بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، یک مدل تجربی از تخلیه گازي در فشار پایین و با هندسه تخلیه شبه جرقهاي - PSD - مورد بررسی قرار گرفته است. این وسیله در حالت کلیدي - PSS - جهت راهاندازي لیزرهاي گازي TE قابل استفاده است و امکان تعداد پالس بالا و خیزجریان کوتاه را در اختیار قرار میدهد و براحتی میتواند جایگزین تایرترونهاي گران قیمت شود. طرح PSS ساخته شده استوانهاي است. تاثیر پارامترهاي مختلف از جمله تغییر نوع گاز و مدار خارجی بر روي مشخصات PSS - زمان خیز، قله جریان، فرکانس تکرار پذیري و لغزش - به صورت تجربی بدست میآید. این کلید فرکانس تکرار بیش از 2KHz را در اختیار قرار میدهد.
مقدمه
تخلیه شبه جرقهاي - اختصارا - PSD در1977م. کشف و معلوم شد[1]، که کاتدهاي سرد در هندسه خاص بیشتر از کاتدهاي گرم الکترون آزاد کرده و باریکه بهتري تولید میکنند. امروزه کلیدهاي بر پایه PSD معمول شدهاند. در بسیاري از کاربردها این کلیدها - اختصارا - PSS، جاي تایرترونها را گرفتهاند و به جز در فرکانس تکرار، PSS در دیگر مشخصهها از تایرترون بهتر است. ولتاژي که در آن تخلیه اتفاق میافتد تابعی از فاصله الکترودها و فشار است.
این نمودار به منحنی پاشن معروف است - شکل. - 3 براي هندسههاي پیچیده مانند PSD، منحنی پاشن فقط به عنوان تقریب اول مورد استفاده قرار میگیرد. هر گاز منحنی پاشن مخصوص به خود را دارد. به سمت آند شتاب میدهد و یک بار فضایی مثبت پشت سر آنها بر جاي میماند. یونها شتاب گرفته و به درون کاتد برخورد میکنند و الکترونهاي ثانویه آزاد میشوند. سپس یونیزاسیون آبشاري بار فضایی را افزایش می دهد.
هندسه تخلیه
به PSD، تخلیه کاتد حفرهاي یا اختصارا HCD نیز گفته میشود، زیرا کاتد، باید یک حفره بسته با یک سوراخ یا شکاف کوچک در سمت روبهروي آند باشد. آند نیز میتواند حفرهاي باشد. در شکل1 میتوان یک نماي کلی از یک طراحی ساده را مشاهده کرد. در سمت چپ، براي عبور باریکه الکترونی یک سوراخ و در سمت راست یک شکاف در نظر گرفته شدهاست. فازهاي مختلف در تخلیه کاتد حفره اي فرض کنیم PSS ما تشکیل شده است از: یک کاتد به شکل استوانهاي که در مرکز یکی از قاعدههاي آن یک سوراخ کوچک دارد و آند یک صفحه فلزي موازي با این قاعده است. شکل 4 یک شبیهسازي کامپیوتري براي این کلید را نشان میدهد.[2]
بر اساس این شکل، تخلیه را میتوان در شش فاز مختلف توصیف کرد. تخلیه تازند: الکترونها و یونها در این فاز ممکن است توسط تابش زمینه کیهانی، فوتویونیزاسیون و یا تریگ الکتریکی باشند. در این فاز میدان الکتریکی فقط تابعی از شکل هندسی است. سطوح همپتاسیل تقریبا موازي با سطح آند میباشند. میدان الکترونها را شکل :3 الف- فاز تازند. ب- تشکیل پلاسما. ج- توسعه پلاسما. د- اثر آونگی شکل گیري پلاسما: افزایش بار فضایی شکل میدان را تغییر میدهد و سطوح همپتاسیل را به داخل کاتد میکشاند میدان در فاصله کاتد و آند کم میشود و پلاسماي اولیه ایجاد میشود.
