3-6 اتصالات قابل باز و بسته شدن در محيط خلاء ………………………………………………………..40
3-6-1 استفاده از طرح هايي با آب بندي الاستومتري ……………………………………………………….40
3-6-2 استفاده از طرح هايي با آب بندي وا شر هاي مسي …………………………………………………42
3-7 پمپ هاي خلاء ……………………………………………………………………………………………44
3-7-1 مکانيزم پمپ هاي خلاء ……………………………………………………………………………….44
3-8 محاسبه سرعت تخليه محفظه خلاء …………………………………………………………………..49
3-8-1 حجم محفظه ………………………………………………………………………………………….49
فصل چهارم
طراحي و ساخت سيستم Q-Machine عمودي براي انجام تحقيقات در زمينه پلاسماي غباري
4-1 مقدمه ……………………………………………………………………………………………………..52
4-2 محفظه خلاء Vacuum Vessels ……………………………………………………………… 53
4-2طرح کلي محفظه همراه با ابعاد و اندازه ها …………………………………………………………55
4-3 نحوه اتصال بخش هاي سه گانه دستگاه ………………………………………………………….. 62
4-4 انتخاب جنس محفظه و اتصالات ……………………………………………………………………63
4- 5 طراحي و ساخت سيستم مولد ميدان مغناطيسي …………………………………………………69
4-5-1 تخمين مواد مورد نياز …………………………………………………………………………………69
4-5-2طراحي قرقره نگه دارنده مگنت ………………………………………………………………………71
4-5-3 روش ها ي مختلف سيم پيچي ……………………………………………………………………….77
4-5-4 طرح نهايي ساخت مگنت …………………………………………………………………………….79
پيوست……………………………………………………………………………………………………………….93
فهرست منابع ……………………………………………………………………………………………………..107
فصل اول

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

مقدمه
يکي از مهمترين وجوه هر مبحثي در علم فيزيک و شايد هم مهمترين وجه آن، عينيت بخشيدن به دانسته هاي تئوريک است. انجام اين امر مستلزم شناخت کافي از مباني نظري يک موضوع و داشتن تجربه کافي در کار کردن با مواد و ابزار هاي مختلف است. ساختن دستگاه هاي مورد استفاده در آزمايشگاه به دليل دقت زيادي که بايد در ساخت آنها به کار برود زحمت بيشتري خواهد داشت.
در اين راستا پروژه اي با عنوان “طراحي و ساخت دستگاه عمودي Q-Machine براي تحقيقات در زمينه پلاسماي غباري ” تعريف شد.
هدف از اجراي اين پروژه طراحي و ساخت يکي از ابزار هاي مولد پلاسما بود که تاکنون در ايران ساخته نشده است. ويژگي منحصر به فرد اين سيستم اين است که پلاسماي توليد شده در آن بسيار آرام و عاري از آشفتگي هاي موجود در ساير انواع پلاسما است.
پروژه حاضر را مي توان در قالب موارد زير تفکيک کرد:
1-طراحي و ساخت محفظه خلاء با قابليت رسيدن به خلا torr7-10 و همچنين دماي حدود 300 در جه سلسيوس.
2- طراحي و ساخت سيستم مولد ميدان مغناطيسي و منبع تغذيه آن.
3- طراحي و ساخت کوره فلزات قليايي.
مطالعات اوليه به منظور ساخت اين سيستم از ابتداي تابستان 1385آعاز شد و پس از حدود 4 ماه مطالعه مقدماتي کار طراحي و ساخت محفظه خلاء در کنار طراحي ساير قسمت ها با خريد بخشي از مواد خام مورد نياز آغاز شد. پس از اينکه طراحي محفظه خلاء انجام شد مرحله بعدي پيدا کردن کارگاهي براي انجام تراش کاري و جوشکاري با دقت مورد نظر بود،که در نهايت پس از کار کردن با چند کارگاه موجود در بازار سر انجام تراش کاري و جوشکاري آر گون به يکي از کارگاه هاي فعال در اين بخش سپرده شد.
