مهندسی فیزیک پلاسما

فیزیک پلاسما از شاخه‌های فیزیک است که به بررسی یکی از اشکال وجود ماده یعنی پلاسما می‌پردازد.

از انجا که بخش بزرگی از جرم قابل مشاهدهٔ عالم، ستارگان با دماهای بسیار زیاد هستند، امکان وجود ماده به صورت‌های جامد و مایع در این اجرام منتفی است. از سوی دیگر گاز نیز، به دلیل این حرارت بسیار زیاد، تبدیل به یک توده یونیزه شده و به صورت مخلوطی از یون‌های مثبت(هسته اتم ها) یون‌های منفی (الکترون ها) و ذرات خنثی در می‌‌اید.

 

در این توده، به دلیل وجود نیروهای الکتریکی که بسیار قوی تر از نیروی گرانشی است ذرات بر روی هم تأثیر زیادی می‌‌گذارند. به طوری که حرکت بخشی از این توده، باعث تغییر در وضعیت حرکت و انرژیِ بخش‌های دیگر می‌‌شود که به این پدیده، اثر جمعی گفته شده، و هر گاه گاز به شدت یونیزه شده دارای این خاصیت باشد، پلاسما نامیده می‌‌شود و این بدین معنی است که بخش غالب ماده قابل مشاهده جهان، پلاسما است.

 

جالب این است که پلاسما ممکن است درعین حال دارای چندین دماباشد که این حالت باتوجه به اینکه میزان برخوردبین خود یونها یا خود الکترونها از میزان برخوردهای بین یک یون و یک الکترون بیشتراست می‌تواند پیش بیاید.

چند مورد از پلاسما که ما روزانه باآن سروکار داریم عبارت است از: جرقه رعدوبرق، تابش ملایم شفق قطبی، گازهادی داخل یک لامپ فلورسنت، چراغ نئون و یونش مختصری که در گازهای خروجی موشک دیده می‌‌شود.

پلاسما، امروزه نقش مهمی در توسعهٔ منابع انرژی، از راه همجوشی هسته‌ای یافته است.

 

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می‌دهد. به عبارت دیگر می‌توان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیده‌شده‌ای اطلاق می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شده‌ای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود.

پلاسمای طبیعی
عموما پلاسما را مجموعه‌ای از یونها ، الکترونها و اتمهای خنثی جدا از هم و تقریبا در حال تعادل مکانیکی ـ الکتریکی می‌گویند. حالتهای خاصی را در مقابل مغناطیس نشان می‌دهد. این رفتارها کاملا برعکس رفتار گازها در مقابل میدان مغناطیسی است. زیرا گازها به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.

در کنار این رفتار پلاسما می‌تواند تحت تاثیر میدان مغناطیسی درونی که از حرکت یونهای داخلی به عمل می‌آید قرار گیرد. همچنین پلاسما بعلت رفتار جمعیتی که از خود نشان می‌دهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد. و اغلب طوری رفتار می‌کند که گویی دارای رفتار مخصوص به خودش است. معیار دیگر برای پلاسما آن است که فراوانی بارهای مثبت و منفی باید چندان زیاد نباشد که هر گونه عدم توازن موضعی بین غلظت‌های این بارها غیر ممکن باشد.

 

مثلا بار مثبت به سرعت بارهای منفی را به سوی خود می‌کشد تا توازن بار از نوع برقرار سازد. بنابراین اگرچه پلاسما به مقدار زیادی بار آزاد دارد، ولی از لحاظ بار الکتریکی خنثی است. ماده در حالت پلاسما نسبت به حالتهای جامد ، مایع و گاز نظم کمتری دارد. با این حال خنثی بودن 
اگر پلاسما تا دمای زیاد حرارت داده شود، نظم موجود در پلاسما از بین می‌رود و ماده به توده درهم و برهم و کاملا نامنظم ذرات منفرد تبدیل می‌شود. بنابراین پلاسما گاهی نظیر سیارات ، رفتاری جمعی و گاهی نظیر ذرات منفرد ، بصورت کاملا تکی عمل می‌کند. بدلیل همین رفتارهای عجیب و غریب است که غالبا پلاسما در کنار گازها و مایعات و جامدات ، چهارمین حالت ماده معرفی می‌شود. بنابراین با توجه به اینکه چگالی پلاسما قابل توجه می‌باشد. مدولانک در تک ذرات منفرد به مشکلات رفتار پلاسما افزوده می‌شود

