دانشگاه آزاد اسلامي
واحد تهران مرکزي
دانشکده علوم پايه -گروه فيزيک
پايان نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد (M.Sc )
گرايش :
هسته اي
عنوان :
بهينه سازي توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر در سامانه پلاسماي کانوني
استاد راهنما :
دکتر ايوب بنوشي
استاد مشاور :
دکتر مرتضي حبيبي
پژوهشگر :
مريم ساعد
زمستان 1392
تقديم به :پدر بزرگوار و مادر مهربانم
آن دو فرشته اي که از خواسته هايشان گذشتند، سختي ها را به جان خريدند و خود را سپر بلاي مشکلات و ناملايمات کردند تا من به جايگاهي که اکنون در آن ايستاده ام برسم .
تشکر و قدراني:
قبل از هر نکته و هر سخني بر خودلازم ميدانم که از استاد گرانقدرم جناب آقاي دکتر وحدت روشن که از منش علمي و اخلاقي ايشان درس هاي بسيار آموخته ام وشاگردي ايشان در طول اين دوره تحصيلات دانشگاهي،براي اين حقير همواره مايه ي افتخار و مباهات خواهد بود، نهايت سپاس و امتنان را داشته باشم.
همچنين از جناب آقاي دکتر بنوشي و جناب آقاي دکتر حبيبي که مرا به عنوان دانشجوي خود پذيرفتند و از راهنمايي هاي آنها نهايت استفاده را بردم صميمانه تشکر وتقدير مي کنم.
تعهد نامه اصالت پايان نامه کارشناسي ارشد
اينجانب مريم ساعد دانش آموخته مقطع کارشناسي ارشد ناپيوسته به شماره دانشجويي در رشته فيزيک هسته اي که در تاريخ 22/10/92
از پايان نامه خود تحت عنوان : بهينه سازي توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر در سامانه پلاسماي کانوني
با کسب نمره 19 و درجه عالي دفاع نموده ام بدينوسيله متعهد مي شوم:
اين پايان نامه حاصل تحقيق و پژوهش انجام شده توسط اينجانب بوده و در مواردي که از دستاوردهاي علمي و پژوهشي ديگران (اعم از پايان نامه ،کتاب ،مقاله و…) استفاده نموده ام ، مطابق ضوابط و رويه هاي موجود ، نام منبع مورد استفاده و ساير مشخصات آن را در فهرست ذکر و درج کرده ام.
اين پايان نامه قبلاً براي دريافت هيچ مدرک تحصيلي (هم سطح ،پايين تر يا بالاتر )در ساير دانشگاهها و موسسات آموزش عالي ارائه نشده است.
چنانچه بعد از فراغت ازتحصيل ، قصد استفاده و هر گونه بهره برداري اعم از چاپ کتاب،
ثبت اختراع و …. از اين پايان نامه داشته باشم ، از حوزه معاونت پژوهشي واحد مجوزهاي مربوطه را اخذ نمايم.
چنانچه در هر مقطع زماني خلاف موارد فوق ثابت شود ، عواقب ناشي از آن را بپذيرم و واحد دانشگاهي مجاز است با اينجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصيلي ام هيچگونه ادعايي نخواهم داشت.
نام و نام خانوادگي : مريم ساعد
تاريخ و امضاء
بسمه تعالي
در تاريخ :22/10/92
دانشجوي کارشناسي ارشد خانم مريم ساعد از پايان نامه خود دفاع نموده و با نمره 19 بحروف نوزده تمام و با درجه عالي
مورد تصويب قرار گرفت .
