.۱ مقدمه

یکی از مناسب ترین و ساده ترین و در عین حال ارزانترین سیستم تولید پلاسما که می تواند پلاسمای بسیار فشرده (پلاسمای چگال) و با دمای بالایی را بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی تولید کند دستگاه پلاسمای کانونی یا پلاسما فوکوس است.[۱]

دستگاه پلاسما فوکوس وسیله ای است که درمدت زمان کوتاهی یک تخلیه الکتریکی درآن انجامگرفته و پلاسمای گرم با طول عمر بسیار کوتاه و با چگالی بالا ایجاد می شود. طول عمر پلاسما در پلاسما فوکوس نوعی در حدود چندین ده نانو ثانیه وچگالی آن درحدود و دمای آن درحدود چندKeV است.[۲]

.۱ گروه فیزیک، واحد علوم و تحقیقات آذربایجان شرقی، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران .۲ گروه فیزیک، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران

دستگاه پلاسما فوکوس ( PF) وسیله ای برای تولید پرتوهای یونی پالسی((PIB با جریان بالا و انرژی بالا است که انرژی تولید شده از آن تا حدود چندینMeV میرسد. چنانچه چگالی جریان یونی بالا باشد ، با انتخاب مناسب گاز پرکننده، محدوده وسیعی ازگونه های یونی می توانند تولید شوند، بنابراین از این نظر پلاسما فوکوس PF به عنوان منبع پرتوهای یونی پالسی((PIB شناخته شده است.

علاوه براین کاربرد، پلاسما فوکوس وسیله ای ارزشمند و مقرون به صرفه برای تولید اشعه X (نرم و سخت) و ذراتی مانند نوترون و الکترون است. همچنین می توان از آن برای تحقیقات در زمینه فیزیک پلاسما سود جست. چنانچه گاز مورد استفاده درآن دوتریم D2 باشد. محیطی مناسب برای ایجاد همجوشی هسته ای است و می توانیم شاهد تولید نوترونها باشیم.[۳]

ویژگی های خاص پرتوهای گسیل شده از دستگاه های پلاسمای کانونی نیز باعث کاربرد متنوع و وسیع این دستگاه ها در فیزیک کاربردی و فیزیک بنیادی شده است . برخی از این شاخه های متنوع عبارتند از : فیزیک انرژی بالا (شبیه سازی پدیده های اخترشناسی) راکتورهای شکافت ، گداخت به روش محصور سازی لختی، لیتوگرافی، مطالعه فیزیک مواد، طیف نگاری با پرتو ایکس، و رادیوگرافی با نوترون های پرانرژی ۵].و[۴

در رابطه با پلاسمای کانونی و نقاط عطف آن در طول زمان، به دو سال ۱۹۶۰ و ۱۹۶۵ میتوان اشاره کرد. در این سال ها فیلیپوف در روسیه تیوب جدیدی طراحی نمود که آنرا پلاسما فوکوس نام نهاد به طور همزمان در آمریکا نیز مدر نتایج کارهایش را که به طور مستقل از فیلیپوپ انجام می داد، منتشر کرد و دو ساختار مختلف پلاسمای کانونی نوع فیلیپوف و نوع مدر مطرح شد.۷]و[۶

.۲ روشهای آزمایش

دستگاه پلاسما فوکوس دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز در مرداد ماه ۱۳۹۳ در این دانشگاه راه اندازی شد. این دستگاه از نوع مدر و دارای انرژی بانک خازنی ۴ KJ می باشد. تصویری از این دستگاه در( شکل شماره(۱ آورده شده و طرحواره مربوط به مراحل مختلف تولید ، رانش و پینچ پلاسمایی نیز در (شکل شماره(۲ نشان داده شده است.

در این مقاله هدف بررسی تاثیرات تغییرات فشار و ولتاژ بر روی سیگنالهای مشتق جریان و تاثیرات تغییرات جنس و طول عایق در دستگاه پلاسمای کانونی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز که از نوع مدر می باشد تا بتوانیم شرایط بهینه کار از لحاظ فشار و ولتاژ اعمالی و همچنین تاثیر این تغییرات بر روی کیفیت پینچ و طول زمان پینچ در این دستگاه را برای اولین بار تعیین نماییم که نتایج بدست آمده می تواند برای کاربرد های خاص و دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی در زمینه پلاسما سودمند باشد.

