دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران مرکزی

دانشکده علوم پایه، گروه فیزیک

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.Sc.)

گرایش: هسته ای

عنوان:

طراحی و ساخت یک دستگاه پلاسمای کانونی بسیار کوچک قابل حمل

 

 

 

چکیده پایان نامه (شامل : خلاصه، اهداف، روش های اجرا و نتایج به دست آمده) :

موضوع این پایان نامه طراحی و ساخت یک دستگاه پلاسمای کانونی بسیار کوچک قابل حمل با انرژی ۲۰ ژول به نام سورنا-۱ در آزمایشگاه پلاسمای کانونی پژوهشکده فیزیک پلاسما و گداخت هسته­ای پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای سازمان انرژی اتمی است، پروژه ساخت دستگاه سورنا-۱ گام اول در پژوهش بر روی دستگاه های پلاسمای کانونی بسیار کوچک در ایران است و زیر بنای برنامه های تحقیقات نظری و کاربردی بسیاری به شمار می رود که در آینده بسیار نزدیک در این پژوهشکده آغاز خواهند شد.

در فصل اول این پایان نامه ابتدا شرحی مختصر در باره دستگاه پلاسمای کانونی و خصوصیات آن ارائه داده ایم و  سپس مدل های موجود برای تحلیل عملکرد آن را مورد بررسی قرار داده ودر پایان مشخصات چنددستگاه پلاسمای کانونی موجود ذکر نموده ایم.در فصل دوم مراحل طراحی دستگاه با استفاده از قوانین مقیاس بندی و محاسبات مربوط به قسمت های مختلف مکانیکی دستگاه انجام شده و  روابط مربوطه ارائه می گردد.

در فصل سوم که مربوط به مرحله ساخت است به بررسی ساختار سیستم الکتریکی، مکانیکی و تخلیه و دمش گاز دستگاه سورنا-۱ و نحوه ساخت،  نصب و راه اندازی آنها پرداخته شده است و نتایج برخی از آزمایش های انجام شده با دستگاه ارائه گردیده است.

پس از ساخت این دستگاه و آشنایی هرچه بیشتر با اصول ساخت و مشکلات موجود و رفع آن ها، یک دستگاه کوچک تر با انرژی ۴ ژول و با فرکانس کاری ۱ هرتز به نام سورنا-۲ در این آزمایشگاه طراحی، ساخته، نصب، و راه اندازی شده  و اکنون آزمایشگاه

پلاسمای کانونی بسیار کوچک”  از توان قابل توجهی برای پژوهش برخوردار است.

 

فهرست مطالب

 