ضرورت بررسی پلاسمای طبیعی

با وجود این پیچیدگی‌ها با عنایت به اینکه ۹۹ درصد ماده موجود در طبیعت و جهان در حالت پلاسما است. علاقمندی ما به پلاسما جدا از بسیاری کاربردها نظیر تولید انرژی ، عدسی پلاسمایی برای کانونش انرژی و … معتدل می‌باشد، چرا که از ترک زمین ، با انواع پلاسماها مانند «یونسفر ، کمربندها و بادهای خورشیدی) مواجه می‌شویم. بنابراین فیزیک پلاسما نیز در کنار سایر شاخه‌های علوم فیزیکی ، در شناخت محیط زندگی ما در قالب رشته ژئوفیزیک از یک اهمیت زیادی برخوردار است

انواع پلاسما
پلاسمای جو
نزدیکترین پلاسما به ما «کره زمین) ، یونوسفر

(Ionosphere)

 

می‌باشد که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر ، فیزیک سیستمها به فرم پلاسما می باشند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی ، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین بوسیله پرتوهای کیهانی و الکترونهایی که به گلنونسفر اصابت می‌کنند یونیزه می‌شوند

شفق قطبی

 

پدیده شفق نیز نوعی پلاسما است که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس ، فرابنفش ، تابش خورشیدی ، انعکاس امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سرتاسر جهان دارد. با همه این احوال نه تنها زمین بلکه زهر و مریخ نیز فضایی یونسفری دارند
ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در سایر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری ، زحل ، اورانوس ، نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی ضعیف (حدود -۵۱۰ تسلا) است
هسته‌های ستارگان دنباله دار نیز به فضای بین پلاسمایی پرتاب می‌کند. از طرف دیگر ، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی شدید خورشید ، معمولا عین یک درخشندگی پلاسمایی می‌باشد. خورشید به سه قشر گازی فتوسفر ـ کروموسفر و کورونا (که کرونای آن بیش از یک میلیون درجه ، حرارت دارد) احاطه شده است و انتظار می‌رود که هزارها سال به درخشندگی خود ادامه بدهد

کاربرد پلاسمای یونسفر

 

یونوسفر زمین در ارتباطات رادیویی اهمیت زیادی دارد. توضیح این نکته لازم است که یونوسفر ، امواج رادیویی با فرکانسهای بیش از ۳۰ مگاهرتز (بین امواج رادار و تلویزیون) را عبور می‌دهد. ولی امواج با فرکانسهای کمتر (کوتاه ، متوسط و بلند رادیویی) را منعکس می کند. همچنین شایان ذکر است که ضخامت یونسفر زمین که از چند لایه منعکس کننده تشکیل شده است با عواملی نظیر شب و روز آشفتگی پلاسمایی سطح خورشید در ارتباط نزدیک می‌باشد
مگنتوسفر و کمربندهای تشعشعی زمین
می‌دانیم زمین ما دارای میدان مغناطیسی است که می‌تواند بر یونها و به طور خلاصه پلاسمای فضای اطرافش اثر بگذراد. بر طبق نظرات دینامو ، میدان مغناطیسی زمین از القای مغناطیس حاصل از حرکات ذرات داخل پلاسمای فضا به درون زمین متاثر می‌شود. که دوباره نقش فیزیک پلاسما را در ژئوفیزیک یادآوری می‌کند. به هرحال بطور نظری باید میدان مغناطیسی به شکل متقارن باشد لیکن فشار باد خورشیدی ، میدان ژئومغناطیس زمین را به صورت ستارگان دنباله‌دار یا دکلی شکل در می‌آورد. که در اصطلاح به آن مگنتوسفر زمین گفته می‌شود. ساختمان این لایه پلاسمایی نیز خود از چند لایه تشکیل شده است.
ژئوفیزیکدانان با مطالعه اساسی این لایه‌ها ، حد بالای آن را که حدودا ۱۰ برابر شعاع زمین و در جهت خورشید می‌باشد، مغناطیس سکون می‌نامند. خارج از مغناطیس سکون ، ناحیه متلاطمی است که «غلاف» مغناطیس نام دارد و آن باد خورشیدی در نتیجه فشار مگنتوسفر جهت و سرعت خود را تغییر می‌دهد. مگنتوسفر زمین ، کمربند ایمنی زمین در مقابل ذرات خطرناک کم انرژی و حتی متوسط انرژی می‌باشد. به این کمربند حافظ امنیت زمین در مقابل اشعه‌های خطرناک و ذرات ساتع از خورشید ، اصطلاحا کمربندهای وان آلن (به افتخار کاشف این کمربندها) گفته می‌شود