همزمان مطالعه بر روي ساخت ساير قسمت ها ادامه پيدا کرد و کار طراحي و ساخت بخش هاي مختلف نظير مگنت ها،طراحي منبع تغذيه مگنت ها و طرح ساخت پنجره هاي خلاء و ساير قسمت ها ادامه پيدا کرد.
مشکلات متعدد موجود بر سر راه انجام اين پروژه باعث شد که مراحل انجام آن به کندي پيش برود. مهمترين اين مشکلات را مي توان به صورت زير بيان کرد:
1-عدم تامين به موقع منابع مالي.
2- نبودن نيروهاي متخصص در بازار براي انجام کار هاي گوناگوني نظير تراش کاري، جوشکاري، ريخته گري و…که بايد با دقت قابل ملاحظه اي انجام مي شد.
3- عدم پايبندي کارگاه مذکور به انجام تعهدات خود در موعد مقرر که باعث ايجاد وقفه اي طولاني در مراحل انجام کار شد.
به هر حال با وجود مشکلات فراوان،کار ساخت بخش هاي مختلف اين سيستم به پايان رسيده است.
آنچه در اينجا بايد به آن اشاره کنم تلاش بي وقفه و پيگيري هاي مستمر جناب آقاي دکتر محمودي است که کار اصلي انجام طرح با نظارت مستقيم و کامل ايشان و در مرتبه اي بسيار فراتر از وظايف يک استاد راهنما به انجام رسيده است. به همين جهت برخود لازم مي دانم که از راهنمايي هاي دلسوزانه و محبت هاي پدرانه ايشان تشکر و قدرداني نمايم.
ذکر اين نکته لازم است که تمامي بخش هاي اين پروژه به صورت مشترک و گروهي انجام شده است و ارائه پايان نامه موجود صرفاً به جهت رعايت مقررات آموزشي دانشگاه صورت مي گيرد.
از زحمات دوست و همکار عزيزم جناب آقاي مهران محمدي که در تمامي مراحل طراحي و ساخت حضور ي مستمر داشته اند، صميمانه تشکر مي کنم.
همچنين از زحمات آقاي احمد سالارالهي که در بخش هايي از اين کار ما را ياري نموده اند قدرداني مي نمايم.
از دوستان خوبم آقايان حميدرضا صفري و جواد کاظمي و کليه دوستاني که در ساخت مگنت ها ما را ياري نموده اند صميمانه تشکر مي نمايم.
از جناب آقاي صفري، مسئول محترم کارگاه تراش دانشگاه قم،که در انجام امور تراش کاري ما را ياري نموده اند، سپاسگزاري مي نمايم.
در پايان لازم است از مسئولين و کارکنان بخش هاي مختلف دانشگاه قم از جمله آزمايشگاه فيزيک،کارگاه عمراني، ادراه حراست،اداره آموزش، واحد نقليه و کليه عزيزاني که در انجام اين پروژه ما را ياري نموده اند تشکر و قدر داني نمايم
مجتبي نوحه خوان
شهريور 1387
فصل دوم
اختراع Q-Machine و تئوري اساسي آن
بخش اول
اختراع Q-Machine
2-1 مقدمه
در اواخر سال 1950 توسعه فعاليتهاي تحقيقاتي در زمينه پلاسماي تمام يو نيزه بوسيله سه عامل محدود شده بود:
1- عدم اطلاعات کافي در باره حالتهاي پلاسما
2- عدم توسعه روشهاي تشخيصي
3- پيچيده بودن ابزارهاي توليد پلاسما
مشکل اول تنها با گذشت زمان قابل حل بود. مشکل دوم با توسعه ساخت ليزر هاي پر توان براي پراکندگي تامسون و مشکل آخر بوسيله يک منبع جديد توليد پلاسما.
