بخشی از مقاله
چکیده
انرژی هسته ای عبارت است از انرژی رها شده از واکنش های هسته ای. به طور کلی واکنش هسته ای به فرآیندی اطلاق می شود که در آن هسته اتم از طریق برهمکنش با ذرات بنیادی یا سایر هسته های اتمی تغییر می یابد. یک روش پاک برای آزاد سازی انرژی هسته های پر انرژی، گداخت - همجوشی - هسته ای نام دارد. وقتی دو هسته سبک با هم ترکیب می شوند یا به هم جوش می خورند، انرژی زیادی - معمولا به صورت انرژی جنبشی نوترون ها و ذرات آلفا - آزاد میشود. پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار - الکترون و یون - و اتم های خنثایی است که رفتار جمعی از خود نشان می دهد.
برای اندازه گیری پارامترهای تشخیصی پلاسما همچون دما از سیستم تشخیصی تبادل بار استفاده می شود. این سیستم در سامانه تشخیصی توکامک دماوند وجود دارد. در این مقاله ما به شبیه سازی مسیر ذرات در آنالیزور الکتریکی-مغناطیسی سامانه تبادل بار پرداخته ایم. هندسه سامانه را به صورت دو استوانه متحد المرکز در نظر گرفته ایم که بوسیله یک منبع یونی که با یک صفحه مدل شده است، تغذیه می گردد. آشکار ساز نیز به صورت یک صفحه در انتهای مسیر مشخص می گردد. به منظور در نظر گرفتن ذرات با پراکندگی جرمی و انرژی مناسب منبع یونی به صورت ماتریسی در نظر گرفته شده است. قدرت تفکیک پذیری ذرات بر حسب انرژی و جرم با کاهش عرض کانال صفحه آشکار ساز افزایش میابد.
.1 مقدمه
انرژی هسته ای عبارت است از انرژی رها شده از واکنش های هسته ای. به طور کلی واکنش هسته ای به فرآیندی اطلاق می شود که در آن هسته اتم از طریق برهمکنش با ذرات بنیادی یا سایر هسته های اتمی تغییر می یابد یک روش پاک برای آزاد سازی انرژی هسته های پر انرژی گداخت - همجوشی - هسته ای نام دارد. وقتی دو هسته سبک با هم ترکیب می شوند یا به هم جوش می خورند، انرژی زیادی - معمولا به صورت انرژی جنبشی نوترون ها و ذرات آلفا - آزاد میشود. پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار - الکترون و یون - و اتم های خنثایی است که رفتار جمعی از خود نشان میدهد .
یکی از سیستمهای تشخیصی پلاسما سامانه تبادل بار می باشد. این سیستم بر اساس تبادلبار یونهای پلاسما با اتمها و تشکیل اتمهای خنثی استوار است. اتمهای خنثی تشکیل شده، چون تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار نمیگیرند، به سرعت پلاسما را ترک می کنند و به این ترتیب اطلاعاتی را در مورد پلاسما به خارج منتقل کنند. این اتمها، اتمهای خنثای سریع نامیده می شوند. انرژی جنبشی اتمهای خنثای خارج شده متناسب است با دمای یونهای پلاسما. در صورتیکه اتمهای خارج شده آشکارسازی گردند، دمای یونهای پلاسما بدست میآید. بدین منظور از سیستمهای آنالیز جرم و انرژی استفاده میگردد1 ]و. [ 2 در اینجا ابتدا به توضیح اصول بکار رفته در این سیستمها می پردازیم. شکل زیر اجزای مختلف یک آنالیزور جرم و انرژی را نمایش میدهد.
شکل - - 1 شماتیک سیستم آنالیزور جرم و انرژی
ابتدااتمهای خنثای خارج شده از پلاسما یونیزه میگردند. بدین منظور معمولا از دو شیوه استفاده میگردد.-1 استفاده از هدف گازی--2استفاده از یک هدف جامد. در آنالیزورهایی که مبتنی بر هدف گازی می باشند، ذرات خنثایی که از پلاسما خارج شده اند وارد اتاقک یونش می شوند و سپس در اثر برخورد با گاز درون اتاقک یونش، یونیزه می شوند. در آنالیزورهایی که بر پایه هدف جامد استوار است، یونیزاسیون اتمهای خنثی توسط یک هدف جامد انجام میگیرد. در هر دو حالت، ذرات یونیزه شده تحت تاثیر میدان مغناطیسی و میدان الکترواستاتیکی قرار میگیرند. وجود این میدانها باعث منحرف شدن ذرات و برخورد آنها با آشکار ساز چند کاناله می شود و به این ترتیب طیف دما و جرم یونها به دست میآید.
طبق بررسیهایی که بر روی حساسیت آنالیزورهای با ماده هدف گازی مثل نیتروژن با 3/5×1013 اتم در سانتیمتر مکعب و یا هدف جامد کربن با ضخامت 50 آنگستروم و 5×1016 اتم در سانتی متر مکعب در شرایط یکسان به عمل آمده است، مشاهده شده که حساسیت آنالیزورهای با هدف جامد، برای ذراتی با انرژی 0/1 eV، شصت مرتبه و برای ذراتی با انرژی 10 keV، هزار مرتبه بیشتر از آنالیزورهایی با هدف گازی است. هدفهای جامد برای آنالیز اتمهای با انرژی بیشتر از 100 eV بسیار موفق بودهاند. سیستم یونیزاسیون در سامانه تحلیل گر تبادل بار توکامک دماوند بر مبنای هدف جامد استوار است.
