مقدمه

رایجترین روش مورد استفاده جهت تولید و نگهداري پلاسـما براي کاربردهاي تحقیقاتی و صنعتی، اعمال میدان الکتریکی به یک گاز خنثی است. وقتی الکترونها یا فوتونها با انـرژي مناسـب بـه اتمها و مولکولهاي خنثی برخورد میکنند یونها و الکتـرونهـاي دیگر را بوجود میآورند. الکترونهاي ثانوي به همراه الکترونهاي اولیه، دوباره در میدان الکتریکی شتاب میگیرنـد و خـود موجـب 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 اتفـاق مـیافتـد و پلاسـما تشـکیل مـی-

گردد.[۳-۱]

با توجه به بسامد میدان الکتریکـی اعمـالی، نحـوهي جفـت شـدن میدان الکتریکی با پلاسما و سازوکار گرمایش پلاسما، این چشـمه هاي پلاسمایی به انواع مختلفی تقسیم میشـوند. هـر یـک از ایـن چشمهها بسته بـه نیـاز و شـرایط، داراي پیکربنـديهـاي مختلفـی هستند. در برخی از این چشمهها الکترودهـا مـیتواننـد خـارج از محفظهي پلاسما قرار گیرنـد و در بعضـی از آنهـا از دو روش، بـه صورت همزمان، براي جفت کردن میدان الکتریکـی اسـتفاده مـی-

شود. در غیاب میدان مغناطیسـی طـول پـویش آزاد الکتـرونهـا از

۱۹۷

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 ۰/۰۱ 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.[۴] یک چشمه

پلاسماي خلأ بالا، چشمهاي است که بتواند در فشارهاي کمتر از
شکل: ۱ طرحواره چشمه پلاسماي کاتد داغ

۰/۰۱ 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 تغذیـه
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 کاتـد متصـل گردیـد. در اطـراف آنـد، یـک مجموعـه
جریان رشته، ولتاژ پلاسما و فشار) وضعیت تشکیل پلاسما و
یکپارچه از آهنرباهاي دائمی قرار داده شد. این آهنرباهـا بـا ایجـاد
جریان تخلیه در چشمه پلاسما بررسی شد.
میدان مغناطیسی درون آند، طول پـویش الکتـرونهـاي گسـیلی از
در این مقاله ابتدا پیکربندي چشمه پلاسماي ساخته شده و
کاتد به سمت آند را افزایش داده و با افزایش احتمال یونش باعـث
چیدمان آزمایش تشریح گردیده است. تأثیر پارامترهاي کنترلی
سهولت در تشکیل پلاسما میشـوند. شـکل۳ تصـویري از چشـمه
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 کاتـد داغ است که طرحواره آن در شکل ۱ نشان داده شده است. در چشـمه پلاسماي ساخته شده از یک رشته تنگستن به عنوان کاتـد اسـتفاده گردید که روي یک پایه تفلـونی نصـب شـد و روي صـفحه کـار دستگاه خلأ قرار گرفت(شکل.(۲ دو انتهاي این رشته از طریق دو فیدتروي الکتریکی بـه پایانـههـاي یـک منبـع تغذیـه AC متصـل
گردید. یک استوانه استیل زنگنزن به عنوان آند روي پایه تفلـونی شکل :۲ کاتد و پایه نگهدارنده آن

قرار داده شد، طوري که رشته کاتد در مرکـز فضـاي اسـتوانه آنـد جاي گرفت.

۱۹۸

شکل: ۳ تصویري از چشمه پلاسماي مورد آزمایش

نتایج تجربی و بحث

در این پژوهش، ابتدا با اعمال میدان مغناطیسی به یـک چشـمه پلاسماي کاتد داغ، پلاسما در خلأ بالا تشکیل شـد. پـس از آن بـا تغییر پارامترهاي کنترلی مختلف (شامل جریان رشته، ولتاژ پلاسـما و فشار) وضعیت تشکیل پلاسما و جریان تخلیه در چشمه پلاسـما بررسی گردید.

الف- تأثیر فشار کاري بر چگالی پلاسما

در آزمایش اول براي جریان رشته ۱۸ آمپر و ولتاژ تخلیه ۵۷/۲

ولت، تأثیر افزایش فشار محفظه بر جریان تخلیه الکتریکی بررسـی شد و نتایج منحنی شکل ۴ بدست آمد.

شکل: ۴ تغییرات جریان پلاسما با تغییر فشار

همانطور که مشاهده میشود، با افزایش فشار از ۱/۲×۱۰-۴ تا

۱۰-۳میلیبار، جریان پلاسما از ۱۳۰ به ۱۷۰ 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.