امضاء استاد راهنما :
بسمه تعالي
دانشكده ي علوم پايه دانشگاه آزاد اسلامي
(اين چكيده به منظور چاپ در پژوهش‌نامه دانشگاه تهيه شده است”
نام واحد دانشگاهي: تهران مركزي کد واحد: 101كد شناسايي پايان‌نامه: 101130218912006 عنوان پايان‌نامه: بهينه سازي توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر در سامانه پلاسماي کانونينام و نام خانوادگي دانشجو: مريم ساعد
شماره دانشجوئي: 89093530800
رشته تحصيلي: فيزيک هسته ايتاريخ شروع پايان‌نامه: نيمسال اول سال تحصيلي 92-91
تاريخ اتمام پايان‌نامه: نيمسال اول سال تحصيلي 93-92استاد راهنما: دکتر ايوب بنوشي
استاد مشاور: دکتر مرتضي حبيبيآدرس و شماره تلفن : تهران-اشرفي اصفهاني- نرسيده به تيراژه-کوچه بيدکي-پلاک19 09369322615چکيده پايان نامه (شامل خلاصه، اهداف، روش هاي اجرا و نتايج به دست آمده):
بررسي و مطالعه شرايط بهينه توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر با استفاده از دستگاه پلاسماي کانوني موضوع مورد تحقيق پروژه حاضر است. راديوايزوتوپ‌هاي کوتاه عمر که درپزشکي کاربرد دارند شامل:18F (110 دقيقه)؛ 13N (10دقيقه)؛ 15O (5/2 دقيقه)؛ 11C (20دقيقه) هستند. تکنيک تصويربرداري گسيل پوزيتروني با استفاده از اين راديوايزوتوپ ها مزاياي گسترده اي نسبت به ساير روش ها دارد. برخي از کاربردهاي آن عبارتند از : آشکارسازي بافت هاي سرطاني ، تعيين گسترش آن در بدن ، بررسي موثر بودن عمل درمان، تعيين بازگشت مجدد سرطان پس از عمل، تعيين اثرات حمله قلبي. استفاده از سيکلوترون تصويربرداري گسيل پوزيتروني را به روشي گرانقيمت تبديل کرده است. بنابراين لازم است ساير روش ها مورد بررسي قرار گرفته تا هزينه ها را کاهش داده و امکان استفاده از آن را براي همه فراهم کرد. به همين منظور دستگاه پلاسماي کانوني به دلايل گفته شده مورد توجه جدي قرار گرفته است. اهداف مورد بررسي در اين تحقيق شامل: 1) آشنايي با دستگاه پلاسماي کانوني و مطالعه فازهاي مختلف آن. 2) بررسي مکانيسم هاي شتاب و مطالعه طيف دوترون هاي پر انرژي شامل روش هاي اندازه گيري طيف هاي دوترون 3) بررسي توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر در دستگاه پلاسماي کانوني. 4) شرايط بهينه سازي شامل: محاسبه اکتيويته طيف هاي آزمايشگاهي، رابطه بين توان تابع نمايي و اکتيويته و همچنين براي بهينه سازيِ توليد راديوايزوتوپ ها مي توان در مد تکرار کارکرده و يا انرژي دستگاه را بالا برد و يا شرايط ديگر را بررسي کرد. مناسب است
نظر استاد راهنما براي چاپ در پژوهش‌نامه دانشگاه تاريخ و امضاء:
مناسب نيست
عنوانشماره صفحه
چکيده1
1- آشنايي با دستگاه پلاسماي کانوني و کاربردهاي آن2
1-1 ساختار کلي دستگاه پلاسماي کانوني4
1-1-1 ديناميک پلاسماي کانوني6
الف)فازشکست7
ب)فاز شتاب گيري محوري8
ج)فاز شعاعي9
1-2 کاربردهاي پلاسماي کانوني13
2 سازوکارشتاب يون ها و مطالعه طيف دوترون هاي پرانرژي در دستگاه پلاسماي کانوني15
2-1 سازوکارشتاب يون ها16
2-1-1 فرآيند شتاب17
