طراحی و ساخت یک دستگاه پلاسمای کانونی بسیار کوچک قابل حمل92 طراحی و ساخت یک دستگاه پلاسمای کانونی
طراحی و ساخت یک دستگاه پلاسمای کانونی بسیار کوچک قابل حمل92فهرست مطالب فصل اول: عملکرد پلاسمای کانونی 1 1-2 کاربرد های پلاسمای کانونی: 4 2- اصول عملکرد دستگاه پلاسمای کانونی: 6 2-4 مرحله پلاسمای چگال و کانونی شدن 9 2-5 مرحله وقوع ناپایداری و فروپاشی پینچ 10 3- تحلیل مراحل کار پلاسمای کانونی 11 2- مراحل طراحی یک دستگاه پلاسمای کانونی 24 2-1 محاسبه پارامترهای الکتریکی و دوره تناوب تخلیه 25 2-4 محاسبه طول عایق و شعاع داخلی کاتد 27 3- طراحی دستگاه پلاسمای کانونی کوچک 20 ژول 30 3-1 انتخاب سیستم تغذیه الکتریکی مناسب و دوره تناوب تخلیه 30 3-2 طراحی الکترود داخلی (آند) 31 3-3 طراحی الکترود خارجی (کاتد) و عایق بین الکترود ها.. 33 3-4 طراحی سیستم الکتریکی دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول 37 3-4-1 منبع تغذیه و بانک خازنی 37 3-4-3 طراحی سیستم های تخلیه و دمش گاز 38 4- سیستم های آشکارسازی و ثبت اطلاعات 40 فصل سوم: ساخت، نصب و راه اندازی 41 2- ساخت، نصب و راه اندازی دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول.. 45 2-1 قسمت مکانیکی دستگاه 20 ژول 47 2-4 نصب و راه اندازی و آزمایشات اولیه 57 فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری 62 فهرست شکل ها شکل 1-1 ) نمای شماتیک دو دستگاه پلاسمای کانونی3 شکل 1-2) دو نمونه از تصاویر مربوط به کاربرد پلاسمای کانونی5 شکل1-3)طرحی از پلاسمای کانونی و مدار مربوط به آن7 شکل 1-5) نمایی از دستگاه نانوفوکوس15 شکل 1-6) تصویر بیرونی دستگاه نانوفوکوس16 شکل 1-8) سیگنال های الکتریکی مربوط به ولتاژ، مشتق جریان و جریان18 شکل 2-1) بلوک دیاگرام کلی طراحی دستگاه های پلاسمای کانونی28 شکل 2-2) تصویری از بالا از دستگاه29 شکل 2-3) میله آند همراه با عایق دور آن و لایه تفلون جدا کننده32 شکل 2-4) برشی عمودی از دستگاه35 شکل3-1) دستگاه پلاسمای کانونی کوچک 20 ژول که بر روی میز استیل دو طبقه نصب شده است.46 شکل 3-2) اندازه های قسمت های مختلف دستگاه بر حسب میلی متر48 شکل 3-3) سیستم کلی دستگاه 20 ژول50 شکل 3-5) شمای دستگاه کنترل الکترونیکی54 شکل 3-6) بلوک دیاگرام کلی دستگاه55 شکل 3-7) شمای کلی از طرح دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول56 شکل3-8) نمونه ای از سیگنال مشتق جریان58 شکل 3-9) نمونه ای ازسیگنال مشتق جریان59 شکل 3-10) نمونه ای ازسیگنال جریان59 شکل 3-11) تغییرات فرکانس تخلیه با فشار در ولتاز تخلیه 16 کیلو ولت60 شکل 3-12) آرایش TLDهای نصب شده در اطراف دستگاه20 ژول61 فهرست جدول ها جدول1-1مشخصات دستگاه هاي پلاسماي كانوني موجود در مرکزCCHEN20 جدول 2-1) مشخصات الکتریکی چند دستگاه پلاسمای کانونی24 جدول3-1) اسامی برخی از وسایل موجود در آزمایشگاه پلاسمای کانونی کوچک در پژوهشکده فیزیک پلاسما43 جدول 3-2) مشخصات دستگاه پلاسمای کانونی 20 ژول47 فصل اول عملکرد پلاسمای کانونی 1- مقدمه: 1-1 دستگاه پلاسمای کانونی[1]: پلاسمای کانونی دستگاهی از خانواده Z-پینچ[2]های دینامیک است. این دستگاه از دو الکترود هم محور تشکیل می شود که در پایین به وسیله یک عایق از هم جدا می شوند و الکترود بیرونی نقش کاتد و الکترود داخلی نقش آند را بازی می کندو فضایبین آن ها را گازی با فشار پایین پر کرده است.]2و1[ الکترود ها معمولا از جنس مس یا فولاد ضد زنگ ساخته می شوند. جنس عایق در این دستگاه ها ممکن است، چینی، سرامیک، یا تفلون باشد.