در این سیستمها ذرات یونیزه شده تحت تاثیر میدانهای الکتریکی و مغناطیسی قرار می گیرند و بر حسب انرژی و جرمشان از هم تفکیک میگردند. ذرات جدا شده با آشکارساز برخورد کرده و نمایان میگردند. میدانهای الکتریکی برای جداسازی ذرات بر حسب بار و میدانهای مغناطیسی برای جداسازی ذرات بر حسب جرم مناسب می باشند. سیستم آشکارساز سامانه تحلیلگر تبادلبار توکامک دماوند صفحات ریز حفره می باشد. این نوع آشکارسازها متشکل از میلیونها حفره در یک سطح دوبعدی می باشد که معمولا از شیشه سربی ساخته می شود. هر یک از حفرهها نقش یک تقویت کننده الکترون ثانویه را بازی می کنند.
.2 سامانه آنالیزور تبادل بار در توکامک دماوند
در اینجا به معرفی سامانه آنالیزور تبادل بار توکامک دماوند می پردازیم. شکل زیر سامانه آنالیزور تبادل توکامک دماوند را نمایش میدهد. بخشهای مختلف این سیستم در شکل - - 2 شماره گذاری شده است. که در آن: - 1 روزنه ورودی - 2 هدف - 3 دیواره محفظه - 4 میدان مغناطیسی - 5 مسیر یون های منتخب - 6 صفحات خمیده آنالیزور الکترواستاتیکی - 7 روزنه خروجی - 8 آشکارساز می باشد.
شکل - - 2 سامانه آنالیزور تبادل توکامک دماوند
اتم های خنثای هیدروژن با عبور از یک روزنه به هدف جامد می رسند و در آن جا با از دست دادن الکترون خود به یون های مثبت تبدیل شده و سپس از داخل یک میدان مغناطیسی عبور کرده و به یک آشکارساز می رسند. به این ترتیب شار یون ها - که در واقع شار اتم های خنثی می باشند - ، آشکارسازی می شود.
.3شبیه سازی مسیر حرکت ذرات در سامانه آنالیزور تحلیلگر تبادلبار
ابتدا به توضیح هندسه طراحی شده برای سامانه آنالیزور تبادل بار میپردازیم. همانطور که شکل - - 3 نشان می دهد این سامانه به صورت دو استوانه متحد المرکز است که به صورت کاتد و آند دارای پتانسیل الکتریکی میباشند. شعاع استوانه داخلی 5 سانتی متر و شعاع استوانه خارجی 20 سانتی متر و ارتفاع استوانه ها نیز 20 سانتی متر می باشد. به منظور جلوگیری از انحراف ذرات از حاشیه های بالا و پایین یک پتانسیل هدایت گر به سطوح بالا و پایین اعمال کردهایم.
صفحات منبع وظیفه تولید شار ذرات باردار را برعهده دارند. این صفحات به صورت چند تکه در نظر گرفته شدهاند تا امکان شبیه سازی ذرات شارشی منبع با انرژی جنبشی و جرم متفاوت فراهم گردد. در سمت دیگر یک صفحه آشکار ساز داریم که ذراتی که دارای شعاع انحراف مناسبی باشند، امکان برخورد با آن را می یابند و آشکار میگردند. در شکل - 4 - صفحات منبع به صورت بلوکهای ماتریسی در آمده است تا امکان در نظر گرفتن ذرات به صورت نقطه ای با پراکندگی جرمی و انرژی بیشتری فراهم گردد. همچنین آشکار ساز نیز به صورت 8 کاناله در نظر گرفته شده است. به منظور بدست آوردن تفکیک انرژی بیشتر می توان تعداد کانالها را با کاهش عرض آنها افزایش داد.
شکل - - 3 هندسه طراحی شده برای آنالیزور تبادل بار با منبع 4تکهای
شکل - - 4 هندسه آنالیزور تبادل بار با منبع شارشی چند گانه
میدان الکتریکی با اعمال پتانسیل به سطوح استوانههای داخلی و خارجی ایجاد میگردد. به منظور اعمال میدان مغناطیسی در جهت عمود بر حرکت ذرات از یک سیم پیچ جریانی استفاده کردهایم. شکل - - 5 میدان مغناطیسی اعمال شده توسط سیم پیچ جریان را نمایش می دهد. ابتدا فرض می کنیم که ذرات ما انرژی جنبشی و جرم یکسانی دارند. لذا به منبع شارشی چند تکه، ذرات با انرژی و جرم یکسان اعمال می کنیم. در نتیجه شعاع انحرافی ذرات تنها به موقعیت هندسی ذره در منبع شارشی بستگی میابد.
شکل - 6 - مسیر و انرژی ذرات را در منبع چهار تکه نمایش میدهد. همانطور که ملاحظه میگردد ذراتی که منبع شارش آنها به سطوح بالا و پایین استوانه نزدیکتر باشد با وجود اعمال پتانسیل هدایتگر از بالا و پایین خارج گردیدهاند. پتانسیل اعمال شده به کاتد 1500 ولت و پتانسیل اعمال شده به صفحات هدایت گر 1000 ولت میباشد. میدان مغناطیسی از یک سیم پیچ جریان با جریانی برابر 50 آمپر و تعداد دور 2000 دور تشکیل شده است. این سیم پیچ میدان مغناطیسی در حد یک تسلا در فضای داخل بین دو استوانه ایجاد می کند. منبع شارش یونی به صورت پروتون میباشد که دارای انرژی اولیه 1 کیلو الکترون ولت می باشد.