برای اینکار ما از گاز کاری آرگون برای پر کردن محفظه دستگاه در فشارهای۳ mbarو ۲/۵، ۲ ، ۱/۵ ، ۱ ،-۱ ۸×۱۰ و ولتاژهای تخلیه اعمالی۱۳ KVو ۱۲/۵ ،۱۲، ۱۱/۵،۱۱ استفاده نموده ایم. همچنین به بررسی تاثیر نوع جنس عایق و طول آن بر کیفیت سیگنالها و عمل پینچ شدن و مخصوصاً زمان تشکیل پینچ پرداخته ایم.

شکل : ۱ تصویر کلی از دستگاه پلاسما فوکوس دانشگاه آزاد واحد تبریز

شکل : ۲ طرحواره پلاسما فوکوس نوع مدر دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز

در دستگاههای پلاسما فوکوس کاتد از آند توسط یک عایق الکتریکی از همدیگر جدا می شوند که جنس و طول عایق بسته به نوع دستگاه پلاسما فوکوس تغییر می کند که عمدتا” از سه نوع عایق در دستگاههای پلاسما فوکوس استفاده می شود، پیرکس، سرامیک و تفلون و طول این عایقها در تخلیه الکتریکی تاثیر بسزایی می گذارد.

از جمله کمیات بکار برده شده و یا اندازه گیری شده می توان به مدت زمان طول پینچ t-pinch(tp) ، مدت زمانی که طول می کشد تا پدیده پینچ در دستگاه رخ دهد اشاره کرد. در منحنی مشتق جریان زمان تشکیل پینچ از ابتدای شروع تخلیه الکتریکی تا ابتدای شکست (تشکیل پینچ) را (t) تعیین نموده ایم.

در این آزمایشات ما از دو نمودار مشتق جریان و ولتاژ بهره گرفته ایم. برای بدست آوردن نمودار مشتق جریان از پیچه رگوفسکی استفاده نموده ایم که ولتاژ دو سر آن پارامتر ولتاژ پینچ (Vp) را بیان می کند. مشخصات هندسی و الکتریکی ظرف تخلیه و بانک خازنی دستگاه پلاسما فوکوس دانشگاه آزاد در( جدول شماره(۱ آورده شده است:

جدول : ۱ مشخصات هندسی و الکتریکی ظرف تخلیه و بانک خازنی دستگاه پلاسما فوکوسTAUPF

مشخصات محفظه مشخصات خازن
انرژی ۴ KJ ولتاژ شارژ ۲۰KV
ظرفیت خازنی +/ – ۵% ۳۶ʽF ظرفیت خازنی +/- ۱۰% ۳۶ ʽF
اندوکتانس ۱۲۰ nH اندوکتانس ۵۰ nH
ماکزیمم جریان ۳۵۰ KA ماکزیمم جریان ۲۰۰ KA
حداکثر ولتاژ شارژ ۱۵ KV حداکثر ولتاژ معکوس ۲۰%
طول آند ۱۳/۳ cm طول عمر (C/DNo) 104nsec
فشار گاز بهینه برای D2 2-3 Torr

برای اعمال تغییرات فشار در دستگاه و ثابت نگه داشتن فشار گاز داخل محفظه از روش ورود مداوم گاز به داخل محفظه و تخلیه همزمان آن توسط پمپ تخلیه برای ثابت نگه داشتن فشار ، در فشار دلخواه بهره گرفته ایم . هر چند در این روش تنظیم فشار گاز ورودی و میزان تخلیه آن قدری سخت بوده ولی برای بدست آوردن نتایج دقیق این روش مناسب می باشد. برای تغییرات ولتاژ دستگاه نیز با استفاده از بانک خازنی و سیستم کنترل دستگاه می توان به راحتی ولتاژ دلخواه را برای دستگاه تنظیم نمود.