آینه‌های مغناطیسی

با توجه به تاثیرات میدان مغناطیسی زمین بر روی پلاسما ، ذراتی که در میدان مغناطیسی زمین (کمربند وان آلن) گیر می اندازد. به واسطه داشتن میدان مغناطیسی قوی و

ضعیف و در قطبین زمین حرکتی انجام می‌دهند که به مثابه یک آینه طبیعی می‌باشد. بنابراین آینه مغناطیسی که قبلا برای اولین بار توسط انریکو فرمی به عنوان مکانیسمی برای شتابدار ساختن پرتوی کیهانی استفاده شده بود، در ژئوفیزیک نیز به کار رفت

بادهای خورشیدی

خورشید منظومه شمسی منبع نیرومندی از جریان مداوم پلاسما به صورت ب

اد خورشیدی است. باد خورشیدی اصطلاحی برای ذرات تشعشع یافته نظیر بادهایی در حدود ۱۰۰ هزار درجه کلوین است. باد خورشیدی پدیده پیچیده‌ای است که سرعت و چگالی آن متغیر می‌باشد. متغیر بودن پلاسمای بادی به فعالیت خورشید بستگی دارد. گفتنی است که به دلیل ۱۰۰ برابر بودن انرژی جنبشی پلاسما نسبت به انرژی مغناطیسی‌اش ، اصطلاح باد مغناطیسی به آن داده‌اند

فشردگی پلاسما در فضا

پلاسمای فضایی می‌تواند تحت عوامل مختلفی فشرده شود و ستارگان فضا را ایجاد کند (به عنوان مثال کوتوله‌های سفید). پلاسمای فضایی با چگالی حدود ۱۰۰ هزار تا ۱۰ میلیارد گرم بر سانتیمتر مکعب ، محصول نهایی تکامل ستارگان سبک ‌وزن می‌باشد. این نوع ستارگان بسیار چگالتر از خورشید می‌باشند. چرا که اگر کل ماده خورشید با چگالی ۱٫۴ گرم بر سانتیمتر مکعب می‌خواست متراکم و به اندازه مثلا زمین ما شود، چگالی آن به تقریبا یک میلیون گرم بر سانتیمتر مکعب می‌رسید.

ستارگان نوترونی نیز از نوع ستارگان بسیار چگال می‌باشند که محصول تکامل ستارگان همان وزن می‌باشند. اینها آخرین نوع ستارگان قابل مشاهده در جهان هستند که به سبب داشتن چگالی فوق‌العاده زیاد ، نورهای اطراف خود را می‌بلعند و به صورت یک حفره سیاه در می‌آیند. بر طبق مدلهای محاسبه شده، ستارگان نوترونی از لایه‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که با حرکت از سطح به طرف داخل ، چگالی به سرعت بالا می‌رود
حدود پلاسما

اغلب گفته میشود که ۹۹% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتمهایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتیکه جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است

در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق ، تابش ملایم شفق قطبی ، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیزاسیون. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده میشود. بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود

آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟
کلمه پلاسما ظاهرا بیمسما به نظر میرسد. این کلمه از لغت یونانی
πλάσμα,-ατος,τό
آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است

حفاظ دبای

یکی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانیسیلهای الکتریکی است که به آن اعمال میشوند. فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شدهاند یک میدان الکتریکی در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلولهها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میکنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند.
اگر پلاسما سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ کامل میشود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند

معیارهای پلاسما
طول موج دبای
(λD)
باید خیلی کوچکتر از ابعاد پلاسما
( L )
باشد
تعداد ذرات موجود در یک کره دبای
( ND )
باید خیلی بزرگتر باشد.
حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما
( W )

در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی
( t )
باید بزرگتر از یک باشد
کاربردهای فیزیک پلاسما
تخلیههای گازی
قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال ۱۹۲۰ میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لولههای خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس م

یشد
همجوشی گرما هستهای کنترل شده
فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز میشود

فیزیک فضا
کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده میشود، به مگنتوسفر زمین برخورد میکند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند
تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک
( MHD )
و پیشرانش یونی
دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیشرانده میشود، میباشد
پلاسمای حالت جامد
الکترونهای آزاد و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشکیل میدهند که همان نوع نوسانات و ناپایداریهای یک پلاسمای گازی را عرضه می دارد
کاربردهای فیزیک پلاسما
تخلیه‌های گازی: قدیمی‌ترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال ۱۹۲۰ می‌شود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه می‌گرفت که برای توسعه لوله‌های خلأی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند و در نتیجه می‌بایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس می‌شد.
همجوشی گرما هستهای کنترل شده: فیزیک پلاسمای جدید (از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز می‌شود.
فیزیک فضا: کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهایی از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده می‌شود، به مگنتوسفر زمین برخورد می‌کند. درون و جو ستارگان آنقدر داغ هستند که می‌توانند در حالت پلاسما باشند.
هیدروژن مورد نیاز در واکنش همجوشی هسته‌ای

هیدروژن موجود در تمامی آبهای اقیانوسها یکی از مواد اولیه روش پیوند هسته‌ها را تشکیل می‌دهد. هیدروژن سنگین که نسبت به هیدروژن معمولی فوق العاده نایاب است برای پیوند بسیار نامناسب بوده و با وجودی که در هر ۶۴۰۰ اتم هیدروژن ، فقط یک اتم آن هیدروژن سنگین می‌باشد، بنابراین مقدار هیدروژن موجود در اقیانوسها بسیار کافی است.
شرایط لازم برای انجام پیوند هسته‌ای
برای اینکه پیوند هسته‌ای انجام گیرد چه شرایطی لازم است؟
برای انجام عمل پیوند با هسته دو اتم را به شدت به هم بزنیم، تا به هم

پیوند خورده و در هم ذوب شوند. اما دافعه الکترواستاتیکی هسته ، مانع بزرگی در این راه جلوی پای ما گذاشته است. در فواصل بینهایت نزدیک این دافعه فوق العاده زیاد است. البته راه حل ساده‌ای به نظر می‌رسد، بدین معنی که بایستی به هسته‌ها آنقدر سرعت دهیم که از این مانع رد شوند. می‌دانیم که سرعت ذرات در هر گازی بستگی به درجه حرارت آن گاز دارد. پس کافی است درجه حرارت را آنقدر بالا ببریم تا سرعت لازم برای عبور از این مانع بدست آید.

درجه حرارت لازم برای این کار چندین میلیون درجه سانتیگراد است و چنین حرارتی در کره زمین وجود ندارد. اما اگر یک بمب اتمی در وسط توده‌ای از هسته‌های سبک منفجر شود، حرارت فوق العاده‌ای که از انفجار بمب حاصل می‌شود، حرارت هسته‌های سبک را به قدری بالا می‌برد که پیوند آنها را امکانپذیر سازد. این موضوع اساس ساختمان بمب حرارتی و هسته‌ای (ترمونوکلئور) می‌باشد.
همانطوری که در کبریت عادی برای آتش گرفتن ابتدا فسفر موجود در آن بر اثر مالش محترق می‌شود و آنگاه گوگرد را روشن می‌سازد، در بمبهای (حرارتی و هسته‌ای) نیز ابتدا یک بمب اتمی معمولی منفجر می‌شود و در نتیجه انفجار توده‌ای از اجسام سبک را به حرارت فوق العاده‌ای می‌رساند، بطوری که هسته‌های آنها به هم می‌پیوندند و آنگاه انفجار مهیبتری انجام می‌گیرد.
بمبهای هیدروژنی
بعد از انفجار یک بمب اتمی معمولی ، عمل سرد شدن به سرعت انجام می‌گیرد. بنابراین ، باید فعل و انفعالاتی را در نظر گرفت که در آنها عمل پیوند به سرعت انجام گیرد. اگر یک بمب اتمی را در مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم محصور کرده و مجموعه را در یک محفظه با مقاومت مکانیکی زیاد قرار دهیم، پس ازانفجار بمب اتمی محیط مساعدی برای یک فعل و انفعال ترمونوکلئور (فعل و انفعال هسته‌ای گرمازا) بوجود می‌آید و در اثر آن عمل پیوند هسته‌ها انجام شده و هلیوم بوجود می‌آید.