فصل اول: عملکرد پلاسمای کانونی   ۱

۱- مقدمه: ۲

۱-۱ دستگاه پلاسمای کانونی: ۲

۱-۲ کاربرد های پلاسمای کانونی: ۴

۲- اصول عملکرد دستگاه پلاسمای کانونی: ۶

۲-۱ مرحله شکست و تخلیه سطحی   ۷

۲-۲ مرحله رانش محوری   ۸

۲-۳ مرحله تراکم شعاعی   ۸

۲-۴ مرحله پلاسمای چگال و کانونی شدن   ۹

۲-۵ مرحله وقوع ناپایداری و فروپاشی پینچ   ۱۰

۳- تحلیل مراحل کار پلاسمای کانونی   ۱۱

۳-۱ مدل جاروبی یا برف روبی   ۱۱

۳-۲ مدل قطعه ای   ۱۳

۴- دستگاه نانوفوکوس    ۱۴

فصل دوم: طراحی   ۲۲

۱- مقدمه  ۲۳

۲- مراحل طراحی یک دستگاه پلاسمای کانونی   ۲۴

۲-۱ محاسبه پارامترهای الکتریکی و دوره تناوب تخلیه  ۲۵

۲-۲ محاسبه شعاع آند  ۲۶

۲-۳  محاسبه طول موثر آند  ۲۷

۲-۴ محاسبه  طول عایق و شعاع داخلی کاتد  ۲۷

۳-  طراحی دستگاه پلاسمای کانونی کوچک ۲۰ ژول   ۳۰

۳-۱    انتخاب سیستم تغذیه الکتریکی مناسب  و دوره تناوب تخلیه  ۳۰

۳-۲  طراحی الکترود داخلی (آند)  ۳۱

۳-۳  طراحی الکترود خارجی (کاتد) و عایق بین الکترود ها ۳۳

۳-۴ طراحی سیستم الکتریکی دستگاه پلاسمای کانونی ۲۰ ژول   ۳۷

۳-۴-۱ منبع تغذیه و بانک خازنی   ۳۷

۳-۴-۲ سیستم کنترل   ۳۷

۳-۴-۳  طراحی سیستم های تخلیه و دمش گاز  ۳۸

۴- سیستم های آشکارسازی و ثبت اطلاعات    ۴۰

فصل سوم: ساخت، نصب و راه اندازی   ۴۱

۱- مقدمه  ۴۲

۲- ساخت، نصب و راه اندازی دستگاه پلاسمای کانونی ۲۰ ژول   ۴۵

۲-۱   قسمت مکانیکی دستگاه ۲۰ ژول   ۴۷

۲-۲  سیستم تخلیه و دمش گاز  ۴۹

۲-۳   سیستم الکتریکی دستگاه ۵۰

۲-۴  نصب و راه اندازی و آزمایشات اولیه  ۵۷

۳- پایش پرتوی   ۶۱

فصل چهارم: بحث و نتیجه گیری   ۶۲

مراجع : ۶۶

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل ها

 

شکل ۱-۱ ) نمای شماتیک دو دستگاه پلاسمای کانونی  ۳

شکل ۱-۲) دو نمونه از تصاویر مربوط به کاربرد پلاسمای کانونی  ۵

شکل۱-۳)طرحی از پلاسمای کانونی و مدار مربوط به آن  ۷

شکل ۱-۵) نمایی از دستگاه نانوفوکوس   ۱۵

شکل ۱-۶) تصویر بیرونی دستگاه نانوفوکوس   ۱۶

شکل ۱-۷) ۱۷

شکل ۱-۸) سیگنال های الکتریکی مربوط به ولتاژ، مشتق جریان و جریان  ۱۸

شکل ۱-۹  ۱۹

شکل ۲-۱) بلوک دیاگرام کلی طراحی دستگاه های پلاسمای کانونی  ۲۸

شکل ۲-۲)‌ تصویری از بالا از دستگاه ۲۹

شکل ۲-۳) میله آند همراه با عایق دور آن و لایه تفلون جدا کننده ۳۲

شکل ۲-۴) برشی عمودی از دستگاه ۳۵

شکل۳-۱) دستگاه پلاسمای کانونی کوچک ۲۰ ژول که بر روی میز استیل دو طبقه  نصب شده است. ۴۶

شکل ۳-۲) اندازه های قسمت های مختلف دستگاه بر حسب میلی متر  ۴۸

شکل ۳-۳) سیستم کلی دستگاه ۲۰ ژول  ۵۰

شکل۳-۴) نمای تابلو فرمان  ۵۲

شکل ۳-۵) شمای دستگاه کنترل الکترونیکی  ۵۴

شکل ۳-۶) بلوک دیاگرام کلی دستگاه ۵۵

شکل ۳-۷) شمای کلی از طرح دستگاه پلاسمای کانونی ۲۰ ژول  ۵۶

شکل۳-۸) نمونه ای از سیگنال مشتق جریان  ۵۸

شکل ۳-۹) نمونه ای ازسیگنال مشتق جریان  ۵۹

شکل ۳-۱۰) نمونه ای ازسیگنال جریان  ۵۹

شکل ۳-۱۱) تغییرات فرکانس تخلیه با فشار در ولتاز تخلیه ۱۶ کیلو ولت   ۶۰

شکل ۳-۱۲) آرایش TLDهای نصب شده در اطراف دستگاه۲۰ ژول  ۶۱

 

فهرست جدول ها

 

جدول۱-۱مشخصات دستگاه های پلاسمای کانونی موجود در مرکزCCHEN.. 20

جدول ۲-۱) مشخصات الکتریکی چند دستگاه پلاسمای کانونی. ۲۴

جدول۳-۱) اسامی برخی از وسایل موجود در آزمایشگاه پلاسمای کانونی کوچک در پژوهشکده فیزیک پلاسما ۴۳

جدول ۳-۲) مشخصات دستگاه پلاسمای کانونی ۲۰ ژول. ۴۷