در این دستگاهاعمال یک ولتاژ بالا به شکل پالسی بیناین دو الکترود هم محور سبب وقوع تخلیه الکتریکی بین دو الکترود میشود که در نتیجه آنیک ستون پلاسمای داغ(با دمای در حدود چند کیلو الکترون ولت)، چگال (در حدود 3-cm1019 -1018) وبا عمر کوتاه (درحدودns200-50) بر روی محور الکترود داخلی تولید میگردد. این دستگاه در دهه 1960 میلادی به طور مستقل توسط فیلیپوف[3] در شوروی و مدر[4] در ایالات متحده آمریکا به دو مدل متفاوت طراحی و ساخته شد که به نام مخترعینشان نامیده می شوند. تفاوت این دو مدل در نسبت طول الکترود داخلی(L)به قطرآن(D) است.درنوع فیلیپوف 1 (در حدود 2/0 یا کمتر) و در نوع مدر 1 (در حدود 5 یا بیشتر) است(شکل 1-1)]2و1[ این اختلاف منجر به تفاوت هایی در فرآیندهای فیزیکی به ویژه در مرحله اول تخلیه می شود، اما در نهایت شاهد نتایج مشابهی در هر دو نوع هستیم. یعنی تشکیل پلاسمایی داغ و چگال با مشخصات ذکر شده در پاراگراف بالا، که منبعی غنی از انواع مختلف تابش های نوترونی، الکترومغناطیسی، الکترونی، پرتو ایکس [5]نرم و سخت و انواع پدیده های پلاسمایی است.]3[ همچنین دستگاههای پلاسمای کانونی ترکیبی (هیبرید) با نسبت های2-1 نیز ساخته شده اند.]5و4[ پلاسمای کانونی ماشینی ارزان و کارآمد برای مطالعه امواج ضربه، پدیده پینچ و کانونی شدن، ناپایداریهای مختلف پلاسما و پدیده های متعدد دیگری است که در آن پلاسما می تواند تا شرایط گداخت گرم شده و مقادیر قابل ملاحظه ای پرتو ایکس نرم و سخت، انواع یون های پرانرژی، پرتوهای الکترون نسبیتی و در صورتی که گاز به کار رفته حاوی دوتریم باشد،نوترون های حاصل از گداخت هسته ای گسیل نماید]6[. شکل 1-1 ) نمای شماتیک دو دستگاه پلاسمای کانونی ]2و1[ 1-2 کاربرد های پلاسمای کانونی: در سال های اخیر پلاسمای کانونی کاربردهای بسیار زیاد پژوهشی، صنعتی و پزشکی یافته که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد]9-6[. 1- برخی از کاربردهای پزشکی مربوط به این دستگاه ها:
2- برخی از کاربردها در صنایع غیرهسته ای:
3- برخی از کاربردهای آن در سیستم های هسته ای:
4- کاربردهای دیگر
درشکل 1-2 دو تصویر از کاربردهای پلاسمایکانونی آورده شده است. این تصاویر مربوط به رادیوگرافی پرتو x و نوترون های حاصل از پلاسمای کانونی برای کاربرد در اکتشاف (برای تشخیص موادی که دارای هیدروژن هستند) است.]5و4[ شکل 1-2) دو نمونه از تصاویر مربوط به کاربرد پلاسمای کانونی: تصویرسمت چپ: رادیوگرافی توسط پرتو x و تصویرسمت راست: کاربرد نوترون ها در تشخیص مواد هیدروژنه]5و4[ برای کاربردهای مختلف مهندسی و پزشکی به دلایل مختلف از جمله برای کاهش مشکلات فنی و شار بسیار زیاد پرتوها که به ویژه در موارد استفاده های پزشکی نیازی به آن نیست، به دستگاهی