تا آن زمان اغلب منبع هاي توليد پلاسما بر اساس به دام اندازي مغناطيسي پلاسماي داغ طراحي شده بود. پلاسماي توليد شده در اين ابزارها از پايداري لازم براي مطالعات بنيادي برخوردار نبود.
ساخت اين ابزارها بسيار پرهزينه و پلاسماي توليدي بيشتر به صورت پالسي بود تا پايدار و نيز به دليل وجود الکترون هاي پر انرژي استفاده از پرو بهاي فلزي غير ممکن بود.
نياز به يک پلاسماي با دماي پايين و حالت پايدار با يونيزاسيون بسيار بالا و قابليت دسترسي آسان، ذهن فيزيکدانان پلاسما را به خود مشغول کرده بود.
در سال 1956 Dreicer نظريه توليد پلاسماي تمام يونيزه از طريق برخورد جرياني از اتم هاي قليايي بر سطح صفحه اي داغ از جنس تنگستن را مطرح نمود.
اين ايده در آن زمان توسعه چنداني پيدا نکرد. اما در سال 1960 دو گروه مستقل يکي به رهبري Rynn و D’Angelo در دانشگاه پرينستون و ديگري به رهبري Knechtli و Wada در آزمايشگاه تحقيقاتي Hughes موفق به ساخت Q-Machine شدند.[1]
پيشوند Q از کلمه Quiescent که به معناي آرام وخاموش است توسط گروه پرينستون انتخاب شد،که دليل آن توليد پلاسماي حرارتي آرام و فاقد ناپايداري هاي نوساني بود.
پس از طراحي و ساخت Iowa Q-machine1 تحقيقات براي توسعه و رفع عيوب سيستم توسط گروه سازنده ادامه پيدا کرد و منجر به توليد دو نمونه ديگر از اين سيستم شد.که اطلاعات موجود درباره طراحي آنها بسيار محدود است. اما آنچه از نوشته هاي موجود بر مي آيد آنست که آنها در آخرين نمونه موسوم به Iowa Q-machine3 که در سال 1998 ارائه کرده اند موارد زير را انجام داده اند:
1- طراحي جديد سيستم ريختن dust به سيستم.
2- قابليت تبديل شدن به سيستمي با دو صفحه داغ.
3- مگنت با هسته خنک شونده که اطمينان خوبي براي کار با سيستم به ما مي دهد.
4- سيستم خلاء پنوماتيک.
5- يک پروب با قابليت حرکت براي اندازه گيري هاي محوري.
اکنون شرح جامعي از نحوه توليد پلاسما به اين روش بيان مي شود.
2-2 توصيف کلي Q-Machine
يونها در دستگاه Q-Machine به وسيله تماس يون ساز يا به عبارتي جدا شدن يک الکترون از هر اتم در برخورد با صفحه فلزي بسيار داغ توليد مي شوند.
اين فرايند در سال 1925 توسط Langmuir وKingdon کشف شد. آنها متوجه شدند که ضريب يونيزاسيون در اين فرايند تقريبا 100% است. اين اتفاق زماني رخ مي دهد که تابع کار صفحه فلزي از پتانسيل يونيزاسيون اتم بيشتر باشد.
از جدول تناوبي عناصر مي توان اين نکته را دريافت که فلزات قليايي کمترين پتانسيل يونيزاسيون و بيشترين ضريب يو نيزه شدن را دارند. البته اتم هاي قليايي در دماي اتاق يو نيزه نخواهند شد و جذب سطحي آنها توسط فلز باعث کاهش تابع کار فلز خواهد شد.
براي يک سطح فلزي تميز، حرارتي در حدود C?900 مورد نياز است تا يونيزاسيون شروع شود. اما ميزان يو نيزه شدن اتم ها خيلي بالا نخواهد بود. براي توليد پلاسما، بايد دما را تا حدود C?2000 بالا ببريم. در اين دما سطح فلزي، الکترون هاي ناشي از گسيل گرما يو ني آزاد مي کند.
