بخشی از مقاله
چکیده
در سیستمهاي PF با تخلیه یک جریان الکتریکی از مرتبه مگا آمپردر یک گاز، ستون متراکمی از پلاسما با دما و چگالی بالا تولید شده و نهایتا پرتوهاي مختلف از جمله پرتوx ازناحیه تنگش گسیل می شوند تاثیرات دو شکل آند تخت و آند مخروطی را بر روي پارامترهاي تنگش در گاز کاري دوتریم بررسی شده است. در بررسی کار با یک گاز کاري یکسان براي دو نوع آند تخت و مخروطی مشاهده شد که زمان ماکزیمم جریان و ماکزیمم جریان مستقل از شکل آندي است. و با توجه به اینکه اختلاف زمانها براي آند تخت کمتر از آند نوع مخروطی گزارش شده است، بنابراین طبق انتظار ما جریان تنگش براي آند تخت بیشتر از آند مخروطی بدست آمد
مقدمه
دستگاه پلاسما فوکوس وسیلهاي است که در مدت زمان کوتاهی یک تخلیه الکتریکی در آن انجام گرفته و پلاسماي گرم با طول عمر بسیارکوتاه و با چگالی بالا ایجاد میشود. اخیراً کاشت پرتوهاي یونی پالسی براي نیمرساناها با استفاده ازپلاسما فوکوس پیشنهاد شده است.
در این فرایند کاشت یونی و سرد کردن سطح بطور همزمان انجام میگیرند از اینرو براي نقطه ذوب بالاي نیمرساناهایی مثل کربیدسیلیکون خیلی مفید است.[1] تصفیه و خالص سازي پرتوهاي یونی پالسی راه حلی است که از این کاربردها ناشی میشود، چون مواد نیمرساناها به ناخالصی خیلی حساس هستند.
علاوه براین کاربرد ، پلاسما فوکوس وسیلهاي ارزشمند و مقرون به صرفه براي تولید اشعه x و ذراتی مانند نوترون،الکترون است.در حال حاضر دو نوع پلاسما فوکوس وجود دارد که به نام کاشف آنها نوع فیلیپوف و نوع مدر خوانده می شوند.
تفاوت اساسی این دو نوع PF در ابعاد الکترود و نسبت قطر به ارتفاع در الکترود مرکزي است. طرز کار دو دستگاه تقریباً مشابه است و حالت بهینه در هر دو دستگاه بستگی به ابعاد طول و قطر الکترود ها و فشار داخل محفظه دارد. الکترودها معمولاً از مس و فولاد زنگ نزن ساخته میشوند.[3,4] درشکل - 1 - این دو نوع
پلاسما فوکوس نشان داده شدهاند[5] دستگاه PF متشکل از سه قسمت اصلی است.-1 [6]بانک خازنی به عنوان منبع تغذیه انرژي. -2محفظه تخلیه، شامل دو الکترود استوانهاي هم محور - آندوکاتد - .-3کلید ولتاژ بالاي اسپارك گپ.
شرح دستگاه پلاسما فوکوس سهند:
پلاسما فوکوس سهند در بهمن ماه 1382 در دانشگاه تبریز نصب و راه اندازي شد. این دستگاه از نوع فیلیپوف و داراي انرژي بانک خازنی 90KJ میباشد.انرژي لازم براي ایجاد تخلیه الکتریکی در PF بوسیله بانک خازنی تامین میشود. بانک خازنی شامل 24 عدد خازن از نوع IK 25 −12 میباشد.
ابعاد هریک 32 ×32 × 76cm3 و وزن آن 120Kg است . ظرفیت هرخازن 12μF و بیشینه ولتاژ شارژ آن 25KV است . ظرفیت معادل همه خازنها 288μF است که حداکثر 90Kj انرژي را می تواند ذخیره کند. براي اینکه عمر مفید خازنها طولانی باشد،بهتر است که ولتاژ اعمالی به آنها از 20KV تجاوز نکند.
دستگاه PF سهند داراي چند بخش اصلی است که عبارتند از :
-1مدول اصلی آزمایش -2 سیستم خلاء -3 سیستم تغذیه قدرت
-4 سیستم دیاگنوستیک -5 سیستم دادهپردازي. دیاگرام عمده
این وسیله را درشکل - 2 - نشان دادهایم.
دینامیک PF با آند نوع تخت و مخروطی:
در شرایط کار با آند نوع مخروطی، شعاع الکترود داخلی بتدریج با افزایش z افزایش پیدا می کند. در صورتی که قطر الکترود خارجی، ثابت نگه داشته می شود، جرم وارد شده بوسیله حفاظ جریان در طول شتابدهنده در هر موقعیت z برابر است با:
که ρ0 ، چگالی گاز محیط است.موقعی که آند مخروطی در دستگاه بکار برده می شود، شعاع الکترود داخلی - a با افزایش z، افزایش می یابد و بنابر این جرم وارد شده بوسیله حفاظ بسرعت کاهش می یابد بطوري که لایه جریان کمتر منتشر می یابد.