که به راحتی قابل جابه جایی (و طبیعتا با ابعاد کوچک و انرژی کمتر)، قابل اطمینان، دارای نرخ تکرار بالا (همراه با تغییرات نسبتا کم در انجام تخلیه هایی با شرایط اولیه یکسان) و با طول عمر زیاد باشد نیاز است. در سالیان اخیر گروه های تحقیقاتی مختلفی تلاشهای زیادی برای توسعه دستگاه های پلاسمای کانونی قابل حمل در محدوده انرژی های از کمتر از یک ژول تا چند ده ژول انجام داده اند.]11و10[ دستگاههای پلاسمای کانونی با انرژیهای بانک خازنی کمتر می توانند با نرخ های تکرار بسیار بالاتر کار کنند. همچنین دستگاههای پلاسمای کانونی کوچک برای تحقیقات پلاسما جالب توجه هستند و برای کاربرد به عنوان چشمه های پالسی پرتوهای مختلف بسیار مناسبند، چرا که نسبت به منابع سنتی رادیواکتیو، آلودگی کمتری دارند. تابش پالسی(نوترونها و پرتو ایکس) از پلاسمای کانونی دارای طول زمانی چند ده تا چند صدنانو ثانیه است]8[. 2- اصول عملکرد دستگاه پلاسمای کانونی: مراحل مختلف عملکرد دستگاه پلاسمای کانونی عبارتند از]6[: 1- مرحله شکست و تخلیه سطحی 2- مرحله رانش محوری[6] 3- مرحله تراکم شعاعی 4- مرحله پلاسمای چگال و کانونی شدن 5- مرحله وقوع ناپایداری و فروپاشی پینچ شکل1-3)طرحی از پلاسمای کانونی و مدار مربوط به آن. تشکیل پینچ پلاسمایی در چند مرحله صورت می گیرد: شروع شدن تخلیه از سطح عایق، شتابدار شدن لایه جریان در راستای الکترودها و فشردگی شعاعی و تشکیل پینچ]12[ 2-1 مرحله شکست و تخلیه سطحی در مرحله اول با بسته شدن کلید اختلاف پتانسیل زیادی بین دو الکترود اعمال می شود که در صورت مناسب بودن شرایط باعث تخلیه الکتریکی در گاز داخل محفظه روی سطح عایق جدا کننده دو الکترود می گردد، در نتیجه اثر پوستی یک لایه جریان بر روی سطح عایق شکل میگیرد. این مرحله شکست و تخلیه سطحی بسیار مهم است زیرا رفتارهای بعدی تخلیه به کیفیت لایه جریان تشکیل شده در این مرحله بستگی دارد. طبیعی است که کمینه ولتاژی برای شکست وجود د اردکه این ولتاژ شکست از قانون پاشن[7] بهدست می آید]14و13و6[. این لایه جریان یک میدان مغناطیسی را ایجاد میکند که نیروی لورنتسی وارده از طرف آن بر لایه جریان باعث جدا شدن لایه جریان از عایق میشود.در اینجا مرحله شکست به پایان میرسد.]6[ 2-2 مرحله رانش محوری این مرحله با جدا شدن لایه جریان از عایق شروع میشود.لایه جریان که بطور شعاعی از الکترود داخلی به الکترود خارجی جاری می گردد بر اثر نیروی لورنتس در راستای محور شتاب میگیرد.به علت وابستگی میدان مغناطیسی به شعاع،نیروی لورنتسی با افزایش فاصله از الکترود داخلی کمتر میشود. بنابراین شکل لایه جریان تخت نبوده و به صورت تابعی از (r,z) دارای انحنا است، (شکل 1-3 ) وهمان طوری که مشاهده می شود دارای تقارن محوری بوده و شکل آن به صورت سهمیوار خواهد شد. این مرحله در پلاسمای کانونی نوع فیلیپوف وجود نداردو هنگامی که لایه جریان به انتهای آند میرسد پایان مییابد.]14و13و6[. 