تریتیوم + دوتریوم <—– هلیوم + نوترون
در نتیجه این فعل و انفعال ، حدود هفده میلیون الکترون ولت ، انرژی آزاد می‌شود. این میزان انرژِی نسبت به واحد وزن ماده قابل انفجار ، در حدود چهار برابر انرژی است که از شکسته شدن اورانیوم حاصل می‌شود. به عبارت دیگر در موقع پیوند هسته‌های دوتریم و تریتیوم ، انرژی بیشتر بر واحد جرم نسبت به شکافته شدن هسته‌های اورانیوم رها می‌شود.
اشکالات اساسی ساخت بمب هیدروژنی
تهیه بمب هیدروژنی دو اشکال عمده دارد که عبارتند از:

اولا باید دوتریوم و تریتیوم را به حالت مایع بکار برد. چون این دو عنصر در حالت معمول بصورت گاز هستند و در حرارت فوق العاده زیاد هم با کندی به هم پیوند می‌خورد. و لذا مجبورند آنها را در حرارتی معادل ۲۵۰ درجه سانتیگراد زیر صفر نگه دارند. بطورری که وزن دستگاه لازم به وضع غیر عادی سنگین می‌شد و بمب با زحمت زیاد حمل و نقل می‌گردید و پرتاب آن بوسیله هواپیما بسیار مشکل بود.

ثانیا اگر چه تهیه دوتریوم سهل است، اما تهیه تریتیوم فوق العاده مشکل و پر هزینه می‌باشد و برای تهیه آن باید در کوره اتمی عنصر لیتیوم را بوسیله نوترون بمباران کنند که از تجزیه متوالی آب بوسیله جریان الکتریکی ، آب سنگین بدست می‌آید. بطوری که دوتریوم یکی از عناصر مرکب آن است. از تجزیه آب سنگین (دوتریوم) بدست می‌آید

مركز تحقيقات فيزيك پلاسما در مجتمع دانشگاهي به مساحت ۵۰۰ هكتار از ناحيه شمال غربي تهران در فضايي به مساحت ۳۰۰۰ مترمربع مي‌باشد. اين مركز از سال ۱۳۷۳ فعاليت‌هاي تحقيقات كاربردي خود را در زمينه‌هاي فيزيك اتمي و ملكولي و حالت جامد آغاز نموده و در حال حاضر با توجه به برنامه‌هاي توسعه اقتصادي و اجتماعي كشور همكاري گسترده‌اي با دانشگاه‌ها و ساير مراكز تحقيقاتي داخل وخارج به عمل مي‌آورد. مركز تحقيقات با هدف گسترش علوم و تكنولوژي به اجراي پروژه‌هاي تحقيقاتي، اعم از بنيادي، كاربردي و قراردادي در زمينه فيزيك اتمي وملكولي و فيزيك حالت جامد مي‌پردازد.
همچنين با تأسيس دوره‌هاي تحصيلات تکميلي در مقاطع كارشناسي ارشد، دكتري و نيز آموزش‌هاي كوتاه مدت داخلي وخارجي به آموزش بخشي از نيروي انساني متخصص پرداخته است.
الف- تحقيقات در زمينه فيزيك اتمي و ملكولي
بخش تحقيقات فيزيك اتمي وملكولي با توجه به امكانات و تجهيزات يكي از پيشرفته‌ترين مراكز تحقيقاتي كشوراست كه بخشي از فعاليت‌هاي آن شامل تحقيق در زمينه كاربرد فيزيك پلاسما و فيوژن مي‌باشد.
توكامك IR- T1
توكامك IR- T1 در سال ۱۳۷۳ به منظور پيشبرد تحقيقات و مطالعات پيشرفته در زمينه فيزيك پلاسما (پلاسماي داغ) و همجوشي هسته‌اي در اين مركز نصب و راه اندازي گرديد.
توكامك IR-T1 در زمره توكامك‌هاي كوچك و با راندمان بالاي جهان محسوب مي‌شود. اين سيستم، جهت اندازه‌گيري وتشخيص پارامترهاي پلاسما داراي دستگاه‌هاي تشخيص

