بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با طراحی و ساخت یک نمونه چشمه پلاسماي کاتد داغ، وضعیت تشکیل پلاسما در خلأ بالا - محدوه 10-3تا 10-4میلیبار - و با اعمال میدان مغناطیسی توسط مجموعه آهنرباهاي دائمی مورد مطالعه قرار گرفت. تأثیر پارامترهاي کنترلی مختلف مانند فشار کاري، پتانسیل تخلیه الکتریکی و جریان اعمالی به چشمه الکترون - رشته تنگستن - بر چگالی پلاسما بررسی گردید. با اعمال ولتاژ تخلیه الکتریکی 57 ولت و میدان مغناطیسی حدود 200 گاؤس و عبور جریان 18
آمپر از رشته کاتد، مقدار بیشینه 130 میلیآمپر براي جریان پلاسما در فشار 1/2×10-4 میلیبار بدست آمد.
مقدمه
رایجترین روش مورد استفاده جهت تولید و نگهداري پلاسما براي کاربردهاي تحقیقاتی و صنعتی، اعمال میدان الکتریکی به یک گاز خنثی است. وقتی الکترونها یا فوتونها با انرژي مناسب به اتمها و مولکولهاي خنثی برخورد میکنند یونها و الکترونهاي دیگر را بوجود میآورند. الکترونهاي ثانوي به همراه الکترونهاي اولیه، دوباره در میدان الکتریکی شتاب میگیرند و خود موجب یونش اتمهاي دیگر میشوند.این فرآیند به همین ترتیب ادامه می- یابد تا اینکه یک بهمن الکترونی بمباران کننده اتمهاي خنثی ایجاد میگردد و کسري - کمتر از یک درصد - از اتمهاي گاز، یونیزه می- شوند و تخلیه الکتریکی اتفاق میافتد و پلاسما تشکیل می- گردد.[3-1]
با توجه به بسامد میدان الکتریکی اعمالی، نحوهي جفت شدن میدان الکتریکی با پلاسما و سازوکار گرمایش پلاسما، این چشمه هاي پلاسمایی به انواع مختلفی تقسیم میشوند. هر یک از این چشمهها بسته به نیاز و شرایط، داراي پیکربنديهاي مختلفی هستند. در برخی از این چشمهها الکترودها میتوانند خارج از محفظهي پلاسما قرار گیرند و در بعضی از آنها از دو روش، به صورت همزمان، براي جفت کردن میدان الکتریکی استفاده می- شود.
در غیاب میدان مغناطیسی طول پویش آزاد الکترونها از مرتبه ابعاد محفظه است و درنتیجه احتمال برخورد الکترون با اتم- هاي گاز ناچیز بوده و بازدهی یونش کم است. از این رو در برخی از چشمهها، از یک میدان مغناطیسی خارجی نیز استفاده میگردد. فشار کاري چشمههاي پلاسما شامل گسترهي وسیعی از فشارهاي زیر پاسکال تا فشارهاي اتمسفري است.
در چشمههاي متعارف تحت خلأ، پلاسما در فشارهاي 0/01 تا چند میلیبار ایجاد میشود و اگر فشار محفظه پلاسما به خارج از این محدوده برده شود، پلاسما خاموش میشود. اما در موارد خاصی مانند سامانه چشمه یون نیاز است که پلاسما در خلأ بالا ایجاد شود.[4] یک چشمه پلاسماي خلأ بالا، چشمهاي است که بتواند در فشارهاي کمتر از شکل: 1 طرحواره چشمه پلاسماي کاتد داغ 0/01 میلیبار پلاسماي پایدار ایجاد نماید. در این پژوهش ابتدا یک چشمه پلاسماي کاتد داغ طراحی و آند از طریق یک فیدتروي ولتاژ بالا به پایانه مثبت یک منبع تغذیه ساخته شد.
پس از آن با اعمال میدان مغناطیسی، پلاسما در خلأ جریان مستقیم متصل گردید. پایانه منفی این منبع تغذیه نیز به یکی بالا تشکیل گردید و با تغییر پارامترهاي کنترلی مختلف - شامل از پایههاي کاتد متصل گردید. در اطراف آند، یک مجموعه جریان رشته، ولتاژ پلاسما و فشار - وضعیت تشکیل پلاسما و یکپارچه از آهنرباهاي دائمی قرار داده شد. این آهنرباها با ایجاد جریان تخلیه در چشمه پلاسما بررسی شد.
