصل کننده صفحات
3- طراحی دستگاه پلاسمای کانونی کوچک 20 ژول
3-1 انتخاب سیستم تغذیه الکتریکی مناسب و دوره تناوب تخلیه
همانطور که گفته شد در طراحی یک دستگاه پلاسمای کانونی در ابتدا می بایست یک بانک خازنی با مشخصات مناسبی مانند ظرفیت، خود القایی و حد اکثر ولتاژ قابل تحمل،انتخاب شود. ولتاژ کاری مناسب از رابطه زیر محاسبه میشود]16[.

(2-5)E=1/2 cv^2→v=√(2E/C)
در ساخت دستگاه 20 ژول از خازنی با ظرفیت nF190 و خود القایی nH5 با ولتاژ حد اکثر kV25 استفاده شدکه توسط شرکت توان تجهیز آداک ساخته شده است. با در نظر گرفتن مقدار حداکثرE=40J برای انرژی دستگاه مقدار ولتاژ لازم تقریبا برابر خواهد بود با 5/20 کیلو ولت، که در محدوده کار مناسب این خازن ها جای دارد.
دوره تناوب تخلیه خازن را می توان از رابطه زیر محاسبه کرد :

(2-6)T=2π√LCدر رابطه بالاL اندوکتانس و C ظرفیت خازن است، برای عملکرد بهینه باید مدت زمان رسیدن به قله جریان(یعنی T/4) با زمان تشکیل پینچ برابر باشد.
در ادامهبه طراحی قسمت مکانیکی دستگاه پرداخته میشود که به ترتیب عبارتند از : طراحی الکترود داخلی (آند)، الکترود خارجی (کاتد) و عایق بین الکترودها.
3-2 طراحی الکترود داخلی (آند)
برای عملکرد بهینه دستگاه بایستی لحظه تشکیل پینچ با وقوع جریان بیشینه همزمان باشند. این زمان به طول موثر آند و شعاعآن بستگی دارد. بنابراین ابتدا شعاع آند با استفاده از پارامتر چگالی انرژی محاسبه شده وسپس با توجه به مقدار دوره تناوب که در قسمت قبل بهدست آمد،طول موثر آند نیز محاسبه میگردد.
براساس انتخاب مقدار 40 ژول برای Eو از رابطه پارامتر چگالی انرژی مقدار شعاع آند (a) به شرح زیر محاسبه می شود:
(2-6)mm9/2≈a→28E/a^3 ~5×〖10〗^10 Jm^(-3)
که برای سرراست شدن کار مقدار آن برابر 3 میلی متر انتخاب میشود، سپس با توجه به تقریب مناسب a10≈zبرای دستگاه های نوع مدر مقدار طول آند نیز برابر 3 سانتی متر خواهد بود.
برای محاسبه طول موثر آند (Za) باید از رابطه زیر استفاده کرد]16و10[.