ي حساس مانند طيف نگار تك كاناله در بازه طول موج نور مرئي، سيستم پنج كاناله پخش سيكلوتروني الكترون، گيرنده‌هاي اشعه ايكس، ليزر تك كاناله هيدروسيانيد، پيچه‌هاي مغناطيسي ميرنوف و پروب دوبل لانگموير مي‌باشد.
اين توكامك از نوع ترانسفورمري بدون غشاي هادي و سيستم منحرف كننده ناخالصي هاست. مساحت، ارتفاع و وزن آن به ترتيب ۶/۱ متر مربع، ۵/۲ متر و ۷/۲ تن مي‌باشد. توكامك فوق از پنج سيستم اصلي زير تشكيل يافته است:
۱- پيچه‌هاي ميدان مغناطيسي تروئيدال: شامل ۱۶ پيچه كه هر كدام ۲۰ دور

دارد.
۲- پيچه هاي سيستم گرمايي اهمي: شامل پنج پيچه كه چهار تاي آن داراي ۴،۶،۶،۴ دور و ديگري سلونوئيد مركزي كه داراي ۲۴۰ دور است و محور اصلي توكامك را نيز تشكيل مي دهد.
۳- پيچه‌هاي ميدان مغناطيسي عمودي: شامل ۴ پيچه است كه دو تاي آن در بالا و پايين توكامك و دوتاي ديگر در غلاف سلونوئيد مركزي قرار دارند.
۴- چمبره خلاء: اين محفظه از جنس Stainless Steel با آلياژ كروم ساخته شده، قطر داخلي آن ۰۰/۳۲ سانتي متر و ضخامت آن ۴۰/۰ سانتي متر است.
۵- ساختار نگه دارنده توكامك: ميزي كه كليه اجزاي اصلي توكامك بر روي آن محكم شده است از جنس پشم شيشه فشرده و چوب مي‌باشد، اتصالات از نوع فلز مس بدون اكسيژن (OFC) و حلقه‌هاي اتصالي از نوع Vition. است . پارامترهاي اصلي اين توكامك به قرار زير است:
R=45.00cm, a=12.50cm, IP=20-40 KA
Td = 18-26ms, B t = 0.6-0.9 Tesla,
V loop = 2.6-8V, n e =0.7-3 × ۱۰۱۳ ۱/cm3, Z eff < 2
ب- تحقيقات در زمينه فيزيك حالت جامد:
شاخه فيزيك حالت جامد در علم فيزيك توجه خاصي را به خود جلب كرده است و با توجه به اهميت اين شاخه از فيزيك، تحقيقات كاربردي در اين زمينه از اهداف اصلي اين واحد مي‌باشد.
از جمله تجهيزات پيشرفته موجود در مركز تحقيقات فيزيك پلاسما در اين زمينه مي‌توان به موارد ذيل اشاره كرد:
۱- دستگاه كاشت يون و شتابدهنده پلاسما(Ion Implanter and Plasma Accelerator)
مطالعه اثر كاشت بون‌هاي مختلف در سطح جامدات( فلزات، نيمه هاديها و ….) تأثير آن در تغيير خصوصيات فيزيكي آنها از برنامه‌هاي اين مركز مي‌باشد. همچنين در اين مركز امكانات كاشت يوني براي تغييرات سطحي و فرآيندهاي مؤثر بر لايه كاشته شده از جمله س

خت كردن، ايجاد آلياژهايي كه از فازهاي متالوژيكي (nonequilibrium Phase غير قابل ايجاد به روش‌هاي معمول حرارتي، ايجاد تنوع در يون‌هاي كاشته شده براي افزايش ويژگي‌هاي مكانيكي، الكتريكي، حرارتي و خوردگي فلزات و سراميك‌ها مورد تجزيه و تحليل قرار مي‌گيرد. مشخصات كاشت يوني اين مركز به قرار زير مي‌باشد.
گازهاي مورد استفاده Ar, N2,O2,Co2
جريان كل شتاب دهنده يون‌ها ۵-۲۵mA

انرژي كاشت يوني ۳۰KV
ابعاد پوششي پرتو يوني ۱۱۰ ۲۰mm2
قدرت ۲۵KW
يكي از اهداف در دست انجام مركز ارتقاء دستگاه موجود و استفاده از گستره وسيعتري از يونها و انرژي‌هاي بالاتر مي‌باشد.

۲- اسپكترومتري جرمي يون ثانويه (Secondary Ion Mass Spectrometry) SIMS
اسپكترومتري جرمي يون ثانويه(SIMS) از پيشرفته ترين و توانمندترين تكنيكهاي آناليز سطح موجود در جهان مي‌باشد. با وجود چنين دستگاهي در مركز تحقيقات فيزيك، محققين كشورمان براي اولين بار در خاورميانه از امتياز دسترسي به پيشرفته ترين دستگاه آناليز سطح برخوردار خواهند بود.
در دنياي امروز رفتار سطح مواد در زندگي ما بسيار مهم است و زمينه‌هاي وسيعي در تكنولوژي مواد وجود دارد كه از تكنيكهاي آناليز سطح هم در تحقيقات وهم در كنترل كيفيت سود مي‌جويند. طي سالهاي تكنيكهاي بسياري براي جنبه‌هاي مختلف فيزيك و شيمي سطح ايجاد شده ولي تنها تعداد كمي از آنها در علم سطح و آناليز سطح مورد استفاده وسيع قرار گرفته‌اند.

نمايي از دستگاه SIMS به دليل ماهيت طيف جرمي داده‌ها، بسيار توانمند است. حساسيت بسيار بالاي آن، تشخيص يک اتم ناخالصي در ميان يک ميليارد اتم، ppb، يا در ميان يک ميليون اتمppm و تفکيک عمق خوب ( معمولاً بين چند نانومتر تا چند ده نانومتر) اين تکنيک را براي دانشمندان جذاب ساخته است . همچنين SIMS يک آميزه منحصر بفرد از حساسيت بالا براي تمام عناصر، از هيدروژن گرفته تا اورانيوم(با حد آشکارسازي پايين‌تر از ppm باي اکثر آنها)، تفکيکي عرضي بالا (پايين‌تر

ازnm100) پارازيت زمينه خيلي کم و گستره ديناميکي بالا را فراهم مي‌کند و به همين دليل در تحقيقات پيشرفته مواد کاربرد بسيار دارد. SIMS عبارت از اسپکترومتري ذرات يونيزه‌اي است ه از يک سطح معمولاً جامد، که تحت بمباران ذرات اوليه پر انرژي قرار گرفته‌اند، منتشر مي‌شوند. ذرات اوليه ممکن است الکترونها، يونها، ذرات خنثي يا فوتونها باشند و ذرات ثانويه، الکترونها، ذرات خنثي، يا يونهاي اتمي وخوشه‌اي خواهند بود. اکثريت ذرات منتشر شده خنثي، و تنها کسر کوچکي از آ

نها يونيزه هستند که توسط اسپکترومتري جرمي آشکار سازي و آناليز مي‌شوند و اطلاعاتي در مورد ترکيب عنصري، ايزوتوپي و مولکولي بالاترين لايه‌هاي اتمي سطح مي‌دهند.