صفحه فلزي مي تواند از جنس تنگستن يا تانتاليوم باشد.
ساخت دستگاه Q-Machine تاثير به سزايي در مطالعه مبدل هاي گرمايوني داشت. اين وسيله مي توانست ايده ي خوبي براي توليد مستقيم الکتريسيته از گرما باشد. اين کار مي تواند به وسيله يک زوج صفحه که در نزديکي هم قرار دارند صورت گيرد. يکي از آنها بايد داغ و ديگري سرد باشد.گسيل گرما يو ني از صفحه داغ به طرف صفحه سرد در صورتي که آنها به يک مدار خارجي متصل باشند، عامل ايجاد جريان مي گردد.
اگر چه در Q-Machine اغلب از دو صفحه و بمباران آنها توسط اتم هاي قليايي استفاده مي شود، اما تفاوتهاي زيادي بين اين سيستم و مبدل گرما يوني وجود دارد.
دو گروهي که بر روي ساخت Q-Machine کار کردند دو نوع سيستم متفاوت طراحي کردند.
طراحي صورت گرفته توسط گروه پرينستون (شکل 2-1)، که بر روي مطالعه محصور سازي پلاسما متمرکز شده بودند، بر اساس برخورد باريکه اي از اتم ها بر سطح يک يا دو صفحه داغ، شکل گرفته بود.
شکل2-1 طرح اوليه ساخته شده توسط گرو پرينستون- [1]
اين اختراع توسط W.Hooke پيشنهاد شد. در اين سيستم با خنک سازي مناسب ديواره ها فشار بخار سديم تا torr7-10 (T<0oC) کاهش مي يابد.
چگالي يونها از cm-3109 تا cm-3 1012 است،که به يونيزاسيون 25% تا 99% منجر خواهد شد.
در اين سيستم ميانگين مسافت آزاد براي يون – اتم بيش از 1متر و حتي براي الکترون – اتم بيش از اين مي باشد. دماي الکترونها و يونها قابل مقايسه با هم است اما لزوما با دماي صفحه يکسان نخواهد بود.
شکل 2-2 طرح گروه پرينستون را نشان مي دهد. در اين طرح از مگنت هايي که بوسيله آب خنک مي شوند براي توليد ميدان مغناطيسي تا KG8 در قطر cm25 و طول m3/1 استفاده شده است.
شکل 2-2 نخستين Q-machine ساخته شده در پرينستون ] [1.
يک طرح ساده تر از Q-Machine در آزمايشگاه تحقيقاتي Hughes براي مطالعه باز ترکيب حجمي ساخته شد.
در اين طرح به جاي استفاده از بمباران صفحه داغ از يک مخزن فلز قليايي و تبخير آن استفاده شده است.
محفظه خلا شيشه اي، طول کوتاه ستون پلاسما و يک صفحه کوچک از جنس تانتاليوم که توسط بمباران الکترون ها، ناشي از فيلاماني که در انتهاي ستون پلاسما قرار دارد، يک طرح ارزان قيمت را تشکيل مي دادند.
حد اکثر ميدان مغناطيسيkG 5/1و بوسيله يک سيم پيچ توليد مي شود.
ميدان مغناطيسي پاره اي در اين سيستم فقط يونها را محصور مي کند. که قاعدتا توسط يک ميدان الکترواستا تيکي اين محصورسازي به صورت شعاعي صورت خواهد گرفت.
اين وسيله تنها مي تواند تعداد محدودي از آزمايشات را پشتيباني کند. اما مي تواند در آزمايشگاه هاي دانشجويي وسيله مفيدي باشد.

شکل2-3 يک طرح ساده تر از Q-Machine در آزمايشگاه تحقيقاتي Hughes [1].
هر دو نوع Q-Machine مطرح شده مي تواند هم به صورت يک صفحه اي و هم به صورت دو صفحه اي ساخته شوند.