اثر آونگی:[3] پلاسماي درون کاتد یک غلاف پتانسیلی، در نزدیکی سطح داخلی کاتد ایجاد میکند - شکل3ج - . سد پتانسیل الکترونها را به سمت مرکز کاتد شتاب میدهد. الکترونها پس از رد شدن از مرکز در سمت دیگر، در سد نفوذ میکنند. سپس الکترونها دوباره در جهت مخالف شتاب گرفته و دوباره از مرکز میگذرند.سرعت یونیزاسیون با افزایش احتمال برخورد یونیزه کننده در کاتد افزایش مییابد. توسعه پلاسما: با انقباض بیشتر غلاف، ضریب افزایش الکترونها کمی افت میکند. در این حالت غلاف داراي تعداد محدودي الکترون است. با انقباض غلاف یونیزاسیون در داخل غلاف کاهش پیدا میکند.
کاهش الکترونهاي پر انرژي باعث کاهش یونیزاسیون میشود ولی ضریب افزایش الکترونها در حدي باقی میماند که باعث ثابت نگه داشتن پلاسما میشود که نتیجه آن افزایش مداوم جریان است. انقباض پلاسما: میدان مغناطیسی ناشی از جریان باعث تنگش باریکه الکترونی در حال عبور از سوراخ کاتد میشود میشود. واهلش پلاسما: جریان ایجاد شده باعث تخلیه خازنهاي مدار میشود و با نبود منبع انرژي پلاسما شروع به باز ترکیب میکند[4]و .[5]
مدل تجربی
در این تجربه کاتد به صورت سه تکه، شامل: پوسته استوانهاي، پیستون و یک درپوش ساخته شد. استوانه با شعاع داخلی 3cm، شعاع خارجی 4cm و ارتفاع 8cm میباشد. سطح داخلی استوانه به جز1 سانتیمتر از سر آن که قلاویز شده کاملا صاف است. قطر پیستون با قطر داخلی استوانه برابر است. با قرار دادن پیستون در داخل استوانه و پیچاندن آن میتوان حجم کاتد را تغییر داد. درپوش نیز در سر مقابل نصب میشود. در مرکز درپوش یک سوراخ به قطر 4mm براي عبور باریکه الکترونی تعبیه شده است.
استوانه و پیستون از جنس برنج و درپوش از آلومینیوم ساخته شدند - شکل4ب - . آند مشابه با کاتد است، ولی ارتفاع استوانه 6cm انتخاب شد، زیرا در آند حفرهاي باریکه پس از ورود به داخل آن پخش میشود و فرسایش کمتري ایجاد میکند. عایق بین کاتد و آند یک قطعه پلکسی گلاس به ضخامت 0/8cm بود که ولتاژ آتش کلید را ضخامت آن تعیین میکند. در مرکز آن سوراخی به قطر 3mm براي عبور باریکه الکترونی ایجاد شد.
براي بدنه اصلی کلید از دو قطعه پلکسی به ضخامت 5cm و 2cm و مساحت 18×30cm2 استفاده شد. در وسط قطعه ضخیم محفظهاي ایجاد شد که در آن دو الکترود و عایق قرار داده شدند. از دو سمت دو سوراخ به قطر 1/4cm ایجاد شد. براي گاز دهی و خلاءسازي در آنها دو عدد اتصال گازي نصب شد. با جدا کردن شیلنگها میتوان یک پیچگوشتی را از داخل اتصالات گازي عبور داده و با چرخاندن پیستونهاي الکترودها، حجم را تغییر داد.
اندازه گیري
مدار آزمایش مطابق با شکل 6 بسته شد. براي اندازهگیري از دو حسگر الکتریکی و مغناطیسی استفاده شد. حسگر الکتریکی شکل :4 الف: شکل نهایی کلید قبل از بسته شدن بدنه ب:قطعات ساخته شده از نوع HVP-15HF بود. حسگر مغناطیسی از 22 دور سیم بر روي یک لوله پلاستیکی نعلی شکل ساخته و از آن براي اندازهگیري باریکه الکترونی استفاده شد. آزمایش براي سه گاز هوا، هلیوم و CO2 تکرار شد. براي هر گاز، تکرار پذیري، قله جریان، زمان خیز، عرض پالس، مقاومت و لغزش اندازهگیري شد.