2-1-2 مدل هاي شتاب18
2-1-2-1 ناپايداري ها18
2-1-2-2 مقاومت غير عادي21
2-1-2-3 موج پلاسما22
2-1-2-4 موج شوک23
2-2 مطالعه طيف دوترون هاي پرانرژي24
2-2-1 روش هاي اندازه گيري دوترون هاي پر انرژي 24
2-2-1-1 طيف سنج مغناطيسي24
2-2-1-2 فعال سازي هسته اي31
2-2-1-3 تحليل گر سهمي تامسون37
2-2-1-4 زمان پرواز يون44
3- بررسي توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر در دستگاه پلاسماي کانوني46
3-1 فرآيند توليد راديوايزوتوپ در دستگاه پلاسماي کانوني47
3-1-1 روش دروني48
3-1-2 روش بيروني49
3-1-3 مقايسه روش دروني با روش بيروني49
3-2 راديوايزوتوپ هاي توليد شده در دستگاه پلاسماي کانوني50
3-3 فرايند توليد نيتروژن13 از طريق واکنش12C(d,n)13N 52
4- بهينه سازي توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر در دستگاه پلاسماي کانوني55
4-1 فرآيند محاسبه اکتيويته طيف دوترون56
4-1-1 نرخ واکنش56
4-1-2 محاسبه تعداد هسته هاي نيتروژن1360
4-1-3 محاسبه اکتيويته63
4-2 مقايسه اکتيويته آزمايشگاهي با اکتيويته محاسبه شده از طيف دوترون63
4-3 بررسي رابطه توان تابع نمايي(n) واکتيويته(A) 64
4-3-1 محاسبه اکتيويته طيف هاي آزمايشگاهي 64
4-3-2 رابطه تئوري بين اکتيويته(A) وتوان(n)71
4-4 بهينه سازي توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر در دستگاه پلاسماي کانوني78
4-4-1 عوامل موثر بر ميزان اکتيويته 78
4-4-1-1 نرخ تکرار78
4-4-1-2 انرژي دستگاه86
5- نتيجه گيري88
6-مراجع92
شکل(1-1):نمايي ساده از دستگاه پلاسماي کانوني نوع مدر(سمت چپ) و نوع فيليپوف(سمت راست)5
شکل(1-2): حرکت لايه جريان و فازهاي مختلف آن در پلاسماي کانوني نوع مدر6
شکل(1-3): واپاشي ستون پلاسما وگسيل پرتوهاي مختلف12
شکل(1-4): مراحل تشکيل پينچ پلاسما12
شکل(2-1): اغتشاش در ستون پلاسما به صورت شماتيک18
شکل(2-2): اختلال در پينچ19
شکل(2-3): ناپايداري سوسيسي(m=0)، سمت چپ؛ ناپايداري کينک(m=1)، سمت راست؛ 20
شکل(2-4): محفظه طيف سنج مغناطيسي به طور شماتيک26
شکل(2-5): ويژگي ردها در نواحي مختلف طيف روي آشکارساز CR-39 30
شکل(2-6): فعال سازي هسته اي به عنوان تابعي از عمق32
شکل(2-7): سيستم استخراج يوني در تحليل گر سهمي تامسون براي مطالعه باريکه هاي يوني در دستگاه پلاسماي کانوني41
شکل(2-8): تصويري از تحليل‌گر تامسون مورد استفاده در مطالعات پلاسماي کانوني42
شکل(2-9): مثالي از طيف نگار تامسون در فشارهاي مختلف43
شکل(2-10): طيف انرژي دوترون اندزه گيري شده با تحليل گر سهمي تامسون43
شکل(2-9): زمان پرواز به صورت شماتيک(دايره هاي سياه نشان دهنده ذرات سبکتر و دايره هاي تو خالي نشان دهنده ذرات سنگين)44
شکل(3-1): نمايي از فعال سازي گرافيت در دستگاه NX2 53
شکل(2-3): آشکارسازي گرافيت به صورت شماتيک54
شکل(4-1): توان توقف دوترون ها در گرافيت58
شکل(4-2): سطح مقطع واکنش 12C(d,n)13N گرفته شده از EXFOR 59
شکل(4-3): نرخ واکنش،thick target yield59
شکل(4-4): طيف دوترون62