در صورتي که از يک صفحه داغ استفاده شود، ستون پلاسما در طول يک ميدان خطي تا صفحه سرد با سرعتي در حدود(و يا بيشتر از) سرعت گرمايي شارش مي کند. زمان محصورسازي به اندازه فاصله زماني بين صفحه هاي داغ و سرد است. در حالتي که از دو صفحه داغ استفاده مي شود، يونها ممکن است بارها بين دو صفحه حرکت کنند و تا زماني که از بين مي روند مدت بيشتري به صورت يون وجود داشته باشند.
موفقيت نمونه هاي نخستين ساخته شده باعث شد آزمايشگاه هاي تحقيقاتي پلاسما به سرعت نمونه هاي ديگري از اين دستگاه را، براي مطالعه محصورسازي پلاسما، طراحي و اجرا کنند.
مراکز متعددي نظير دانشگاههاي Stanford, Columbia در آمريکا و مرکز Novosibirsk در اتحاد جماهير شوروي سابق نمونه هاي بعدي از اين دستگاه را ساختند. همچنين Q-Machine براي مطالعه امواج و ناپايداري آنها در Ecole polytechnique در فرانسه طراحي و ساخته شد. براي مطالعه و تحقيق در زمينه فيزيک پلاسما Q-Machine ويژگي هاي خاصي دارد.
نخست آنکه امکان فراهم ساختن يک پلاسما با درجه يونيزاسيون بالا وجود دارد (بالاتر از 90%). دوم آنکه در غياب يک زمينه چگال از اتم ها، امکان انجام آزمايشهاي متنوعي با موضوع پخش پلاسما و امواج پلاسما بدون نگراني از پيچيدگي هاي وجود ذرات باردار و برخورد با اتم ها فراهم مي شود. ديگر آنکه حالت پايدار اين دستگاه براي ما اجازه استفاده برخي تکنيک ها را فراهم مي کند.
تعيين فاز امواج يون صوتي و يا ساير آشفتگي هاي القا شده در پلاسما مي تواند نسبتsignal/noise را در يک آزمايش نشان دهد. در نهايت دماي پايين پلاسماي توليد شده و ظرفيت گرمايي پايين اتم هاي قليايي به ما اجازه وارد کردن پروب و يا شبکه را درون پلاسما مي دهد. با اين ابزار ساده مي توان اندازه گيري هاي اوليه از دماي پلاسما و چگالي آن، مرور جزئيات خواص حالت پايدار و ناپايدار، تحريک و شناسايي امواج، پايداري ها و نا پايداري ها را در ستون پلاسما انجام داد.
2-3 سهم Q-Machine در تحقيقات
مهمترين کارهايي که با توسعه Q-Machine انجام گرفت تحقيقات در زمينه همجوشي کنترل شده در پلاسماي محصور شده با فشار پايين(NKT<<B2) و همچنين مطالعه جزئيات امواج بود. شماري از گروه ها اهميت تقارن در ستون پلاسما براي محدود سازي آن را به وضوح نشان دادند. براي چنين امري لازم است که سطوح هم پتانسيل پلاسما بوسيله صفحه داغ بسته شوند. يونها که در ستون پلاسما سوق پيدا مي کنند به خوبي محصور مي شوند. اهميت اين نکات در تحقيقات اوليه و قبل از ساخت Q-Machine روشن نشده بود. عدم تقارن در دماي صفحه داغ و يا ناپايداري هاي فرکانس پايين مي تواند تقارن در پلاسما را از بين ببرد و يا حتي منجر به جريانهاي همرفتي در پلاسما شود.
ناپايداري هاي سوقي که باعث از دست رفتن پلاسما مي شود را مي توان با جزئيات خوبي در اين سيستم مطالعه نمود. از ديگر کاربرد هاي مهم Q-Machine مطالعه امواج يون-صوتي با فرکانس پايين و اندازه گيري سرعت جذب امواج صوتي در پلاسماي غير برخوردي است.