دستگاه SIMS موجود درمرکز تحقيقات فيزيک مدل IMS6F و از نوع قطاع مغناطيسي (M

agnetic Sector) مي‌باشد. اين وسيله داراي قطاع مغناطيسي کاملاً اتوماتيک است که کارايي خيلي بالايي را در مد ديناميک و مد استاتيک فراهم مي‌کند و به عبارت ديگر ترکيب کننده تواناييهاي دو مد عمل ميکروسکوپي و ميکروپروبي است. مد ميکروسکوپي بدين معني است که شبيه ميکروسکوپ نوري کار مي‌کند و مد ميکروپروب شبيه SEM است. مد ميکروسکوپي براي آناليز سطوح بزرگ با گستره تفکيک ۰٫۵ تا ۱۰ ميکرومتر استفاده مي‌شود و براي تفکيک عرضي بهتر از m 0.5 مي‌توان از مد ميکروپروبي استفاده کرد.
کاربردهاي تکنيکSIMS:
بعضي از زمينه هاي کاربرد SIMS عبارتند از : نيمه رساناها، علم مواد، زمين شناسي، متالوژي، مواد آلي و ….
نيمه رساناها: در سالهاي اخير پيشرفته سريع ميکروالکترونيک نياز به قطعات با کارايي بالاتر داشته و اين جريان همچنان ادامه دارد. براي موفقيت در اين زمينه، فرآيند توليد چنين قطعاتي نياز به کنترل پارامترهاي کليدي مانند ترکيب بالک، توزيع ناخالصي وارد شده در سطح و عمق، تميزي سطح ويفرها و … در مراحل مختلف دارد .براي تمام اين نيازهاي آناليزي SIMS ابزاري توانمند است. براي مثال کنترل توزيع As در عمق در مساحتهايي به کوچکي m2 1 با حد آشکار سازي در محدود ۱-۱۰ppm، قابل انجام است . همچنين کاربرد ديگر اين دستگاه در زمينه آناليز لايه‌هاي نازک مي‌باشد که نياز به تواناييهاي تفکيک بالاي SIMS دارد..

 

توزيع آرسينيک روي سطح نمونه ترانزيستور ۳۰*۳۰ ميکرومتر در مدار مجتمع (IC)
علم مواد: قابليتهاي آناليز ايزوتوپيSIMS بطور وسيعي براي بررسي فرآيندهاي نفوذ در مواد بوسيلة يک منبع ديفيوژن غني شده با يک ايزوتوپ پايدار داراي فراواني طبيعي پايين ( براي مثال ۱۸O,13C,D و …) استفاده مي‌شود . بعلاوه حساسيت بالاي ترکيب شده بااندازه زير ميک

رون پروب، بررسي توزيع عنصري بسيار کوچک در مساحت‌هاي کم مانند مرزدانه‌ها و فصل مشترک را به منظور فهم بهتر از خواص مواد مرکب فراهم مي‌کند.
دانه الماس مصنوعي رشد داده شده روي زير ليه موليبدنيوم
زمين شناسي: ويژگيهاي مهم تکنيک SIMS در زمين شناسي عبارتند از:
• آناليز عنصر سبک (شامل H)
• آناليز عنصر ناچيز در نمونه ( گستره غلظت پايين تا کمتر ازppm 100 و غلظت بالا تا دهم درصد)
• آناليز ايزوتوپي
• پروفايل‌گيري در عمق و تصوير‌گيري
• آناليز در مقياس ميکرون( حجم چند ميکرومتر مکعب)
• آناليز در حال کار
• راحتي تهيه نمونه
زمينه‌هاي کاربرد SIMS در زمين شناسي عبارتند از:
الف)زئوشيمي ب) کرونولوژي
متالوژي: پروفايل‌گيري و تصويرگيري کاربردهاي اصلي SIMS در متالوژي هستند. مد تصويرگيري مي‌تواند براي توزيع عناصر سبک(C,O,N,B,H) با حساسيت بالا ومد پروفايل‌گيري عمق، جهت مشخص کردن رفتار سطح مواد استفاده شود.

بيولوژي: قابليتهاي آناليز ايزوتوپيSIMS يک روش منحصر بفردي براي تعيين توزيع مولکولهاي دارويي مشخص شده با ايزوتوپهاي پايدار در سلولها ارائه مي‌دهد. بنابراين بيولوژيست به اطلاعات با ارزشي براي يک فهم بهتر از مکانيزم عمل دارو در درمان دست مي‌يابد.

مواد آلي: در طول کندوپاش(Sputtering) مواد آلي بوسيله ذرات اوليه با انرژي چند Kev نشر يون مولکول شامل قطعات مولکولي بزرگ نيز مي‌شود که ترکيب سطح آن را نيز مي‌توان بدست آورد.