بخشی از مقاله
چکیده
آشکارساز بالومتري، ابزار تشخیصی مهمی براي اندازهگیري توان اتلافی تابش شده از پلاسماي محبوس شده مغناطیسی به کار میرود. در روش بالومتر مقاومتی و ویدئویی، فویل به کار رفته در آشکارساز در نقش جذب کننده تشعشعات گسیل شده از پلاسما عمل میکند. ضریب انتقال حرارت در فویل با افزایش ضخامت فویل کاهش یافته و در نتیجه حساسیت بالومتري کاهش مییابد. از سوي دیگر با افزایش ضخامت فویل توانایی فویل در جذب انرژي فوتونهاي که به آن برخورد می-کنند، افزایش مییابد و باعث افزایش حساسیت بالومتري میگردد. بنابراین میبایستی در انتخاب ضخامت فویل موازنهاي بین انتقال حرارت فویل و همچنین توانایی جذب انرژي در آن ایجاد کرد. براي بررسی توان جذب انرژي فوتون در فویل از کد MCNP4C و توانایی انتقال حرارت در فویل از نرم افزار COMSOL استفاده میشود. با ادغام نتایج حاصله، جنس و ضخامت بهینه براي فویل بدست میآید.
مقدمه
بالومترهاي ویدئویی، -3 بالومترهاي فتودیودي. در روش بالومتر آشکارساز بالومتري براي اندازهگیري توان اتلافی تابش شده مقاومتی و ویدئویی، فویل در نقش جذب کننده تشعشعات گسیل
- شار حرارتی - از پلاسماي توکامک بهصورتکارمیرود .[1] به شده از پلاسما بوده و در روش بالومترهاي فتودیودي، فویل به کلی میتوان بالومترهایی که در توکامکها استفاده میشوند را به عنوان فیلتري که ناحیه خاصی از طیف الکترومغناطیس را عبور سه نوع تقسیمبندي کرد که عبارتند از: -1 بالومتر مقاومتی، -2 میدهد، عمل میکند. در این مقاله، ما به بررسی مشخصات فویل در نقش جذب کننده تشعشعات گسیل شده از پلاسما میپردازیم. جنس و ابعاد فویل یکی از پارامترهاي مهم در طراحی سامانه بالومتري میباشد. اولین گام در این قسمت تعیین جنس مناسب فویل براي شرایط کاري پلاسما و سپس تعیین ابعاد فویل مخصوصاٌ ضخامت آن میباشد.
جنس فویل
پارامترهایی که در انتخاب جنس فویل مدنظر هستند عبارتند از: نقطه ذوب، سطح مقطع واکنش با نوترون، ضریب جذب فوتون، استحکام کششی، نسبت انتشار گرمایی به هدایت گرمایی، تبخیر شدن در خلاء، هزینه پایین، در دسترس بودن مشخصات هندسی مدنظر در بازار و غیره. چنین فویلی که داراي همه ویژگیهاي ذکر شده باشد وجود ندارد و میبایستی موازنهاي بین پارامترها برقرار کرد و به بعضی از پارامترها بیشتر اهمیت داده شود و فویل مناسب را انتخاب نمود. تانتالیم، طلا، تنگستن و پلاتین به عنوان فلزاتی که داراي مشخصاتنسبتاً مناسبی بوده و بطور متداول در توکامکها مورد استفاده قرار گرفته است. از عنصر طلا هر چندقبلاً در ساخت فویل استفاده میشده، ولی این عنصر براي راکتورهایی با شار نوترونی بالا مناسب نیست،
زیرا در چنین محیطهایی طلا میل به تبدیل شدن به جیوه را دارد. ساختن فویل تنگستن با ضخامت کمتر از 10 میکرومتر مشکل است و بنابراین استفاده از فویل هاي تنگستنی نیز رایج نمیباشد. پلاتینسطحنسبت به تانتالیم به خاطر مقطع پایین واکنش با نوترون و ضریب جذب بالاي فوتون 3]،[2 مناسبترین گزینه براي جنس فویل میباشد. بنابراین فویل این سامانه از جنس پلاتین انتخاب میشود. ضخامت فویل یکی از پارامترهاي مهم در طراحی، حساسیت سامانه میباشد. براي ارزیابی حساسیت سامانه به تعریف پارامتر توان معادل نویز1 - NEP - پرداخته میشود. توان معادل نویز نشاندهنده سطح توان سیگنال میباشد در زمانیکه نسبت سیگنال به نویز برابر با یک می- باشد.