شکل(4-5):اکتيويته محاسبه شده براي گزيده اي از طيف هاي دوترون در فشار4mbar 65
شکل(4-6):اکتيويته محاسبه شده براي گزيده اي از طيف هاي دوترون در فشار6mbar66
شکل(4-7):اکتيويته محاسبه شده براي گزيده اي از طيف هاي دوترون در فشار8mbar67
شکل(4-8): يک طيف دوترون با nهاي مختلف و اکتيويته متفاوت70
شکل(4-9): زاويه بين هدف و دوترون هاي خارج شده از پينچ72
شکل(4-10): اکتيويته بر حسب n76
شکل(4-11): رابطه n وA 77
شکل(4-12): نمودار اکتيويته بر حسب نرخ تکرار80
شکل(4-13): نمودار اکتيويته بر حسب زمان بمباران هدف81
شکل(4-14): نمودار اکتيويته بر حسب نرخ تکرار براي طيف شماره 1 مجموعه 4mbar82
شکل(4-15): اکتيويته بر حسب نرخ تکرار(فرکانس هاي بالا)83
جدول(2-1): پارامتر هاي واکنش هسته اي از هدفB4C 34
جدول(2-2): پارامترهاي مربوط به واکنش هسته اي هدفBN35
جدول(3-1): راديوايزوتوپ هاي قابل توليد در دستگاه پلاسماي کانوني51
جدول(4-1): مقادير n گزارش شده در مراجع مختلف61
جدول(4-2): گزيده اي از طيف هاي دوترون در فشار4mbar 68
جدول(4-3): گزيده اي از طيف هاي دوترون در فشار6mbar68
جدول(4-4): گزيده اي از طيف هاي دوترون در فشار8mbar68
جدول(4-5): انرژي ماکزيمم طيف ها با مقدار n متناسب با آن69
جدول(4-6): خصوصيات دستگاه هاي پلاسماي کانوني79
جدول(4-7): ويژگي پرتو دوتروني گسيل شده در دستگاه هاي پلاسماي کانوني متفاوت86
چکيده
بررسي و مطالعه شرايط بهينه توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر با استفاده از دستگاه پلاسماي کانوني موضوع مورد تحقيق پروژه حاضر است. راديوايزوتوپ‌هاي کوتاه عمر که درپزشکي کاربرد دارند شامل:18F (110 دقيقه)؛ 13N (10دقيقه)؛ 15O (5/2 دقيقه)؛ 11C (20دقيقه) هستند. تکنيک تصويربرداري گسيل پوزيتروني با استفاده از اين راديوايزوتوپ ها مزاياي گسترده اي نسبت به ساير روش ها دارد. برخي از کاربردهاي آن عبارتند از : آشکارسازي بافت هاي سرطاني ، تعيين گسترش آن در بدن ، بررسي موثر بودن عمل درمان، تعيين بازگشت مجدد سرطان پس از عمل، تعيين اثرات حمله قلبي. استفاده از سيکلوترون تصويربرداري گسيل پوزيتروني را به روشي گرانقيمت تبديل کرده است. بنابراين لازم است ساير روش ها مورد بررسي قرار گرفته تا هزينه ها را کاهش داده و امکان استفاده از آن را براي همه فراهم کرد. به همين منظور دستگاه پلاسماي کانوني به دلايل گفته شده مورد توجه جدي قرار گرفته است. اهداف مورد بررسي در اين تحقيق شامل: 1) آشنايي با دستگاه پلاسماي کانوني و مطالعه فازهاي مختلف آن. 2) بررسي مکانيسم هاي شتاب و مطالعه طيف دوترون هاي پر انرژي شامل روش هاي اندازه گيري طيف هاي دوترون 3) بررسي توليد راديوايزوتوپ هاي کوتاه عمر در دستگاه پلاسماي کانوني. 4) شرايط بهينه سازي شامل: محاسبه اکتيويته طيف هاي آزمايشگاهي، رابطه بين توان تابع نمايي و اکتيويته و همچنين براي بهينه سازيِ توليد راديوايزوتوپ ها مي توان در مد تکرار کارکرده و يا انرژي دستگاه را بالا برد و يا شرايط ديگر را بررسي کرد.
فصل اول
آشنايي با دستگاه پلاسماي کانوني و کاربردهاي آن
دستگاه پلاسماي كانوني يكي از پرکاربردترين دستگاه‌هايي است كه درتحقيقات گداخت هسته‌اي بكار مي رود. در سالهاي 1960 و 1965 ، به ترتيب فيليپوف و مدر نتايج تحقيقاتشان در خصوص پلاسماي كانوني را كه به طور مستقل از يكديگر انجام شده بود، منتشر كردند و به اين ترتيب دو ساختار مختلف پلاسماي كانوني تحت عنوان هاي فيليپوف1 و مدر2 مطرح شدند و از آن پس آزمايشگاه‌هاي فراواني در سرتا سر دنيا بنا نهاده شد[1,2]. بررسي آماري منابع منتشر شده در رابطه با پلاسماي كانوني در دهه هاي اخير نشان مي‌دهد كه بيشترين حجم تحقيقات در اين زمينه به ترتيب به كشورهاي آلمان، روسيه، آمريكا، آرژانتين، مالزي، هند و ايتاليا اختصاص يافته است.
دستگاه پلاسماي کانوني از دو بخش اساسي تشکيل شده است: عناصر اصلي وعناصر جانبي. عناصر اصلي شامل محفظه تخليه، سوئيچ اسپارك گپ و بانک هاي خازني مي‌باشد و عناصر جانبي شامل سيستم تغذيه الکتريکي، سيستم خلاء، سيستم تزريق گاز و دستگاه هاي داده‌پردازي و تشخيصي ‌مي‌باشند. در اين سيستم‌ها ستون پلاسما داراي ويژگي‌هايي از قبيل:1) بسيار داغ، به طوري که با مطالعات انجام شده بر روي گسيل اشعه ايکس نرم دماي الکترون ها در حدود چند keV تخمين زده شده است. در دستگاه‌‌هايي در محدوده انرژي چند کيلو ژول تا چند مگا ژول دماي الکترون در ستون پلاسما 0.4-1keV اندازه گيري شده است.2)بسيار چگال، ميانگين چگالي در دستگاه‌هاي بزرگ وکوچک در حدود 3×1018cm-3 مي‌باشد. چگالي خيلي بالا معمولا در يک فاصله زماني خيلي کوتاه بدست مي‌آيد. يک ويژگي خاص در دستگاه نوع فيليپوف محدوده چگالي کم است.3) طول عمر بسيار کوتاه ، پلاسماي کانوني نوع مدر معمولا در حدود 30-400 ns و در دستگاه فيليپوف طول عمري در حدود 100 ns دارد. 4) معمولا ابعاد ستون پلاسما 1-2 mmبراي قطر و 10-30 mm براي طول تخمين زده شده است[17].
1-1 ساختار کلي دستگاه پلاسماي کانوني
دستگاه پلاسماي كانوني مدل مدر و فيليپوف از نظر کارکرد تقريبا شبيه هم هستند ولي از نظر شكل هندسي با هم متفاوت هستند. عمده تفاوت بين مدلهاي فيليپوف و مدر در ابعاد الكترودهاست به طوري كه نسبت قطر به طول آند در نوع فيليپوف بزرگتر از 5 است ولي همين نسبت در نوع مدر در حدود 25/0 است. همچنين در نوع فيليپوف قطر آند در حدود 50 تا 200 سانتي متر است حال آنكه درنوع مدر، آند در حدود 2 الي 22 سانتيمتر قطر دارد.
