مقدمه

سالیان متمادی تلاش ها و مطالعات بسیاری در جهت دستیابی به همجوشی گرماهسته ای کنترل شده برروی سیستم های تخلیه الکتریکی متمرکز بوده است. نخست در سال ۱۹۳۴ با در نظر گرفتن پدیده تنگش جریان الکتریکی توسط میدان مغناطیسی ناشی از خود جریان، این نوع تحقیقات سمت و سوئی تازه یافت که نهایتا منجر به ساخت سیستمهایی چون تنگش Z، تنگش و پلاسـمای کانونی گردید. نقطه عطف تــحولات پلاسمای کانونی به سالهای ۱۹۶۰ و ۱۹۶۵ بر میگردد که در این سالها به ترتیب فیلیپوف[۱] و مدر[۲] نتایج کارهایشان را که به طور مستقل از یکدیگر انجام شده بود منتشر کردند و به این ترتیب دو ساختار مختلف پلاسمای کانونی تحت عنوانهای مدل فیلیپوف و مدر مطرح شدند. بطور خلاصه میتوان گفت که دستگاههای پلاسمای کانونی میتوانند پلاسمایی داغ (با دمایی در حدود (۱ kev و چگال (با چگالی در حدود (۱۰۱۹cm-3 با طول عمری در حدود ۵۰-۲۰۰ ns تولید نمایند.

عموما دو مکانیزم برای انتشار نوترون از دستگاه پلاسمای کانونی مطرح شده است. نخست، مکانیزم گرما هستهای، که در آن نوترونها از پلاسمای دوتریوم با توزیع ماکسولی تولید میشوند که در واقع این مدل نمیتواند غیر یکنواختی شار نوترون گسیل شده در زوایای مختلف را توجیه کند و دومین روش، مکانیزم پرتو

۱۲۳۲

هدف میباشد که در آن زمانی که یک دسته از یونهای دوتریوم پر انرژی با پلاسمای سرد بعنوان یک هدف برخورد میکنند منجر به اندرکنشهای همجوشی و تولید نوترون میگردد.

یکی از چالشهای موجود در استفاده از دستگاه پلاسمای کانونی به عنوان یک چشمه نوترون، ناپایداری بهره نوترون در شاتهای متوالی است به طوری که حتی در دو آزمایش با شرایط مشابه، در یک شات، بهره نوترون بالایی مشاهده می شود و در شات دیگر نوترون تولید نمیشود. یکی از ایده هایی که برای افزایش پایداری نوترون دهی و همچنین افزایش بهره نوترونی دستگاه پلاسمای کانونی ارائه شده، تزریق درصد کمی از یک گاز با عدد اتمی بالا مانند کریپتون به همراه دوتریوم است .[۴]

در این پژوهش نتایج مطالعات آزمایشگاهی روی نوترونهای گسیلی از یک دستگاه پلاسمای کانونی کم انرژی ارائه گردیده است. نحوه گسیل و توزیع نوترونها با استفاده از گاز دوتریوم و تزریق درصدهای مختلفی از گاز کریپتون به منظور دستیابی به بیشینه شار نوترونی مورد بررسی قرار میگیرد.
در قسمتهای ذیل ابتدا شرح مختصری از دستگاه پلاسمای کانونی مورد استفاده و سیستمهای تشخیصی و چیدمان آزمایش ارائه شده است. سپس روش انجام آزمایش بیان شده و در انتها جمع بندی نتایج و تحلیل آنها ارائه گردیده است.

روش کار

این آزمایشها در محدوده فشار ۲/۷-۳/۶mbar گاز دوتریوم و ولتاژ تخلیه ۱۵kV انجام شدند و در هر شات، سیگنال مشتق جریان با استفاده از پیچه روگوفسکی به منظور مشاهده ساختار زمانی پینچ، و شمارش نوترون با استفاده از شمارنده فعال سازی نقره ثبت شدهاند. سیگنال جریان تخلیه نیز با انتگرال گیری عددی از سیگنال مشتق جریان به دست آمده است. مهمترین پارامتر در بهینه سازی نوترون دهی یک دستگاه پلاسمای کانونی، تعیین فشار بهینه گاز دوتریوم است. فشار بهینه برای دستگاه پلاسمای کانونی مورد استفاده، در ولتاژ ۱۵kV، حدود ۳/۵mbar است. همچنین به منظور دستیابی به درصد بهینه تزریق کریپتون به گاز دوتریم، گاز کریپتون با نسبتهای حجمی مختلف به محفظه تزریق شده است و فشار بهینه گاز کریپتون برای فشار ۳/۵mbar دوتریوم حدود ۰/۰۲ تا ۰/۰۳ میلی بار به دست آمده است. بنابراین در این تحقیق، گاز کریپتون در این محدوده فشار به داخل دستگاه تزریق شده است. در ادامه این بخش، دستگاه پلاسمای کانونی مورد استفاده در این تحقیق و شمارنده های فعال سازی که برای آشکارسازی و شمارش نوترون ها بکار رفته اند، توصیف شده اند.