میدان مغناطیسی درون آند، طول پویش الکترونهاي گسیلی از در این مقاله ابتدا پیکربندي چشمه پلاسماي ساخته شده و کاتد به سمت آند را افزایش داده و با افزایش احتمال یونش باعث چیدمان آزمایش تشریح گردیده است. تأثیر پارامترهاي کنترلی سهولت در تشکیل پلاسما میشوند. شکل3 تصویري از چشمه
مانند فشار، جریان اعمالی به چشمه الکترون، ولتاژ تخلیه الکتریکی پلاسماي مورد آزمایش را نشان میدهد. و اعمال میدان مغناطیسی بر تشکیل پلاسما بررسی و روي آن بحث شده است. در پایان نتیجهگیري ارائه شده است.
پیکربندي چشمه پلاسما و چیدمان آزمایش
چشمه پلاسماي مورد استفاده در این پژوهش از نوع کاتد داغ است که طرحواره آن در شکل 1 نشان داده شده است. در چشمه پلاسماي ساخته شده از یک رشته تنگستن به عنوان کاتد استفاده گردید که روي یک پایه تفلونی نصب شد و روي صفحه کار دستگاه خلأ قرار گرفت - شکل. - 2 دو انتهاي این رشته از طریق دو فیدتروي الکتریکی به پایانههاي یک منبع تغذیه AC متصل گردید. یک استوانه استیل زنگنزن به عنوان آند روي پایه تفلونی شکل :2 کاتد و پایه نگهدارنده آن قرار داده شد، طوري که رشته کاتد در مرکز فضاي استوانه آند جاي گرفت.
نتایج تجربی و بحث
در این پژوهش، ابتدا با اعمال میدان مغناطیسی به یک چشمه پلاسماي کاتد داغ، پلاسما در خلأ بالا تشکیل شد. پس از آن با تغییر پارامترهاي کنترلی مختلف - شامل جریان رشته، ولتاژ پلاسما و فشار - وضعیت تشکیل پلاسما و جریان تخلیه در چشمه پلاسما بررسی گردید.
الف- تأثیر فشار کاري بر چگالی پلاسما در آزمایش اول براي جریان رشته 18 آمپر و ولتاژ تخلیه 57/2 ولت، تأثیر افزایش فشار محفظه بر جریان تخلیه الکتریکی بررسی شد و نتایج منحنی شکل 4 بدست آمد. همانطور که مشاهده میشود، با افزایش فشار از 1/2×10-4 تا 10-3میلیبار، جریان پلاسما از 130 به 170 میلیآمپر افزایش یافته است. چون با افزایش فشار محفظه، تعداد مولکولهاي گاز زیاد میشود، در نتیجه احتمال برخورد الکترونهاي گسیلی از کاتد با آنها بیشترشده و باعث افزایش درجه یونش گاز و تشکیل پلاسماي چگالتر میشود.
ب- تأثیر چشمه الکترون بر چگالی پلاسما در آزمایش دوم در فشار 2×10-3 میلیبار و ولتاژ تخلیه 45 ولت، تأثیر افزایش جریان رشته کاتد بر جریان پلاسما بررسی شد. نتایج این آزمایش در منحنی شکل 5 آمده است. همانطور که مشاهده میشود، با افزایش جریان رشته از 15 تا 18 آمپر، جریان پلاسما از صفر به 600 میلیآمپر افزایش یافته است. علت آن است که عبور جریان متناوب از رشته تنگستن باعث ایجاد الکترونهاي آزاد میشود. اعمال اختلاف پتانسیل بین رشته و آند، باعث شارش این الکترونها به سمت آند میشود. با افزایش تعداد الکترونهاي گسیلی از کاتد، احتمال برخورد آنها با مولکول- هاي گاز افزایش یافته و چگالی پلاسما بیشتر میشود.
ج- تأثیر ولتاژ تخلیه بر چگالی پلاسما در این آزمایش در فشار 2×10-3 میلیبار و جریان رشته 16 آمپر، تأثیر افزایش پتانسیل تخلیه بر جریان پلاسما بررسی شد. نتایج این آزمایش در منحنی شکل 6 نشان داده شده است.