(2-7)Z_a/v_a +a/v_r =T/4که در آن v_a=1×〖10〗^5 m/s ، v_r=2×〖10〗^5 m/s وmm3a=است وبا استفاده از این مقادیر مقدار طول موثر آند (za) در حدود 3 میلی متر برآورد می گردد.
یک نکته دیگر شکل آند است، در ساخت آند در دستگاه های پلاسمای کانونی از طرح های مختلفی استفاده شده است، به طور مثال بررسی ها نشان داده اند که نازک شدن14 مناسب انتهای آند، گسیل یون ها و پرتو های ایکس را افزایش می دهد]24[.
در طراحی دستگاه پلاسما فوکوس مورد نظر ما، آند استوانه ای شکل تو پر بهکار خواهد رفت.
در شکل 2-3) نمایی از آند دستگاه 20 ژول به همراه عایق آن دیده میشود.
شکل 2-3) میله آند همراه با عایق دور آن و لایه تفلون جدا کننده عایق از میله آند، 1و4: میله آند،
2:لایه تفلون، 3: عایق(شیشه پیرکس)
3-3 طراحی الکترود خارجی (کاتد) و عایق بین الکترود ها
کاتد در دستگاه های پلاسمای کانونی معمولا ازجنس فولاد ضد زنگ و یا مس است و به دوصورت یکپارچه یا قفسه ای ساخته می شود. در شکل یکپارچه معمولا دیواره محفظه خلا نقش کاتد را بازی می کند، در ساختار قفسه ای از چند میله به عنوان کاتد استفاده می شود که این میله ها در فواصل منظم بر روی یک دایره که مرکز آن بر مرکز آند منطبق است، چیده می شوند، کاتد دستگاه ساخته شده در این پروژه به شکل یک پارچه است.
عایق های مورد استفاده در پلاسمای کانونی باید قادر به تحمل ولتاژهای بالای تا حد لازم باشند. همچنین رسانایی گرمایی و ضریب انبساط گرمایی ماده عایق باید پایین باشد، تا بتواند استرس های گرمایی را تحمل کند. علاوه بر این عایق باید در برابر خوردگی ناشی از پلاسما مقاوم باشد. برای این منظور اغلب از سرامیک های آلومینا و کوارتز(شیشه پیرکس) استفاده می شود. برای جلوگیری از تنش مکانیکی یک لایه تفلون به ضخامت نیم میلی متر بین عایق و آند قرار می گیرد.
با استفاده از رابطه Lins= Z-Za مقدار mm27برای طول عایق بهدست میآید و سپس میتوان از رابطه زیر برای عملکرد بهینه دستگاه مقدار مناسبی برای شعاع داخلی کاتد که در این جا نیز با b نشان داده شده است یافت]23[.
1≤L_ins/(b-a)≤1/8
از رابطه بالا برای شعاع کاتد مقدار 20 میلی متر انتخاب می شود.
با توجه به مطالب گفته شده وبا سرراست ترین تقریب ممکن مشخصات حاصل از طراحی دستگاه 20 ژول به شرح زیر خواهد بود:
a=3 mm
z=30 mm
Lins=27 mm
b= 20mm
جنس عایق: شیشه پیرکس با ضخامت 1 میلی متر
جنس الکترودها: استیل
بانک خازنی: یک خازن 190 نانوفارادی با ولتاژ ماکزیمم 25 کیلو ولت و اندوکتانس 5 نانوهانری
شکل 2-4 نمایی کلی از یک برش عمودی از دستگاه پلاسمای کانونی ساخته شده را نمایش میدهد.
شکل 2-4) برشی عمودی از دستگاه: 1-میله آند 2- عایق 3-کاتد 4- صفحه آند 5- عایق جداکننده صفحه کاتد از صفحه آند 6- پیچ های متصل کننده صفحات 7- صفحه کاتد 8-محفظه خلا 9و10و11-پنجره های مقابل آند 12- پنجره بالای آند 13و14- پورت های خلا
در شکل 2-5 نمایی کلی از سیستم دیده می شود.
شکل 2-5) نمایی کلی از سیستم 1-محفظه خلا 2 و3و4و5- پنجره های مختلف محفظه خلا 6-پورت خلا (DN25)
7-اتصال به خلا (DN25) 8-عایق جدا کننده زمین دستگاه از سیستم های خلا (مثل پمپ و گیج) 9- میز استیل
3-4 طراحی سیستم الکتریکی دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول
همان طوری که در شرح اولیه پروژه ساخت دستگاه های پلاسمای کانونی کوچک در پژوهشکده فیزیک پلاسما و گداخت هسته ای ذکر شد هدف این پروژه ساخت دستگاه بسیار کوچکی با عملکرد تکراری بود، در طرح دستگاه 20 ژول حداکثرفرکانس شات زدن سیستم برابر 10 هرتز و بطور نرمال حدود 1 هرتز در نظر گرفته شده است، همچنین در سیستم الکتریکی مذکور کلیه الزامات و استانداردهای ایمنی و موارد حفاظتی در نظر گرفته شده اند.
3-4-1 منبع تغذیه و بانک خازنی
در دستگاه 20 ژول ساخته شده یک منبع تغذیه kV DC25 وظیفه شارژ بانک خازنی را بر عهده دارد و باید جریان شارژ آن را تا رسیدن به ولتاژ مورد نظر تامین کند. کنترل این منبع تغذیه به وسیله یک تابلوی مدار فرمان انجام می شود. این منبع با توجه به ماهیت دستگاه پلاسمای کانونی بسیار کوچک مورد نظر با ابعادی کوچک ساخته شده و در مقابل حوادث غیر عادی در بار، مثل اتصال کوتاه شدن بار حفاظت شده است. این منبع تغذیه همراه با تابلوی فرمان و اسپارک گپ و مدار تریگر آنتوسط شرکت توان تجهیز آداک ساخته شده است.
3-4-2 سیستم کنترل
این سیستم عبارت است از سیستم کنترل خودکارعملکرد دستگاه با تنظیم اولیه فرکانس شات زنی، ولتاژ شارژ خازن و تعداد کل شات ها که قابل تنظیم هستند. عملکرد این سیستم بدین صورت است که با یک میکروکنترلر طرح کنترلی ساده ای برای تنظیم اولیه و کنترل و نمایش اطلاعات در نظر گرفته می شود، بدین ترتیب که با در نظر گرفتن یک صفحه کلید کوچک در اینجا به همراه یک LCDکوچک در بالای آن نخست برای اجرای برنامه به تنظیم داده های اولیه با ورودی صفحه کلید نیاز است.
اطلاعات مورد نیاز عبارتند از:
1- تعداد تخلیه های مورد نظر در یک ثانیه که به عنوان فرکانس دستگاه تعریف می شود (مثلا در این جا یک هرتز).

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید