3-6 اتصالات قابل باز و بسته شدن در محیط خلاء ………………………………………………………..40
3-6-1 استفاده از طرح هایی با آب بندی الاستومتری ……………………………………………………….40
3-6-2 استفاده از طرح هایی با آب بندی وا شر های مسی …………………………………………………42
3-7 پمپ های خلاء ……………………………………………………………………………………………44
3-7-1 مکانیزم پمپ های خلاء ……………………………………………………………………………….44
3-8 محاسبه سرعت تخلیه محفظه خلاء …………………………………………………………………..49
3-8-1 حجم محفظه ………………………………………………………………………………………….49
فصل چهارم
طراحی و ساخت سیستم Q-Machine عمودی برای انجام تحقیقات در زمینه پلاسمای غباری
4-1 مقدمه ……………………………………………………………………………………………………..52
4-2 محفظه خلاء Vacuum Vessels ……………………………………………………………… 53
4-2طرح کلی محفظه همراه با ابعاد و اندازه ها …………………………………………………………55
4-3 نحوه اتصال بخش های سه گانه دستگاه ………………………………………………………….. 62
4-4 انتخاب جنس محفظه و اتصالات ……………………………………………………………………63
4- 5 طراحی و ساخت سیستم مولد میدان مغناطیسی …………………………………………………69
4-5-1 تخمین مواد مورد نیاز …………………………………………………………………………………69
4-5-2طراحی قرقره نگه دارنده مگنت ………………………………………………………………………71
4-5-3 روش ها ی مختلف سیم پیچی ……………………………………………………………………….77
4-5-4 طرح نهایی ساخت مگنت …………………………………………………………………………….79
پیوست……………………………………………………………………………………………………………….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
یکی از مهمترین وجوه هر مبحثی در علم فیزیک و شاید هم مهمترین وجه آن، عینیت بخشیدن به دانسته های تئوریک است. انجام این امر مستلزم شناخت کافی از مبانی نظری یک موضوع و داشتن تجربه کافی در کار کردن با مواد و ابزار های مختلف است. ساختن دستگاه های مورد استفاده در آزمایشگاه به دلیل دقت زیادی که باید در ساخت آنها به کار برود زحمت بیشتری خواهد داشت.
در این راستا پروژه ای با عنوان “طراحی و ساخت دستگاه عمودی Q-Machine برای تحقیقات در زمینه پلاسمای غباری ” تعریف شد.
هدف از اجرای این پروژه طراحی و ساخت یکی از ابزار های مولد پلاسما بود که تاکنون در ایران ساخته نشده است. ویژگی منحصر به فرد این سیستم این است که پلاسمای تولید شده در آن بسیار آرام و عاری از آشفتگی های موجود در سایر انواع پلاسما است.
پروژه حاضر را می توان در قالب موارد زیر تفکیک کرد:
1-طراحی و ساخت محفظه خلاء با قابلیت رسیدن به خلا torr7-10 و همچنین دمای حدود 300 در جه سلسیوس.
2- طراحی و ساخت سیستم مولد میدان مغناطیسی و منبع تغذیه آن.
3- طراحی و ساخت کوره فلزات قلیایی.
مطالعات اولیه به منظور ساخت این سیستم از ابتدای تابستان 1385آعاز شد و پس از حدود 4 ماه مطالعه مقدماتی کار طراحی و ساخت محفظه خلاء در کنار طراحی سایر قسمت ها با خرید بخشی از مواد خام مورد نیاز آغاز شد. پس از اینکه طراحی محفظه خلاء انجام شد مرحله بعدی پیدا کردن کارگاهی برای انجام تراش کاری و جوشکاری با دقت مورد نظر بود،که در نهایت پس از کار کردن با چند کارگاه موجود در بازار سر انجام تراش کاری و جوشکاری آر گون به یکی از کارگاه های فعال در این بخش سپرده شد.
همزمان مطالعه بر روی ساخت سایر قسمت ها ادامه پیدا کرد و کار طراحی و ساخت بخش های مختلف نظیر مگنت ها،طراحی منبع تغذیه مگنت ها و طرح ساخت پنجره های خلاء و سایر قسمت ها ادامه پیدا کرد.
مشکلات متعدد موجود بر سر راه انجام این پروژه باعث شد که مراحل انجام آن به کندی پیش برود. مهمترین این مشکلات را می توان به صورت زیر بیان کرد:
1-عدم تامین به موقع منابع مالی.
2- نبودن نیروهای متخصص در بازار برای انجام کار های گوناگونی نظیر تراش کاری، جوشکاری، ریخته گری و…که باید با دقت قابل ملاحظه ای انجام می شد.
3- عدم پایبندی کارگاه مذکور به انجام تعهدات خود در موعد مقرر که باعث ایجاد وقفه ای طولانی در مراحل انجام کار شد.
به هر حال با وجود مشکلات فراوان،کار ساخت بخش های مختلف این سیستم به پایان رسیده است.
آنچه در اینجا باید به آن اشاره کنم تلاش بی وقفه و پیگیری های مستمر جناب آقای دکتر محمودی است که کار اصلی انجام طرح با نظارت مستقیم و کامل ایشان و در مرتبه ای بسیار فراتر از وظایف یک استاد راهنما به انجام رسیده است. به همین جهت برخود لازم می دانم که از راهنمایی های دلسوزانه و محبت های پدرانه ایشان تشکر و قدردانی نمایم.
ذکر این نکته لازم است که تمامی بخش های این پروژه به صورت مشترک و گروهی انجام شده است و ارائه پایان نامه موجود صرفاً به جهت رعایت مقررات آموزشی دانشگاه صورت می گیرد.
از زحمات دوست و همکار عزیزم جناب آقای مهران محمدی که در تمامی مراحل طراحی و ساخت حضور ی مستمر داشته اند، صمیمانه تشکر می کنم.
همچنین از زحمات آقای احمد سالارالهی که در بخش هایی از این کار ما را یاری نموده اند قدردانی می نمایم.
از دوستان خوبم آقایان حمیدرضا صفری و جواد کاظمی و کلیه دوستانی که در ساخت مگنت ها ما را یاری نموده اند صمیمانه تشکر می نمایم.
از جناب آقای صفری، مسئول محترم کارگاه تراش دانشگاه قم،که در انجام امور تراش کاری ما را یاری نموده اند، سپاسگزاری می نمایم.
در پایان لازم است از مسئولین و کارکنان بخش های مختلف دانشگاه قم از جمله آزمایشگاه فیزیک،کارگاه عمرانی، ادراه حراست،اداره آموزش، واحد نقلیه و کلیه عزیزانی که در انجام این پروژه ما را یاری نموده اند تشکر و قدر دانی نمایم
مجتبی نوحه خوان
شهریور 1387
فصل دوم
اختراع Q-Machine و تئوری اساسی آن
بخش اول
اختراع Q-Machine
2-1 مقدمه
در اواخر سال 1950 توسعه فعالیتهای تحقیقاتی در زمینه پلاسمای تمام یو نیزه بوسیله سه عامل محدود شده بود:
1- عدم اطلاعات کافی در باره حالتهای پلاسما
2- عدم توسعه روشهای تشخیصی
3- پیچیده بودن ابزارهای تولید پلاسما
مشکل اول تنها با گذشت زمان قابل حل بود. مشکل دوم با توسعه ساخت لیزر های پر توان برای پراکندگی تامسون و مشکل آخر بوسیله یک منبع جدید تولید پلاسما.
تا آن زمان اغلب منبع های تولید پلاسما بر اساس به دام اندازی مغناطیسی پلاسمای داغ طراحی شده بود. پلاسمای تولید شده در این ابزارها از پایداری لازم برای مطالعات بنیادی برخوردار نبود.
ساخت این ابزارها بسیار پرهزینه و پلاسمای تولیدی بیشتر به صورت پالسی بود تا پایدار و نیز به دلیل وجود الکترون های پر انرژی استفاده از پرو بهای فلزی غیر ممکن بود.
نیاز به یک پلاسمای با دمای پایین و حالت پایدار با یونیزاسیون بسیار بالا و قابلیت دسترسی آسان، ذهن فیزیکدانان پلاسما را به خود مشغول کرده بود.
در سال 1956 Dreicer نظریه تولید پلاسمای تمام یونیزه از طریق برخورد جریانی از اتم های قلیایی بر سطح صفحه ای داغ از جنس تنگستن را مطرح نمود.
این ایده در آن زمان توسعه چندانی پیدا نکرد. اما در سال 1960 دو گروه مستقل یکی به رهبری Rynn و D’Angelo در دانشگاه پرینستون و دیگری به رهبری Knechtli و Wada در آزمایشگاه تحقیقاتی Hughes موفق به ساخت Q-Machine شدند.[1]
پیشوند Q از کلمه Quiescent که به معنای آرام وخاموش است توسط گروه پرینستون انتخاب شد،که دلیل آن تولید پلاسمای حرارتی آرام و فاقد ناپایداری های نوسانی بود.
پس از طراحی و ساخت Iowa Q-machine1 تحقیقات برای توسعه و رفع عیوب سیستم توسط گروه سازنده ادامه پیدا کرد و منجر به تولید دو نمونه دیگر از این سیستم شد.که اطلاعات موجود درباره طراحی آنها بسیار محدود است. اما آنچه از نوشته های موجود بر می آید آنست که آنها در آخرین نمونه موسوم به Iowa Q-machine3 که در سال 1998 ارائه کرده اند موارد زیر را انجام داده اند:
1- طراحی جدید سیستم ریختن dust به سیستم.
2- قابلیت تبدیل شدن به سیستمی با دو صفحه داغ.
3- مگنت با هسته خنک شونده که اطمینان خوبی برای کار با سیستم به ما می دهد.
4- سیستم خلاء پنوماتیک.
5- یک پروب با قابلیت حرکت برای اندازه گیری های محوری.
اکنون شرح جامعی از نحوه تولید پلاسما به این روش بیان می شود.
2-2 توصیف کلی Q-Machine
یونها در دستگاه Q-Machine به وسیله تماس یون ساز یا به عبارتی جدا شدن یک الکترون از هر اتم در برخورد با صفحه فلزی بسیار داغ تولید می شوند.
این فرایند در سال 1925 توسط Langmuir وKingdon کشف شد. آنها متوجه شدند که ضریب یونیزاسیون در این فرایند تقریبا 100% است. این اتفاق زمانی رخ می دهد که تابع کار صفحه فلزی از پتانسیل یونیزاسیون اتم بیشتر باشد.
از جدول تناوبی عناصر می توان این نکته را دریافت که فلزات قلیایی کمترین پتانسیل یونیزاسیون و بیشترین ضریب یو نیزه شدن را دارند. البته اتم های قلیایی در دمای اتاق یو نیزه نخواهند شد و جذب سطحی آنها توسط فلز باعث کاهش تابع کار فلز خواهد شد.
برای یک سطح فلزی تمیز، حرارتی در حدود C?900 مورد نیاز است تا یونیزاسیون شروع شود. اما میزان یو نیزه شدن اتم ها خیلی بالا نخواهد بود. برای تولید پلاسما، باید دما را تا حدود C?2000 بالا ببریم. در این دما سطح فلزی، الکترون های ناشی از گسیل گرما یو نی آزاد می کند.
صفحه فلزی می تواند از جنس تنگستن یا تانتالیوم باشد.
ساخت دستگاه Q-Machine تاثیر به سزایی در مطالعه مبدل های گرمایونی داشت. این وسیله می توانست ایده ی خوبی برای تولید مستقیم الکتریسیته از گرما باشد. این کار می تواند به وسیله یک زوج صفحه که در نزدیکی هم قرار دارند صورت گیرد. یکی از آنها باید داغ و دیگری سرد باشد.گسیل گرما یو نی از صفحه داغ به طرف صفحه سرد در صورتی که آنها به یک مدار خارجی متصل باشند، عامل ایجاد جریان می گردد.
اگر چه در Q-Machine اغلب از دو صفحه و بمباران آنها توسط اتم های قلیایی استفاده می شود، اما تفاوتهای زیادی بین این سیستم و مبدل گرما یونی وجود دارد.
دو گروهی که بر روی ساخت Q-Machine کار کردند دو نوع سیستم متفاوت طراحی کردند.
طراحی صورت گرفته توسط گروه پرینستون (شکل 2-1)، که بر روی مطالعه محصور سازی پلاسما متمرکز شده بودند، بر اساس برخورد باریکه ای از اتم ها بر سطح یک یا دو صفحه داغ، شکل گرفته بود.
شکل2-1 طرح اولیه ساخته شده توسط گرو پرینستون- [1]
این اختراع توسط W.Hooke پیشنهاد شد. در این سیستم با خنک سازی مناسب دیواره ها فشار بخار سدیم تا torr7-10 (T<0oC) کاهش می یابد.
چگالی یونها از cm-3109 تا cm-3 1012 است،که به یونیزاسیون 25% تا 99% منجر خواهد شد.
در این سیستم میانگین مسافت آزاد برای یون – اتم بیش از 1متر و حتی برای الکترون – اتم بیش از این می باشد. دمای الکترونها و یونها قابل مقایسه با هم است اما لزوما با دمای صفحه یکسان نخواهد بود.
شکل 2-2 طرح گروه پرینستون را نشان می دهد. در این طرح از مگنت هایی که بوسیله آب خنک می شوند برای تولید میدان مغناطیسی تا KG8 در قطر cm25 و طول m3/1 استفاده شده است.
شکل 2-2 نخستین Q-machine ساخته شده در پرینستون ] [1.
یک طرح ساده تر از Q-Machine در آزمایشگاه تحقیقاتی Hughes برای مطالعه باز ترکیب حجمی ساخته شد.
در این طرح به جای استفاده از بمباران صفحه داغ از یک مخزن فلز قلیایی و تبخیر آن استفاده شده است.
محفظه خلا شیشه ای، طول کوتاه ستون پلاسما و یک صفحه کوچک از جنس تانتالیوم که توسط بمباران الکترون ها، ناشی از فیلامانی که در انتهای ستون پلاسما قرار دارد، یک طرح ارزان قیمت را تشکیل می دادند.
حد اکثر میدان مغناطیسیkG 5/1و بوسیله یک سیم پیچ تولید می شود.
میدان مغناطیسی پاره ای در این سیستم فقط یونها را محصور می کند. که قاعدتا توسط یک میدان الکترواستا تیکی این محصورسازی به صورت شعاعی صورت خواهد گرفت.
این وسیله تنها می تواند تعداد محدودی از آزمایشات را پشتیبانی کند. اما می تواند در آزمایشگاه های دانشجویی وسیله مفیدی باشد.

شکل2-3 یک طرح ساده تر از Q-Machine در آزمایشگاه تحقیقاتی Hughes [1].
هر دو نوع Q-Machine مطرح شده می تواند هم به صورت یک صفحه ای و هم به صورت دو صفحه ای ساخته شوند.
در صورتی که از یک صفحه داغ استفاده شود، ستون پلاسما در طول یک میدان خطی تا صفحه سرد با سرعتی در حدود(و یا بیشتر از) سرعت گرمایی شارش می کند. زمان محصورسازی به اندازه فاصله زمانی بین صفحه های داغ و سرد است. در حالتی که از دو صفحه داغ استفاده می شود، یونها ممکن است بارها بین دو صفحه حرکت کنند و تا زمانی که از بین می روند مدت بیشتری به صورت یون وجود داشته باشند.
موفقیت نمونه های نخستین ساخته شده باعث شد آزمایشگاه های تحقیقاتی پلاسما به سرعت نمونه های دیگری از این دستگاه را، برای مطالعه محصورسازی پلاسما، طراحی و اجرا کنند.
مراکز متعددی نظیر دانشگاههای Stanford, Columbia در آمریکا و مرکز Novosibirsk در اتحاد جماهیر شوروی سابق نمونه های بعدی از این دستگاه را ساختند. همچنین Q-Machine برای مطالعه امواج و ناپایداری آنها در Ecole polytechnique در فرانسه طراحی و ساخته شد. برای مطالعه و تحقیق در زمینه فیزیک پلاسما Q-Machine ویژگی های خاصی دارد.
نخست آنکه امکان فراهم ساختن یک پلاسما با درجه یونیزاسیون بالا وجود دارد (بالاتر از 90%). دوم آنکه در غیاب یک زمینه چگال از اتم ها، امکان انجام آزمایشهای متنوعی با موضوع پخش پلاسما و امواج پلاسما بدون نگرانی از پیچیدگی های وجود ذرات باردار و برخورد با اتم ها فراهم می شود. دیگر آنکه حالت پایدار این دستگاه برای ما اجازه استفاده برخی تکنیک ها را فراهم می کند.
تعیین فاز امواج یون صوتی و یا سایر آشفتگی های القا شده در پلاسما می تواند نسبتsignal/noise را در یک آزمایش نشان دهد. در نهایت دمای پایین پلاسمای تولید شده و ظرفیت گرمایی پایین اتم های قلیایی به ما اجازه وارد کردن پروب و یا شبکه را درون پلاسما می دهد. با این ابزار ساده می توان اندازه گیری های اولیه از دمای پلاسما و چگالی آن، مرور جزئیات خواص حالت پایدار و ناپایدار، تحریک و شناسایی امواج، پایداری ها و نا پایداری ها را در ستون پلاسما انجام داد.
