بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت پایدار بودن عملکرد مولدهاي پلاسماي پینچ مینیاتوري، ضمن انجام آزمایش هاي مختلف با لحاظ نمودن شرایط مختلف کاري در یک مولد پلاسماي پینچ مینیاتوري 3 ژول، اقدام به بررسی حساسیت دامنهي ولتاژ پینچ به پارامترهاي عملکردي دستگاه یعنی ولتاژ شارژ کنندگی و فشار کاري گاز آرگون گردید. در این کار براي اولین بار، در تحلیل نتایج آزمایشگاهی مولد پلاسماي پینچ، از روش آنالیز حساسیت استفاده شد. نتایج آنالیز نشان دادند کمترین حساسیت دامنه اسپایک ولتاژ مربوط به فشار کاري 1/1 الی 1/3 تور و ولتاژ شارژ 8/3 الی 8/5 کیلو ولت است. به عبارتی دیگر، پایداري عملکرد دستگاه در این محدودههاي فشار و ولتاژ کاري حاصل شده است. در مقابل، در دو تحلیل انجام شده مشخص شد دامنه اسپایک پینچ به ولتاژهاي در بازه 8/7 - 8/9kV و فشارهاي در بازه 1/1 - 1/3torr حساسیت بسیار بیشتري دارد
مقدمه
یکی از مهمترین نشانههاي عملکرد صحیح دستگاه هاي پلاسماي کانونی، وقوع پینچ پلاسما در ادامهي فاز شعاعی دینامیک پلاسمامی باشد .[3-1] در حقیقت، با فشرده سازي ستون پلاسما در
بالاترین نقطه آند می توان شرایطی را فراهم نمود تا به تابشهاي پرانرژي مختلفی دست یافت. عوامل مختلفی در وقوع و سپس در پایداري و کیفیت پینچ - ستون پلاسما - وجود دارند که باید در آزمایشات مختلف به آنها توجه نمود .[3] به عبارتی دیگر، بعد از اینکه بازهي فشار و ولتاژ کاري بهینه دستگاه - که به ازاي آنها تمامی فازهاي دینامیک پلاسما، با کیفیت مناسب به وقوع می-پیوندند - مشخص شدند، باید مناسبترین مقدار را براي هر یک ازاین پارامترهاي دستگاه به عنوان مقادیر بهینه تعیین نمود.
علاوه بردو پارامتر عملکردي 1 دستگاه یعنی فشار گاز و سطح ولتاژ شارژکنندگی بانک خازنی، میتوان به ابعاد الکترودها و برخی پارامترهاي طراحی دستگاه مانند پارامتر - b-a - ، پارامتر L/ - b-a - و پارامتر - b/a - نیز به عنوان پارامترهاي موثر بر عملکرد صحیح دستگاه اشاره نمود .[4-2]در این پژوهش فرایند آنالیز حساسیت پینچ به فشارها و ولتاژهاي کاري مختلف یک مولد پلاسماي پینچ مینیاتوري 3 ژول - ظرفیت کل 84 نانو فاراد، اندوکتانس کل 48 نانو هانري و ولتاژ ماکزیمم 15 کیلو ولت - که شرایط بهنیه پارامترهاي عملکردي آن تحت ولتاژ 8/3 کیلو ولت و فشار گاز آرگون 0/9 میلی بار به دست امده، مورد ارزیابی قرار می گیرند. در این صورت میتوان از نتایج حاصل از آنالیز حساسیت، شرایط کاري بهینه و میزان بهینه این پارامترها را براي دستگاه مورد آزمایش تعیین نمود.
روش کار و آنالیز پارامترهاي عملکردي دستگاه
میتوان میزان حساسیت تغییر دامنه اسپایک ولتاژ - حساسیت پینچ - را به عنوان نشانهي قدرت پینچ پلاسما، برحسب تغییرات پارامتر فشار و ولتاژ شارژکنندگی به ترتیب به صورت زیر بیان نمود:توجه شود که ولتاژ و فشار کاري دستگاه دو پارامتري هستند که با توجه به منحنی پاشن با یکدیگر در ارتباط مستقیم قرار دارند. این نکته به این دلیل حائز اهمیت است که در اجراي آنالیز حساسیت باید پارامترهایی که تغییرات آنها اثر متقابل بر پارامترهاي دیگر دارند، مورد ارزیابی قرار گیرند. لذا با توجه به اینکه در دستگاه پلاسماي کانونی، تغییرات فشار کاري اثر مستقیم بر انتخاب ولتاژ شارژکنندگی دستگاه دارد، این دو پارامتر به عنوان فاکتورهاي مورد نظر این تحقیق انتخاب شدهاند.