در دستگاه پلاسماي کانوني( هر دو نوع فيليپوف و مدر) آند و کاتد بصورت هم محور قرار گرفته است که توسط يک عايق از يکديگر جدا شده‌‌اند. اساس کار يک دستگاه پلاسماي کانوني ساده است: انرژي الکتريکي ذخيره شده در يک بانک خازني به سرعت و بوسيله يک سوئيچ سريع به الکترودها منتقل مي‌شود (شکل1-1). با اعمال نيروي لورنتس، لايه پلاسماي حامل جريان شتاب مي‌گيرد و به انتهاي الکترودها مي‌رسد وسپس تحت نيروي لورنتس شعاعي به محور تقارن الکترودها مي‌رسد و نهايتا اين پلاسما در يك ناحيه كوچك بر روي آند متراكم مي‌شود که اين پديده را تنگش3 پلاسما مي‌نامند.
شکل (1-1): نمايي ساده از دستگاه پلاسماي کانوني : نوع فيليپوف (سمت راست) ؛ نوع مدر (سمت چپ)
در پلاسماي کانوني نوع مدر حرکت لايه جريان از سطح عايق تا محور تقارن دستگاه در دو مرحله جداگانه صورت ‌مي‌گيرد. در مرحله اول که حرکت محوري ناميده مي‌شود، لايه جريان فقط يک حرکت طولي در امتداد محور دستگاه خواهد داشت. با رسيدن لايه جريان به لبه آند، اين مرحله خاتمه يافته و مرحله دوم که تنگش شعاعي ناميده مي‌شود آغاز مي‌شود. در اين مرحله لايه جريان به صورت شعاعي به سمت محور تقارن دستگاه حرکت مي‌کند اما در نوع فيليپوف حرکت شعاعي به سمت محور تقارن از همان ابتدا و بعد از تشکيل لايه جريان در سطح عايق، شروع مي‌شود و حرکت لايه جريان در جهت هاي مختلف بصورت همزمان مي‌باشد.
در دستگاه پلاسماي کانوني الکترودها معمولاً از مس يا استيل ساخته مي‌شوند که بصورت هم محور قرار مي‌گيرند. کاتد به شکل يک محفظه(قفس سنجاب) است که شامل 8 تا 24 ميله مسي در اطراف آند قرار مي‌گيرد. عايق از جنس شيشه پيرکس، آلومينيوم و يا سراميک ساخته مي‌شود.
1-1-1 ديناميک پلاسماي کانوني
ديناميك پلاسماي كانوني را مي توان در سه مرحله كلي بيان كرد: فاز شكست الكتريكي، فاز شتاب‌گيري محوري لايه جريان پلاسما و فاز شعاعي لايه جريان. زمان لازم براي رخ دادن اين 3 فاز حدودا چند ميکرو ثانيه است. شکل(1-2) ، 3 فاز براي تشکيل تنگش را نشان مي‌دهد.
شکل(1-2): حرکت لايه جريان و فازهاي مختلف آن در پلاسماي کانوني مدر
در اينجا به توضيح بيشتر سه فاز تشكيل شده، جهت تشكيل پلاسماي چگال مي‌پردازيم:[4,7]
الف)فاز شکست4
فشار گاز كاري در دستگاه پلاسما كانوني، در حدود چند ميلي بار است كه معمولا مقدار بهينه آن با انجام آزمايش هاي متعدد به دست مي‌آيد. بسته به نوع آزمايش، گازهاي مختلفي به عنوان گاز كاري مورد استفاده قرار مي‌گيرد. براي نمونه اگر هدف توليد نوترون باشد بايد از گاز دوترويم استفاده نمود در حاليكه در مواردي كه هدف توليد پرتوهاي ايکس است مي‌توان از گازهاي نجيب مانند آرگون استفاده كرد.