2-3 سهم Q-Machine در تحقیقات
مهمترین کارهایی که با توسعه Q-Machine انجام گرفت تحقیقات در زمینه همجوشی کنترل شده در پلاسمای محصور شده با فشار پایین(NKT<<B2) و همچنین مطالعه جزئیات امواج بود. شماری از گروه ها اهمیت تقارن در ستون پلاسما برای محدود سازی آن را به وضوح نشان دادند. برای چنین امری لازم است که سطوح هم پتانسیل پلاسما بوسیله صفحه داغ بسته شوند. یونها که در ستون پلاسما سوق پیدا می کنند به خوبی محصور می شوند. اهمیت این نکات در تحقیقات اولیه و قبل از ساخت Q-Machine روشن نشده بود. عدم تقارن در دمای صفحه داغ و یا ناپایداری های فرکانس پایین می تواند تقارن در پلاسما را از بین ببرد و یا حتی منجر به جریانهای همرفتی در پلاسما شود.
ناپایداری های سوقی که باعث از دست رفتن پلاسما می شود را می توان با جزئیات خوبی در این سیستم مطالعه نمود. از دیگر کاربرد های مهم Q-Machine مطالعه امواج یون-صوتی با فرکانس پایین و اندازه گیری سرعت جذب امواج صوتی در پلاسمای غیر برخوردی است.
تکنیک اخیر بر مبنای اندازه گیری تابع توزیع سرعت یونها در حالت پایدار و اختلالی استوار است. یکی دیگر از بخش هایی که با توسعه Q-Machineبه آن پرداخته شد، فیزیک سطح و بازترکیب حجمی بود. بازترکیب سطحی که از روابط Langmuir-Saha پیروی می کند برای یونها و گاز درحال تعادل بر روی صفحه داغ نشان داده شد. همچنین گستره محدودی از پارامتر ها که در آن تئوری تعادلی بر پلاسما حاکم است مورد بحث قرار گرفته است.
توسعه Q-Machine سهم بسزایی در بررسی و تحقیق پلاسمایی داشت که عموما تا قبل از 1960 فرمول بندی شده بود و همچنین افق های جدیدی برای کار روی پلاسما به روی دانشمندان گشود.

بخش دوم
تئوری اساسی
2-4 یونیزاسیون تماسی Contact Ionization
یونها در پلاسمای Q-Machine از یک تماس که منجر به تولید یون می شود، بوجود می آید. این کار از طریق جذب الکترون های لایه ظرفیت یک اتم توسط صفحه فلزی انجام می شود. احتمال وقوع این حالت به تابع کار صفحه و پتانسیل یونیزاسیون اتم بستگی دارد.
یونیزاسیون زمانی رخ می دهد که تابع کار صفحه بیش از پتانسیل یونیزاسیون اتم باشد در این حالت در اثر برخورد اتم ها با سطح، دمای آنها با دمای صفحه تقریبا یکسان خواهد شد. اگر فرض تعادل گرمایی میان صفحه و اتم ها را فرض قابل قبولی بدانیم آنگاه می توان از رابطه Langmuir-Saha نسبت یونها به اتم ها را به صورت زیر نوشت:
(1)
که gi و go وزن آماری یون و اتم است wوT تابع کار و دمای صفحه فلزی وE پتانسیل یونیزاسیون اتم است. نسبت برای اتم های قلیایی حدود 5/0 است. در نتیجه احتمال یونیزاسیون به صورت رابطه 2 خواهد بود:
(2)
پتانسیل یونیزاسیون برای اتم های قلیایی پایین است، به همین دلیل آنها یک منبع مناسب برای کار هستند به عنوان مثال احتمال یونیزاسیون سزیم بر تنگستن(k2000T= وev87/3=E و ev52/4= W ) بیش از 93% است.