بازهي صحیح این دو پارامتر باید به گونهاي انتخاب شوند تا دستگاه بتواند با توجه به ابعاد طراحی شده، شرایط بهینه کاري را رقم بزند. ارتباط بین این دو پارامتر با پارمتر b-a را می توان از منحنی پاشن درك نمود. محور عمودي منحنی پاشن، ولتاژي است که بین دو سر الکترودها اعمال میشود و محور افقی، حاصلضرب فاصلهي بین الکترودها - b-a - در فشار گاز کاري است. از آنجا که ولتاژ کاري دستگاه در حدود 9 کیلو ولت درنظر گرفته شده است، و نیز فاصله الکترودها در تمامی این آزمایش ها یکسان است، در این صورت با توجه به منحنی پاشن، ارتباط پارمترهاي فشار و ولتاژ دستگاه با یکدیگر تقریبا به صورت خطی خواهد بود. تحت این شرایط، میتوان آنالیز حساسیت دامنه اسپایک پینچ را یکبار به فشار گاز به ازاي تغییرات ولتاژ، و بار دیگر به ولتاژ کاري به ازاي تغییرات فشار مورد ارزیابی قرار داد.بنابراین، ابتدا نیاز می باشد طی آزمایشات مختلف، شکل موج ولتاژ تخلیه را براي فشارها و ولتاژهایی که به ازاي آنها پینچ پلاسما نیز حاصل شده است، ثبت نموده و تغییرات دامنه اسپایک ولتاژ را تعیین نمود.
در ادامه میتوان شکل موجهاي ولتاژ تخلیه دستگاه پلاسماي کانونی 3 ژول را براي ولتاژهاي مختلف شارژ کنندگی بانک خازنی مشاهده نمود. این آزمایشات به ازاي فشارهاي گاز آرگون 0/8، 1/1، 1/3، و 1/5 تور و ولتاژهاي شارژکنندگی 8/3، 8/5، 8/7، 8/9، 9/1، و 9/3 کیلو ولت به دست آمدهاند، بگونهاي که وقوع پینچ نیز در آنها مشاهده شده است. تمامی این آزمایشات براي ابعاد مشخصی از الکترودها و عایق بین آنها انجام شدند. کاتد به کار رفته در این آزمایشات از نوع میلهاي بوده که داراي شعاع 8 میلیمتر می باشد. طول موثر آند و عایق نیز به ترتیب برابر 3/1 و 13 میلیمتر میباشند. در شکل 1 می توان نمونه اي از نتایج آزمایشگاهی را که براي ولتاژ 8/3 کیلو ولت و فشارهاي مختلف به دست آمده اند را مشاهده نمود. در جدول 1 نیز نتایج مربوط به تمامی آزمایش ها لیست شده اند.
محاسبه حساسیت - حساسیت پینچ به ولتاژ کاري
در ابتدا به بررسی میزان حساسیت دامنه اسپایک ولتاژ - پینچ - به ولتاژ شارژکنندگی خازن به ازاي فشارهاي مختلف پرداخته می-شود. در شکل 1 می توان نتایج حاصل از محاسبهي حساسیت
دامنه اسپایک به ولتاژهاي مختلف را براي چهار فشار 1/88،1/0، 1/3 و 1/5 مشاهده نمود.با دقت در نمودار شکل 2 می توان نتایج زیر را در تحلیل حساسیت پینچ به ولتاژ کاري بیان نمود:
•به ازاي ولتاژ کاري 8/3 الی 8/5 کیلو ولت، دامنه اسپایک با افزایش فشار ابتدا کاهش و سپس افزایش می یابد؛ با این وجود میزان این تغییرات اندك - حساسیت از مرتبه - 10 است.
•در بازهي ولتاژ 8/5 الی 8/7 کیلو ولت، حساسیت دامنه اسپایک ولتاژ به فشار با افزایش آن شروع به زیاد شدن مینماید. در این بازه ولتاژ نیز حساسیت کم - حساسیت از مرتبه - 10 میباشد.
•به ازاي ولتاژ 8/7 الی 8/9 کیلو ولت حساسیت دامنه اسپایک با افزایش فشار، به شدت کاهش می یابد - حساسیت از مرتبه . - 100
•به ازاي ولتاژ کاري 8/9 الی 9/1 کیلو ولت حساسیت دامنه اسپایک به ولتاژ، با افزایش فشار بیشتر می شود. این حساسیت از دو حالت اول بیشتر اما از حالت سوم کمتر است.
-حساسیت پینچ به فشار کاري
در ادامه، به بررسی میزان حساسیت دامنه اسپایک ولتاژ به فشارهاي مختلف، براي ولتاژهاي کاري مختلف پرداخته میشود. در شکل 3 می توان نتایج حاصل از محاسبهي حساسیت دامنه اسپایک به فشارهاي مختلف را براي شش ولتاژ 8/3، 8/5، 8/7، 8/9، 9/1 و 9/3 کیلوولت مشاهده نمود.با بررسی نتایج نشان داده شده در نمودار شکل 2 می توان به موارد زیر اشاره نمود:
