شکل ۱-۲) 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]۵و۴[
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.]۱۱و۱۰[

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

دستگاه های پلاسمای کانونی با انرژیهای بانک خازنی کمتر می توانند با نرخ های تکرار بسیار بالاتر کار کنند. همچنین دستگاه های 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]۸[.
۲- اصول عملکرد دستگاه پلاسمای کانونی:
مراحل مختلف عملکرد دستگاه پلاسمای کانونی عبارتند از]۶[:
۱- مرحله شکست و تخلیه سطحی
۲- مرحله رانش محوری[۶]
۳- مرحله تراکم شعاعی
۴- مرحله پلاسمای چگال و کانونی شدن
۵- مرحله وقوع ناپایداری و فروپاشی پینچ
شکل۱-۳)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]۱۲[
۲-۱ 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[۷] به­دست می آید]۱۴و۱۳و۶[.
این لایه جریان یک میدان مغناطیسی را ایجاد می­ کند که نیروی لورنتسی وارده از طرف آن بر لایه جریان باعث جدا شدن لایه جریان از عایق می­ شود.در اینجا مرحله شکست به پایان می­رسد.]۶[
۲-۲ مرحله رانش محوری
این مرحله با جدا شدن لایه جریان از عایق شروع می­ شود.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 می­ شود.
بنابراین شکل لایه جریان تخت نبوده و به صورت تابعی از (r,z) دارای انحنا است، (شکل ۱-۳ ) 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.]۱۴و۱۳و۶[.
۲-۳ مرحله تراکم شعاعی
این مرحله با رسیدن لایه جریان به انتهای الکترود داخلی شروع می­ شود 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 می­ کند. در این مرحله شکل لایه جریان شبیه یک قیف است. زمانی که ستون پلاسما به کمینه شعاع می­رسد متناظر با بیشینه چگالی بوده (۳-cm 1019) و این مرحله به پایان می­رسد]۶[.
در صورتی که برای تحلیل این مرحله از مدل برف­روبی[۸] 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[۹] یک مدل قطعه ای[۱۰]پیشنهاد کرده که در قسمت های بعد توضیح داده خواهد شد]۱۴و۱۳و۶[.
۲-۴ 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. اندازه ­گیری 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]۱۴و۱۳و۶[.
۲-۵ 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 ۲۰۰-۵۰ نانو ثانیه)]۱۵و۶[.
مراحل ذکر شده در اغلب این دستگاه ها چند میکروثانیه و در دستگاه های سریع جدید کمتر از ns500 طول می کشد]۱۴و۱۳[.
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 مرتبه۱-ms105×۱ و در مرحله تراکم شعاعی از مرتبه۱-ms105×۲) 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[۱۱] 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 ۷±۷۷ و مقدار چگالی انرژی دارای مقداری از مرتبه ۱۰۱۰×(۱۰-۱)است ]۱۶و۱۰و۵[.
با بهره گرفتن از مدل برف­روبی برای مرحله محوری و مدل قطعه ای برای مرحله شعاعی زمان های 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:

(۱-۱)

‏

(۱-۲)

۳- 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.
۳-۱ مدل جاروبی یا برف روبی
این مدل و همچنین مدل قطعه ای که در بخش بعدی توضیح داده می­ شود، مختص پلاسمای کانونی نیستند بلکه قبل از آن برای بررسی دینامیک انواع دیگرZ-پینچ ها مورد استفاده قرار گرفته است. در مدل جاروبی فرض می­ شود 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]۶[:
شکل ۱-۴) طرحی شماتیک از مراحل محوری(بالا) و شعاعی(پایین).
]۱۴و۱۳[
۳-۲ 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.

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...