از دیگر ترکیبات مناسب برای یونیزاسیون ترکیب سزیم بر تانتا لیوم، پتاسیم بر تنگستن و سدیم، استرانتیم ، باریم و یا لیتیم بر رنیم می با شد. رابطه ای که خیلی با رابطه یونیزاسیون نزدیک است رابطه احتمال بازترکیب است.P برای اتم های برخورد کننده با یک سطح عبارتست از:
(3)
نکته ای که در اینجا باید گفت آنست که ضریب بازتاب مستقیم یونها بسیار کوچک است. از رابطه 3 چنین نتیجه می شود که اتم ها یی که احتمال یونیزاسیون بالایی دارند از احتمال باز ترکیب کمی برخوردار هستند به عنوان مثال احتمال باز ترکیب سزیم بر تنگستن فقط 7% است. بقیه اتم ها احتمال باز ترکیب بالاتری نسبت به سزیم دارند، بنابراین سزیم یکی از مناسب ترین پیشنهاد ها برای تولید یون در این روش است.
رابطه Langmuir-Saha بر فرض تعادل ترمودینامیکی استوار است و نمی تواند یک رابطه عمومی باشد. اما برای اتم های قلیایی به خوبی و با ضریب بسیار بالایی تناسب دارد.Ionov همین فرض را برای اتم پتاسیم با اندازه گیری مستقیم انرژی یون های گسیل شده ثابت کرد. همچنین این رابطه توسط Taylor و Dutz برای برخورد سزیم و پتاسیم بر تنگستن مورد آزمایش قرار گرفت. سایر ترکیبات اتم و صفحه های فلزی مانند پتاسیم بر پلاتین انحراف از این تئوری را نشان می دهند.
شرح کاملی از آزمایشهایی که در آنها یونیزاسیون بوسیله برخورد صورت می گیرد توسط Kaminsky داده شده است. بسیاری ازنمونه هایی که نسبت به معادله Langmuir-Saha انحراف نشان داده اند را می توان در تابع کار ردیابی کرد. مقدار یکتایی تابع کار را می توان توسط یک سطح تمیز و همگن اندازه گیری کرد.
یک سطح که از جنسهای مختلفی تشکیل شده باشد، تابع کار متغیری خواهد داشت که می تواند ناشی از جذب گاز و یا جهت گیری های متفاوت کریستال ها باشد. در چنین سطوحی، یونیزاسیون در قسمتهایی که تابع کار زیادی دارند انجام می شود و بازترکیب یون ها با الکترون ها در قسمتهایی که تابع کار کمی دارند انجام می شود. اگر سطح تانتالیوم حاوی اکسیژن باشد در برخورد باریم با آن، شاهد رفتار های غیر عادی خواهیم بود.
2- 5 طبقه بندی پلاسمای Q-Machine
در بخش گذشته روند یونیزاسیون و بازترکیب در برخورد ذرات بر سطح در غیاب پلاسما مورد بررسی قرارگرفت هرچقدر میزان شار یونها و یا اتمهای برخورد کننده با صفحه داغ بیشتر باشد، پلاسمای بیشتری در خارج صفحه داغ تشکیل خواهد شد. پلاسما بطور شدیدی علاقمند است که خود را خنثی نگه دارد بنابراین جریان خالص درون یک پلاسما صفر خواهد بود. به جهت همین خاصیت خنثی بودن، پلاسما یک غلاف ما بین خود و هر آنچه که با آن در تماس است به وجود می آورد.(Plasma Sheath)
غلاف تولید شده می تواند نسبت به صفحه داغ پتانسیل مثبت یا منفی داشته باشد که به تعادل بارها بستگی دارد. بطور طبیعی جریان الکترونی درون و بیرون صفحه داغ بیشتر از جریان یونی خواهد بود بنابراین می توان روی پتانسیل پلاسما با استفاده از جریان الکترونی بحث کرد. اگر گسیل گرمایونی ناشی از صفحه بیشتر از جریان الکترونهای تصادفی بر سطح صفحه باشد غلاف دارای پتانسیل منفی خواهد بود و پلاسمایی با غلبه الکترونی خواهیم داشت.(Electron Rich ) اگر عکس این موضوع اتفاق بیفتد پتانسیل غلاف مثبت و در پلاسما غلبه با یونها خواهد بود. (Ion Rich ) پتانسیل پلاسمای Q-Machine به عوامل متعددی نظیر احتمال یونیزاسیون اتم ها، توزیع سرعت الکترون ها و یونها، شکل شعاعی پلاسما، شرایط مرزی برای ناپایداری ها و سایر عوامل تاثیرگذار بر پلاسما بستگی دارد.
نمودار تغییر پتانسیل در طول Q-Machine در شکل زیر آمده است.
شکل 2-4- [1]
در نزدیکی صفحه داغ شکل غلاف به اندازه کمی منحرف خواهد شد که در مقایسه با طول کل پلاسما قابل صرفنظر کردن است(کمتر ازmm1/0).