تکنيک اخير بر مبناي اندازه گيري تابع توزيع سرعت يونها در حالت پايدار و اختلالي استوار است. يکي ديگر از بخش هايي که با توسعه Q-Machineبه آن پرداخته شد، فيزيک سطح و بازترکيب حجمي بود. بازترکيب سطحي که از روابط Langmuir-Saha پيروي مي کند براي يونها و گاز درحال تعادل بر روي صفحه داغ نشان داده شد. همچنين گستره محدودي از پارامتر ها که در آن تئوري تعادلي بر پلاسما حاکم است مورد بحث قرار گرفته است.
توسعه Q-Machine سهم بسزايي در بررسي و تحقيق پلاسمايي داشت که عموما تا قبل از 1960 فرمول بندي شده بود و همچنين افق هاي جديدي براي کار روي پلاسما به روي دانشمندان گشود.

بخش دوم
تئوري اساسي
2-4 يونيزاسيون تماسي Contact Ionization
يونها در پلاسماي Q-Machine از يک تماس که منجر به توليد يون مي شود، بوجود مي آيد. اين کار از طريق جذب الکترون هاي لايه ظرفيت يک اتم توسط صفحه فلزي انجام مي شود. احتمال وقوع اين حالت به تابع کار صفحه و پتانسيل يونيزاسيون اتم بستگي دارد.
يونيزاسيون زماني رخ مي دهد که تابع کار صفحه بيش از پتانسيل يونيزاسيون اتم باشد در اين حالت در اثر برخورد اتم ها با سطح، دماي آنها با دماي صفحه تقريبا يکسان خواهد شد. اگر فرض تعادل گرمايي ميان صفحه و اتم ها را فرض قابل قبولي بدانيم آنگاه مي توان از رابطه Langmuir-Saha نسبت يونها به اتم ها را به صورت زير نوشت:
(1)
که gi و go وزن آماري يون و اتم است wوT تابع کار و دماي صفحه فلزي وE پتانسيل يونيزاسيون اتم است. نسبت براي اتم هاي قليايي حدود 5/0 است. در نتيجه احتمال يونيزاسيون به صورت رابطه 2 خواهد بود:
(2)
پتانسيل يونيزاسيون براي اتم هاي قليايي پايين است، به همين دليل آنها يک منبع مناسب براي کار هستند به عنوان مثال احتمال يونيزاسيون سزيم بر تنگستن(k2000T= وev87/3=E و ev52/4= W ) بيش از 93% است.
از ديگر ترکيبات مناسب براي يونيزاسيون ترکيب سزيم بر تانتا ليوم، پتاسيم بر تنگستن و سديم، استرانتيم ، باريم و يا ليتيم بر رنيم مي با شد. رابطه اي که خيلي با رابطه يونيزاسيون نزديک است رابطه احتمال بازترکيب است.P براي اتم هاي برخورد کننده با يک سطح عبارتست از:
(3)
نکته اي که در اينجا بايد گفت آنست که ضريب بازتاب مستقيم يونها بسيار کوچک است. از رابطه 3 چنين نتيجه مي شود که اتم ها يي که احتمال يونيزاسيون بالايي دارند از احتمال باز ترکيب کمي برخوردار هستند به عنوان مثال احتمال باز ترکيب سزيم بر تنگستن فقط 7% است. بقيه اتم ها احتمال باز ترکيب بالاتري نسبت به سزيم دارند، بنابراين سزيم يکي از مناسب ترين پيشنهاد ها براي توليد يون در اين روش است.
رابطه Langmuir-Saha بر فرض تعادل ترموديناميکي استوار است و نمي تواند يک رابطه عمومي باشد. اما براي اتم هاي قليايي به خوبي و با ضريب بسيار بالايي تناسب دارد.Ionov همين فرض را براي اتم پتاسيم با اندازه گيري مستقيم انرژي يون هاي گسيل شده ثابت کرد. همچنين اين رابطه توسط Taylor و Dutz براي برخورد سزيم و پتاسيم بر تنگستن مورد آزمايش قرار گرفت. ساير ترکيبات اتم و صفحه هاي فلزي مانند پتاسيم بر پلاتين انحراف از اين تئوري را نشان مي دهند.
شرح کاملي از آزمايشهايي که در آنها يونيزاسيون بوسيله برخورد صورت مي گيرد توسط Kaminsky داده شده است. بسياري ازنمونه هايي که نسبت به معادله Langmuir-Saha انحراف نشان داده اند را مي توان در تابع کار رديابي کرد. مقدار يکتايي تابع کار را مي توان توسط يک سطح تميز و همگن اندازه گيري کرد.
يک سطح که از جنسهاي مختلفي تشکيل شده باشد، تابع کار متغيري خواهد داشت که مي تواند ناشي از جذب گاز و يا جهت گيري هاي متفاوت کريستال ها باشد. در چنين سطوحي، يونيزاسيون در قسمتهايي که تابع کار زيادي دارند انجام مي شود و بازترکيب يون ها با الکترون ها در قسمتهايي که تابع کار کمي دارند انجام مي شود. اگر سطح تانتاليوم حاوي اکسيژن باشد در برخورد باريم با آن، شاهد رفتار هاي غير عادي خواهيم بود.
2- 5 طبقه بندي پلاسماي Q-Machine
در بخش گذشته روند يونيزاسيون و بازترکيب در برخورد ذرات بر سطح در غياب پلاسما مورد بررسي قرارگرفت هرچقدر ميزان شار يونها و يا اتمهاي برخورد کننده با صفحه داغ بيشتر باشد، پلاسماي بيشتري در خارج صفحه داغ تشکيل خواهد شد. پلاسما بطور شديدي علاقمند است که خود را خنثي نگه دارد بنابراين جريان خالص درون يک پلاسما صفر خواهد بود. به جهت همين خاصيت خنثي بودن، پلاسما يک غلاف ما بين خود و هر آنچه که با آن در تماس است به وجود مي آورد.(Plasma Sheath)
غلاف توليد شده مي تواند نسبت به صفحه داغ پتانسيل مثبت يا منفي داشته باشد که به تعادل بارها بستگي دارد. بطور طبيعي جريان الکتروني درون و بيرون صفحه داغ بيشتر از جريان يوني خواهد بود بنابراين مي توان روي پتانسيل پلاسما با استفاده از جريان الکتروني بحث کرد. اگر گسيل گرمايوني ناشي از صفحه بيشتر از جريان الکترونهاي تصادفي بر سطح صفحه باشد غلاف داراي پتانسيل منفي خواهد بود و پلاسمايي با غلبه الکتروني خواهيم داشت.(Electron Rich ) اگر عکس اين موضوع اتفاق بيفتد پتانسيل غلاف مثبت و در پلاسما غلبه با يونها خواهد بود. (Ion Rich ) پتانسيل پلاسماي Q-Machine به عوامل متعددي نظير احتمال يونيزاسيون اتم ها، توزيع سرعت الکترون ها و يونها، شکل شعاعي پلاسما، شرايط مرزي براي ناپايداري ها و ساير عوامل تاثيرگذار بر پلاسما بستگي دارد.
نمودار تغيير پتانسيل در طول Q-Machine در شکل زير آمده است.
شکل 2-4- [1]
در نزديکي صفحه داغ شکل غلاف به اندازه کمي منحرف خواهد شد که در مقايسه با طول کل پلاسما قابل صرفنظر کردن است(کمتر ازmm1/0).
مي توان افت پتانسيل بين صفحه و پلاسما را در غياب هر جريان خالص، بوسيله معادل سازي گسيل از صفحه فلزي با جريان تصادفي الکترون ها از پلاسما بسوي صفحه فلزي محاسبه کرد.
(4 )
AR ثابت ريچاردسون(ok-2 cm-2 A120) ، V اختلاف پتانسيل بين صفحه و پلاسما و سرعت ميانگين الکترون ها است.