چگالی شار مغناطیسی در سطح رسانا از طریق جریان I شارش پیدا می کند که این شار با شعاع رسانا تغییر می کند بطوریکه: r شعاع رسانا- الکترود مرکزي در شرایط کاري است. این رابطه بیان می کند که شدت چگالی شار مغناطیسی در سطح آند
بطور یکنواخت کاهش پیدا می کند بطوریکه ورقه جریان در طول شتابدهنده کمتر انتشار می یابد.اندوکتانس شتابدهنده محوري از فرمول زیر پیروي می کند:
و زمان گذار حفاظ جریان در طول شتابدهنده برابر است با:
شکل:2 شماتیک پلاسما فوکوس نوع فیلیپوف راه اندازي شده در دانشگاه تبریز
انرژي الکتریکی که ابتدا در بانک خازنی ذخیره شده است توسط یک کلید سریع که اسپارك گپ است به الکترودهاي آندو کاتد اعمال میشود و بین کاتد و آند یک اختلاف پتانسیل بوجود میآورد. دراثراین اختلاف پتانسیل جریان الکتریکی روي عایق استوانهاي شروع به حرکت میکند. این لایه را معمولاً لایه جریان میگویند.
این لایه جریان بوسیله نیروي لورنتس از موقعیت اولیه خود حرکت کرده و یک انتهاي آن به الکترود خارجی که کاتد است میرسد که البته این غلاف جریان همچنانکه در شکل - - 2 نشان داده شده است در اثر این نیروي لورنتس از موقعیت 1 به موقعیت 2 و سپس به موقعیت 3 شتاب میگیرد و در موقعیت 3 لایه جریان به محور تقارن دستگاه میرسد .درپلاسما فوکوس نوع فیلیپوف حرکت شعاعی لایه جریان به سمت محور تقارن بلافاصله پس از تشکیل لایه جریان صورت میگیرد.وقتی که لایه جریان به محور تقارن میرسد، یک ستون متراکم از پلاسما با چگالی و دماي در مرکز الکترود داخلی تشکیل میشود که این ستون متراکم پلاسما بعد از زمان کوتاهی در حدود 100 نانو ثانیه به علت ظاهر شدن ناپایداریهاي پلاسما تخریب شده و پرتوهاي گوناگون از این ناحیه گسیل میشوند.
نتایج تجربی و بحث:
تاثیر شکل هندسی آند رابا بکار بردن دو شکل آند تخت و مخروطی بر روي متغییر هاي مختلف بررسی کرده ایم. یکی از کمیتهاي مورد مطالعه، جریان تنگش است که اگر در منحنی مشتق جریاندر شکل - - 3 دقت کنیم موقعی که این منحنی به پیک منفی می رسد،مینیمم مقدار آن ،مقدار زمان تنگش را می دهد.اگر در این زمان به منحنی جریان در شکل - 3 - نگاه کنیم،می توانیم جریان تنگش را بدست آوریم وپارامتر دیگر، جریان ماکزیمم است که منحنی جریان به اولین پیک خودش می رسد. اگر در این محل جریان ماکزیمم، به منحنی مشتق جریان نگاه کنیم،زمان جریان ماکزیمم را می توانیم بیابیم .
شکل:3 منحنی جریان و منحنی مشتق جریان
فیزیک پلاسما
فشار، مستقل از شکل آندي است. دلیل فیزیکی آن این است در زمان ماکزیمم جریان هنوز لایه جریان به قسمت مرکزي آند نرسیده است و بنابراین لایه جریان روي یک سطح صاف و هموار چه براي آند تخت و چه براي آند مخروطی قرار دارد و مستقل از شکل آندي است. دوما در یک فشار ثابت، زمان تنگش براي آند نوع تخت کمتر است. یعنی تنگش براي آند تخت زودتر از آند مخروطی رخ می دهد.دلیل فیزیکی این است که در آند نوع مخروطی اندوکتانس بخاطر گودي آند بیشتر و زمان بیشتري لازم است تا تنگش رخ دهد.
شکل:4 نمودار زمان تنگش و زمان ماکزیمم جریان بر حسب ولتاژبراي آند تخت و مخروطی درفشار 1 torr دوتریم
شکل:5 نمودارزمان تنگش وزمان ماکزیمم جریان بر حسب ولتاژبراي آند تخت و مخروطی درفشار 1torrD2 %3Kr
بنابراین اختلاف زمانها در یک ولتاژ خاص، براي آند نوع تخت کمتر است که طبق انتظار ما منطقی است چون گفتیم که زمان ماکزیمم جریان براي دو شکل تقریبا ثابت است و زمان تنگش هم براي آند تخت کمتر بود. دوما با افزایش ولتاژ در هر فشاري، اختلاف زمانها کاهش می یابند