الف-دستگاه پلاسمای کانونی

۱۲۳۳

در این آزمایش از دستگاه پلاسمای کانونی دانشگاه شهید بهشتی SBUPF1 استفاده شد.در این دستگاه از یک خازن ۱۵ F، ۱۵kV به عنوان منبع ذخیره انرژی استفاده می شود که در بالاترین ولتاژ شارژ بانک خازنی، انرژی ۱/۷kJ را برای دستگاه تامین می کند. دو صفحه از جنس برنج به عنوان صفحات آند و کاتد جهت برقراری ارتباط بین بانک خازنی و الکترودها مورد استفاده قرار گرفتهاند. آند این دستگاه یک استوانه از جنس مس OFHC است و کاتد نیز از ۶ عدد میله مسی که بطور متقارن حول آند قرار گرفتهاند تشکیل شده است. یک عایق از جنس پیرکس بصورت پوششی در اطراف آند قرار گرفته است که هدف از قرار گیری آن، ایجاد عایق الکتریکی بین آند و صفحه کاتد به منظور فراهم کردن شرایط برای ایجاد یونیزاسیون کافی گاز قبل از فاز شکست میباشد. Mannucci و همکاران نشان دادند که استفاده از یک صفحه کاتد کوچکتر و دارای لبه چاقویی، بر روی صفحه کاتد اصلی، باعث افزایش محدوده بالایی فشار بهینه فاز شکست شده و می تواند قدرت فشرده سازی پلاسما را تا ۲ برابر افزایش دهد.[۳] به همین دلیل در این دستگاه نیز یک صفحه کاتد لبه چاقویی به منظور افزایش کارایی دستگاه در فشرده سازی پلاسما و تولید رادیوایزوتوپ استفاده شده است.

ب-شمارنده فعال سازی نقره

شمارنده مورد استفاده برای این تحقیق بر اساس فعال سازی ورقه نقره و سپس شمارش پرتو بتا حاصل از واپاشی نقره توسط آشکارساز گایگر دیواره نازک عمل میکند. نقره دارای دو ویژگی مطلوب جهت استفاده در شمارندههای فعالسازی است: سطح مقطع بالای نقره برای جذب نوترونهای حرارتی و نیمه عمر مناسب رادیوایزوتوپهای نقره ۱۰۷Ag)،۱۴۴/۶ sو۱۰۹Ag،.( ۲۴/۶ s یک استوانه به قطر ۱۴cm از جنس پلی اتیلن، برای کند سازی نوترونهای ۲/۴۵MeV استفاده شده است. ورقه نقره با ضخامت ۰/۳ میلی متر اطراف گایگر پیچیده شده و درون یک حفره استوانهای در مرکز این پلی اتیلن قرار گرفته است. انتخاب قطر پلی اتیلن بر مبنای بیشترین جذب نوترون توسط ورقه نقره و توسط کدMCNP انجام شده است. نوترونهای کند شده، یک ورقه نقره طبیعی(شامل ۱۰۷Ag 51/8% و (۱۰۹Ag 48/2%را طبق واکنش های:
(۱) ۱۰۸ ۱۰۸ Ag (n, 107
48 Cd 144.6s Ag 47 ( 47
(2) 110 110 109
48 Cd 24.6s Ag 47 ( Ag (n, 47
(به ترتیب با سطح مقطعهای ۱۳ ۱۱۳ بارن و ۴۵ ۴بارن)فعال میکنند. آشکارساز گایگر توسط منبع تغذیه

ولتاژ بالا در ولتاژ ۵۵۰V تغذیه میشود و پالسهای خروجی آشکارساز توسط یک دستگاه شمارنده ثبت میشوند. ضریب کالیبراسیون شمارنده برای این شرایط هندسی توسط کد MCNP با در نظر گرفتن همه جزئیات هندسی محاسبه شده است.

۱۲۳۴

نتایج

نتایج سیگنالهای مشتق جریان ثبت شده در این آزمایشها نشان میدهند که این سیگنال معمولا دارای چهار قله میباشد که دو قله نخست آن مربوط به گسیل پرتوی ایکس سخت و دو قله دوم مربوط به تولید نوترون میباشد که بیانگر تولید نوترون غیر حرارتی در دو فاز جداگانه بوده و در واقع از فاز سکون آغاز و تا فروریزش ستون پلاسما ادامه مییابد. مشاهده میشود که افزودن ۰/۰۳mbar گاز کریپتون به فشارهای محدوده ۲/۷-۳/۶mbar گاز دوتریم، باعث بهبود شار نوترونی میشود و همچنین، در فشار ۳/۵mbar دوتریم، بهترین پینچ و بیشترین شار نوترونی ثبت شده است. یکی از نتایج جالب این تحقیق، مشاهده ارتباط مستقیم عمق پینچ با بهره نوترونی میباشد. به این ترتیب که هر چه عمق پینچ بیشتر باشد شار نوترونی بالاتری گسیل می شود که در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل :۱ شمارش نوترون بر حسب عمق پینچ حاصل از تزریق %۱ گاز کریپتون به دوتریم

شکل :۲ نمایش روند نزولی عمق پینچ و از بین رفتن ماکزیمم های دو پالسی (یا چند پالسی) با کاهش عمق کانونی سازی

به علاوه، ارتباط بین پارامتر عمق پینچ و بهره نوترون از رابطه تقریبی Yn=k.d3,51 تبعیت میکند، که Yn بیانگر شمارش نوترون، k ضریب ثابتی با مقدار تقریبی ۵/۳۸×۱۰-۵ و d عمق پینچ بر حسب کیلو آمپر بر میکرو ثانیه می باشد. عمق کانونی سازی در واقع سرعت کاهش جریان در لحظه تشکیل پینچ است که توسط