می توان افت پتانسیل بین صفحه و پلاسما را در غیاب هر جریان خالص، بوسیله معادل سازی گسیل از صفحه فلزی با جریان تصادفی الکترون ها از پلاسما بسوی صفحه فلزی محاسبه کرد.
(4 )
AR ثابت ریچاردسون(ok-2 cm-2 A120) ، V اختلاف پتانسیل بین صفحه و پلاسما و سرعت میانگین الکترون ها است.
(5)
در صورتی رابطه فوق برقرار است که تابع توزیع الکترون ها ماکسولی باشد. رابطه 4 برای هر دو نوع پلاسمای Electron Rich و Ion Rich برقرار است. در این تحلیل فرض بر آنست که جریان یونی در مقایسه با جریان الکترونی قابل چشم پوشی باشد. و هنگامی که پلاسما شدیدا دارای پتانسیل مثبت باشد برقرار نخواهد بود، و این در صورتی رخ می دهدکه:

اگر بار خالص در پلاسما ی Q-Machine مستقیما به شار یونی از صفحه یونساز بستگی دارد.
یکی از نتایج مهم معادله 4 آنست که میدان الکتریکی شعاعی و یا سمتی بوسیله گرادیان چگالی و گرادیان دما بر سطح صفحه داغ ایجاد می شود.
(6)
یک میدان الکتریکی شعاعی خالص می تواند باعث چرخش پلاسما شود. میدان الکتریکی سمتی می تواند باعث خروج پلاسما از ناحیه محصور شده در آن شود.
احتمال یونیزاسیون اتم ها در برخورد با سطح در تماس با یک پلاسمای منفی در رابطه 2 داده شده است. بلافاصله بعد از تشکیل پلاسما، بوسیله یک میدان الکتریکی، یون ها به سوی پلاسما جاروب خواهند شد. اگر دمای صفحه کاهش پیدا کند ویا چگالی پلاسما افزایش یافته و بیشتر از چگالی بحرانی nc شود،آنگاه جریان الکترون های تصادفی از پلاسما بر سطح صفحه داغ بیش از گسیل ریچاردسون خواهد شد. در این حالت پتانسیل پلاسما مثبت و احتمال یونیزاسیون با بازتاب یون ها در مرز پتانسیل جلوی صفحه کاهش خواهد یافت.
(7)
چگالی بحرانی فقط به تابع کار و دمای صفحه بستگی دارد جدول 2-1 تعدادی از بازتابنده های فلزی مناسب را معرفی می کند.
جدول 2-1 تعدادی از بازتابنده های فلزی مناسب برای استفاده در Q-Machine – [1]
هنگامی که دانسیته در Q-Machine بیشتر از دانسیته بحرانی شود،کار کردن با Q-Machine بعنوان یک منبع کلی تولید پلاسما مشکل خواهد شد. در این شرایط درصد یونیزاسیون افت خواهد کرد و شکل شعاعی پلاسما تمایل به تخت شدن خواهد داشت. در این رژیم آزمایشهای خوبی از بازترکیب گزارش شده است.
می توان تاثیر یک غلاف مثبت بر تابع کار صفحه فلزی را مورد بررسی قرار داد. همچنین کاهش تابع کار تنگستن ازV5/4 بهV 7/1 به دلیل تشکیل لایه ای از اتم سزیم بر سطح فلز رخ می دهد. در شرایط کار با Q-Machine تنها هنگامی تابع کار صفحه فلزی تغییر خواهد کرد و لایه ای از اتم ها بر سطح آن تشکیل خواهد شد که دمای آن کمتر از oc1100باشد. هنگامی که ترکیب مؤثری بین اتم و فلز صورت نگیرد، باریم بر سطح تنگستن و یا تانتالیوم، لزوما باید شار اتم ها افزایش یابد و همین امر موجب تشکیل لایه ای از اتم ها بر سطح فلز خواهد شد.
شکل 2-5 منحنی تابع کار و گسیل تنگستن را، هنگامی که با بخار سدیم در تعادل است، نشان می دهد.
شکل2- 5 منحنی تابع کار و گسیل تنگستن را، هنگامی که با بخار سدیم در تعادل است[1]
جدول 2-2 تعدادی از پارامترهای یک Q-Machine استاندارد را نشان می دهد.
جدول 2–2 [1]


دیدگاهتان را بنویسید