2-3 مرحله تراکم شعاعی این مرحله با رسیدن لایه جریان به انتهای الکترود داخلی شروع میشود و بعد از آن یک انتهای لایه جریان روی الکترود خارجی حرکت کرده و انتهای دیگر آن روی سطح افقی الکترود داخلی به حرکت خودادامه میدهد و گاز پیش روی خود را جاروب میکند. در این مرحله شکل لایه جریان شبیه یک قیف است. زمانی که ستون پلاسما به کمینه شعاع میرسد متناظر با بیشینه چگالی بوده (3-cm 1019) و این مرحله به پایان میرسد]6[. در صورتی که برای تحلیل این مرحله از مدل برفروبی[8] استفاده شود، مقدارمحاسبه شده شعاع ستون پلاسما در پایان آن برابر صفر خواهد بود که از نظر فیزیکی مردود است. در آن مدل فرض می شود که وقتی لایه جریان شتابدار در جهت محوری در مکان z است، همه جرم انباشته شده در آن در نقطه z قرار دارد و با وجود این که مرحله رانش محوری را به خوبی تحلیل می کند اما همان طوری که در بالا شرح داده شد برای تشریح مرحله تراکم شعاعی مناسب نیست. برای رفع این مشکل لی[9] یک مدل قطعه ای[10]پیشنهاد کرده که در قسمت های بعد توضیح داده خواهد شد]14و13و6[. 2-4 مرحله پلاسمای چگال و کانونی شدن در نتیجه تراکم شعاعی یک ستون پلاسمای داغ و چگال (پینچ) در یک ناحیه کوچک حول محور استوانه و در مجاورت آند تشکیل می شود. اندازهگیری های تجربی نشان داده اند که در لحظه وقوع پینچ، در منحنی جریان و مشتق جریان افت ناگهانی و در منحنی ولتاژ افزایش ناگهانی مشاهده می گردد که این علامت یک پینچ خوب است، بنابراین تراکم بیشینه پلاسما باید نزدیک به قله جریان رخ دهد،جریان در پینچ به انرژی مولد توان پالسی بستگی دارد و مقادیر آن از دهها کیلو آمپر تا چند مگا آمپر تغییرمی کند]14و13و6[. 2-5 مرحله وقوع ناپایداری و فروپاشی پینچ در نهایت ستون پلاسمای داغ و چگال تشکیل شده به سرعت بر اثر ناپایداری های تخریب خواهد شد(در مدت زمان حدود 200-50 نانو ثانیه)]15و6[. مراحل ذکر شده در اغلب این دستگاه ها چند میکروثانیه و در دستگاه های سریع جدید کمتر از ns500 طول می کشد]14و13[. با وجود اینکه دستگاه های پلاسمایکانونی در گستره وسیعی از انرژی کار می کنند اما پارامترهای پلاسما (دما و چگالی الکترونی) در آنها تقریبا ثابت باقی می مانند. مقدار سرعت لایه جریان نیز در عملکردبهینه همه PF ها تقریبا مساوی ( در مرحله محوری از مرتبه1-ms105×1 و در مرحله تراکم شعاعی از مرتبه1-ms105×2) است. این دو ویژگی ناشی از دو پارامتری هستند که در گستره وسیعی از دستگاه های پلاسمای کانونی(از چند صد ژول تا مگا ژول) تقریبا ثابت باقی می مانند که عبارتند از: پارامتر راه انداز[11] و چگالی انرژی که درآنها E انرژی ذخیره شده در بانک خازنی بر حسب ژول، بیشینه جریان بر حسب کیلو آمپر، a شعاع آند بر حسب سانتی متر و p فشار گاز برای مقدار بهینه تولید نوترون بر حسب میلی بار هستند. برای دستگاه های نوع مدر که در ناحیه بهینه گسیل نوترونی کار می کنند مقدار پارامتر راه انداز در محدوده 7±77 و مقدار چگالی انرژی دارای مقداری از مرتبه 1010×(10-1)است ]16و10و5[. با استفاده از مدل برفروبی برای مرحله محوری و مدل قطعه ای برای مرحله شعاعی زمانهای گذار محوری و شعاعی(به ترتیب، زمان لازم برای رسیدن لایه جریان به بالای آند و زمان لازم برای فشردگی شعاعی جهت کانونی شدن) برای جبهه موج ضربه ای پلاسما برابرند با:
3- تحلیل مراحل کار پلاسمای کانونی مدل های نظری مختلفی برای تحلیل مراحل کار پلاسمای کانونی ارائه شده اند. اما هیچ یک از این مدل ها به طور کامل نمی توانند نتایج تجربی را تحلیل کنند.در این جا دومدل قطعه ای و برف روبی که برای تحلیل عملکرد این دستگاه به کار رفتهاند تشریح می شوند. 3-1 مدل جاروبی یا برف روبی این مدل و همچنین مدل قطعه ای که در بخش بعدی توضیح داده میشود، مختص پلاسمای کانونی نیستند بلکه قبل از آن برای بررسی دینامیک انواع دیگرZ-پینچ ها مورد استفاده قرار گرفته است. در مدل جاروبی فرض میشود که لایه جریان که بسیار نازک است هنگامی که در اثر نیروی لورنتسی حرکت می کند تمام گاز پیش روی خود را جاروب کرده و در خود جمع می کند. پهنای این لایه ناچیز (نزدیک به صفر) در نظر گرفتهو به همین علت، این مدل را مدل بدون ساختار می نامند.همانطور که ذکر شد این مدل با وجود آن که مرحله رانش محوری را به خوبی تحلیل می کند اما وقتی که به مرحله تراکم شعاعی اعمال می شود شعاع پینچی برابر صفر را به دست می دهد و برای رفع این مشکل لی یک مدل قطعه ای پیشنهاد کرد]6[: شکل 1-4) طرحی شماتیک از مراحل محوری(بالا) و شعاعی(پایین). ]14و13[ 3-2 مدل قطعه ای در این مدل برای مرحله حرکت محوری مدل برف روبی به کار می رود ولی از آنجا که مدل برفروبی نمی توانست مرحله تراکم شعاعی را به طور درست تحلیل کند برای مرحله تراکم شعاعی، یک جبهه موج ضربه ای در نظر گرفته می شود که به وسیله یک لایه پلاسما با ضخامت کم از لایه جریان که پیستون مغناطیسی نامیده می شود جدا می گردد. این لایه توسط نیروی لورنتز بطور شعاعی به داخل رانده می شود. از آنجایی که در مقابل حرکت به بالا مانعی وجود ندارد با رانش به داخل، طول ستون پلاسما نیز افزایش خواهد یافت. همان طوری که گفته شد در این مدل گاز برخورد کرده با جبهه موج ضربه ای به صورت پلاسما بین جبهه موج ضربه و پیستون مغناطیسی قرار گرفته و تشکیل یک قطعه پلاسما می دهد، جبهه موج ضربه پس از برخورد با محور دستگاه به طرف بیرون منعکس می شود، در حالي كه پيستون به حرکت خود به سمت داخل ادامه می دهد تا در نهایت باموج ضربه منعکس شده برخورد می کند، در آن نقطه حرکت پیستون متوقف می شود و شعاع ستون پلاسما به حداقل و چگالی به حداکثر میرسد(پینچ)]14و13و6[. 4- دستگاه نانوفوکوس دستگاه نانوفوکوس،کوچکترین دستگاه پلاسمای کانونی جهان (با انرژی 0.1 J ) است که در مرکز [12]CCHENشیلی ساخته شده است. نمایی کلی از این دستگاه در شکل های1-5 و 1-6 نشان داده شده است. یک جفت الکترود برنجی به قطر mm 200 به عنوان خازن برای انجام تخلیه عمل می کنند. یک لوله مسي به قطر mm 6/1 که با آلومینا پوشانده شده به مرکز صفحه آند متصل می شود و از یک سوراخ کوچک در مرکز کاتد عبور میکند. چهار فیلم دی الکتریک [13]PVDFبه ضخامت µm80 بین دو صفحه قرار داده شده اند. ظرفیت اندازه گیری شده nF 9/4 و ابعاد کلی دستگاه cm5×cm20×cm20 است. [1]Plasma Focus [2] Z-Pinch [3]Filipov [4]Mather [6]Run-Down [7]Pashen [8]Snow-Plow [9]Lee [10] Slag Model [11]drive parameter [12]CommissionChilen de Energia Nuclear [13]Polyvinylidenefluoride جهت کپی مطلب از ctrl+A استفاده نمایید نماید |
||||||||