(5)
در صورتي رابطه فوق برقرار است که تابع توزيع الکترون ها ماکسولي باشد. رابطه 4 براي هر دو نوع پلاسماي Electron Rich و Ion Rich برقرار است. در اين تحليل فرض بر آنست که جريان يوني در مقايسه با جريان الکتروني قابل چشم پوشي باشد. و هنگامي که پلاسما شديدا داراي پتانسيل مثبت باشد برقرار نخواهد بود، و اين در صورتي رخ مي دهدکه:

اگر بار خالص در پلاسما ي Q-Machine مستقيما به شار يوني از صفحه يونساز بستگي دارد.
يکي از نتايج مهم معادله 4 آنست که ميدان الکتريکي شعاعي و يا سمتي بوسيله گراديان چگالي و گراديان دما بر سطح صفحه داغ ايجاد مي شود.
(6)
يک ميدان الکتريکي شعاعي خالص مي تواند باعث چرخش پلاسما شود. ميدان الکتريکي سمتي مي تواند باعث خروج پلاسما از ناحيه محصور شده در آن شود.
احتمال يونيزاسيون اتم ها در برخورد با سطح در تماس با يک پلاسماي منفي در رابطه 2 داده شده است. بلافاصله بعد از تشکيل پلاسما، بوسيله يک ميدان الکتريکي، يون ها به سوي پلاسما جاروب خواهند شد. اگر دماي صفحه کاهش پيدا کند ويا چگالي پلاسما افزايش يافته و بيشتر از چگالي بحراني nc شود،آنگاه جريان الکترون هاي تصادفي از پلاسما بر سطح صفحه داغ بيش از گسيل ريچاردسون خواهد شد. در اين حالت پتانسيل پلاسما مثبت و احتمال يونيزاسيون با بازتاب يون ها در مرز پتانسيل جلوي صفحه کاهش خواهد يافت.
(7)
چگالي بحراني فقط به تابع کار و دماي صفحه بستگي دارد جدول 2-1 تعدادي از بازتابنده هاي فلزي مناسب را معرفي مي کند.
جدول 2-1 تعدادي از بازتابنده هاي فلزي مناسب براي استفاده در Q-Machine – [1]
هنگامي که دانسيته در Q-Machine بيشتر از دانسيته بحراني شود،کار کردن با Q-Machine بعنوان يک منبع کلي توليد پلاسما مشکل خواهد شد. در اين شرايط درصد يونيزاسيون افت خواهد کرد و شکل شعاعي پلاسما تمايل به تخت شدن خواهد داشت. در اين رژيم آزمايشهاي خوبي از بازترکيب گزارش شده است.
مي توان تاثير يک غلاف مثبت بر تابع کار صفحه فلزي را مورد بررسي قرار داد. همچنين کاهش تابع کار تنگستن ازV5/4 بهV 7/1 به دليل تشکيل لايه اي از اتم سزيم بر سطح فلز رخ مي دهد. در شرايط کار با Q-Machine تنها هنگامي تابع کار صفحه فلزي تغيير خواهد کرد و لايه اي از اتم ها بر سطح آن تشکيل خواهد شد که دماي آن کمتر از oc1100باشد. هنگامي که ترکيب مؤثري بين اتم و فلز صورت نگيرد، باريم بر سطح تنگستن و يا تانتاليوم، لزوما بايد شار اتم ها افزايش يابد و همين امر موجب تشکيل لايه اي از اتم ها بر سطح فلز خواهد شد.
شکل 2-5 منحني تابع کار و گسيل تنگستن را، هنگامي که با بخار سديم در تعادل است، نشان مي دهد.
شکل2- 5 منحني تابع کار و گسيل تنگستن را، هنگامي که با بخار سديم در تعادل است[1]
جدول 2-2 تعدادي از پارامترهاي يک Q-Machine استاندارد را نشان مي دهد.
جدول 2–2 [1]


پاسخ دهید