رابطه توان معادل نویز با حساسیت بالومتري مطابق رابطه زیر میباشد. بنابراین هرچه NEP کمتر باشد، حساسیت سامانه بیشتر است .[4] در رابطه1، k رسانایی حرارتی، ضریب پخش حرارتی فویل t f ضخامت فویل، N تعداد پیکسلهاي فویل، l طول فویل، t تفکیک زمانی آشکارساز، εضریب انتشار جسم سیاه و σSB ثابت استفان – بولتزمن است. با توجه به رابطه1، حساسیت سامانه در یک فویل مشخص - پلاتین - با افزایش ضخامت فویل، کاهش می-یابد و یا به عبارتی دیگر توانایی انتقال حرارت در فویل با افزایش ضخامت فویل کاهش یافته و در نتیجه حساسیت بالومتري کاهش مییابد.
از سوي دیگر با افزایش ضخامت فویل توانایی فویل در جذب انرژي فوتونهاي که به آن برخورد میکنند، افزایش مییابد. بنابراین میبایستی در انتخاب ضخامت فویل موازنهاي بین انتقال حرارت فویل و همچنین توانایی جذب انرژي در آن ایجاد کرد. توان جذب انرژي فوتون به منظور بررسی توان توقف انرژي فوتون در فویل از کد MCNP4C استفاده میشود. بنابراین در قدم اول می بایستی ورودي هاي این کد را پیاده سازي کرد. وروديهاي این کد عبارتند از هندسه و چیدمان سامانه و چشمه ساطع کننده فوتون. خروجی نیز نمودار جذب انرژي فوتون بر حسب ضخامت فویل میباشد.
چیدمان چشمه
چشمه ساطع کننده فوتون در توکامک همان پلاسماي توکامک میباشد که در یک توکامک با سطح مقطع دایرهاي، میتوان چشمه را به سه ناحیه مطابق با شکل1، تقسیمبندي نمود ناحیهکهاز هر تشعشعات پلاسما شامل تابشهاي سیکلوترونی، ترمزي2، خطیو بازترکیب با درصدنسبتاً مشخصی گسیل میشود .
[5] در توکامک قسمت عمده تابش در گستره UV-X-ray از نوع تابش خطی می باشد. ناحیه1 از پلاسما در محل اندرکنش بین لبه پلاسما و محدودکننده3 درون مخزن خلاء قرار دارد در حدوداز 35 درصد توان اتلافی گسیل شده از کل پلاسما را تشکیل می دهد. ناحیه،2 شبه متقارن بوده و در جایی است که مراحل یونیزاسیوننسبتاً زیادي غالب است. این ناحیه در حدود 45 درصد توان اتلافی را گسیل میکند. ناحیه3، به دلیل دماينسبتاً زیاد آن، قسمت عمده تابش از این ناحیه، تابش ترمزي یونهایی است که بطور کامل یونیزه شدهاند.
این تابشها در حدود 25 درصد از توان اتلافی را شامل میشود. بنابراین با ادغام این سه ناحیه و ضریب تاثیر هر کدام در تولید توان اتلافی میتوان به هندسه چشمه دست یافت. پس از شبیهسازي چشمه، با قرار دادن فویل پلاتینی با ضخامت-هاي مختلف از 1 تا 10 میکرومتر در فاصله تقریبی یک متري از چشمه پلاسماي توکامک و بدست آوردن شار خروجی گذرنده از فویل، میتوان ضریب جذب فویل را در بازه انرژي UV-X-ray محاسبه و ترسیم نمود. همانطور که از شکل2 نیز پیداست در یک انرژي مشخص با افزایش ضخامت فویل، ضریب جذب فوتون کاهش مییابد و همچنین در یک ضخامت مشخص، با افزایش انرژي میزان جذب فوتون کاهش مییابد.
براي تعیین ضخامت مناسب فویل به منظور جذب حداکثري فوتون در طیف UV-X-ray، میبایستی نمودار شکل2 را در انرژي ماکزیمم - E=10keV - بررسی کرد زیرا که فویل با ضخامت مناسب براي جذب انرژي ماکزیمم طیف، قادر به جذب انرژيهاي پایینتر طیف نیز میباشد. شکل.2 نمودار ضریب جذب فویل پلاتین بر حسب ضخامت آن در شرایط کاري پلاسما بنابراین در انرژي E=10keV، فویل پلاتین با ضخامت حدود پنج میکرومتر قادر به جذب 70 درصد فوتونهاي برخورد کننده به فویل میباشد. فویل پلاتین با این ضخامت به صورت تجاري [6] mنیز موجود میباشد.