در صورتي كه اختلاف پتانسيل بين الكترودها در يك لحظه اعمال شود، تخليه الكتريكي با تقارن محوري بين الكترودها اتفاق خواهد افتاد. اين حالت به فاز شكست الكتريكي معروف است و باعث توليد پلاسماي اوليه از طريق تخليه جريان مي‌شود. ايجاد تخليه الكتريكي و توليد پلاسماي اوليه در دستگاه پلاسما كانوني، به يك سري عوامل از قبيل شرايط گاز كاري(فشار ونوع گاز)، خصوصيات الكترودها و عايق و همچنين متغيرهاي فيزيكي خازن وابسته است [5,6]. چگونگي تشكيل لايه جريان را مي‌توان بدين ترتيب بيان كرد كه بعد از اعمال اختلاف پتانسيل بين الكترودها ، با تاخير زماني چند ده نانو ثانيه، مرحله شكست روي سطح عايق آغاز مي شود.[7,8] در اين مدت الكترون‌هايي كه در اثر فشار نشر ميداني از لبه ي فلزات و يونيزه شدن گاز كاري ايجاد مي‌شوند، در راستاي خطوط ميدان الكتريكي شتاب گرفته و به سمت سطح عايق ، الكترود داخلي يا الكترود خارجي (با توجه به قطبيت آن) حركت مي‌كنند. در پلاسماي كانوني معمولاً قطبيت الكترود داخلي مثبت است، در نتيجه الكترونها به سطح عايق مي‌چسبند و سطح عايق را باردار مي‌كنند. لايه جريان اوليه روي سطح عايق ايجاد شده و با حرکت لايه جريان در سطح عايق و رسيدن لايه ايجاد شده به انتهاي عايق، دو الكترود به هم متصل مي شوند. به علت وجود نيروي لورنتس، لايه ايجاد شده از سطح عايق جدا مي شود. پس از طي زمان 50 الي 500 نانو ثانيه، رسانش لايه به اندازه كافي زياد شده و در نتيجه تخليه الكتريكي به لايه ي پلاسمايي تبديل مي‌شود [9].
ب)فاز شتاب‌گيري محوري5
پس از اتمام فاز شكست، مرحله ي فاز رانش محوري آغاز مي شود. در اين مرحله، لايه جريان به وسيله‌ي نيروي لورنتس به سمت نوك آزاد الكترودها حركت مي‌كند. لايه ي جريان در انتهاي مرحله فاز شكست شكل مي‌گيرد و از طريق نيروي لورنتس به سمت انتهاي بالاي الكترود داخلي شتاب مي‌گيرد. بخش شعاعي نيروي لورنتس، لايه ي جريان را به سمت الكترود بيروني حركت مي‌دهد. با توجه به قوانين مغناطيس، ميدان مغناطيسي در نزديك آند (فاصله كمتر) قويتر است كه اين خود منجر به بيشتر شدن نيرو در نزديك آند مي‌شود. اين عامل سرعت لايه ي جريان را در نزديكي سطح الكترود مركزي افزايش مي‌دهد. در نتيجه شكل لايه‌ي جريان به صورت کماني در مي‌‌آيد. در اين فاز لايه‌ي جريان با سرعتي در حدود1.7-15 cm/µs)) به سمت بالاي الكترودها حركت مي‌كند[9]. در پايان اين فاز، يك طرف لايه‌ي جريان، نوك آزاد آند را جاروب مي‌كند و انتهاي ديگر لايه‌ي جريان بطور پيوسته در امتداد كاتدها حركت مي‌كند. بدين ترتيب قسمت بزرگي از پلاسما روي هم انباشته شده و در جهت محوري جاروب خواهد شد. در واقع تنها بخشي از پلاسما در انتهاي فاز رانش محوري، در تنگش نهايي تاثير خواهد داشت.
ج)فاز شعاعي6
در انتهاي فاز محوري، لايه‌ي جريان انتهاي الكترود دروني را جاروب كرده و با همان نيروي لورنتس رو به داخل، باعث تشكيل پلاسماي متراكم در مدت زمان 15 الي 200 نانو ثانيه بسته به مشخصات دستگاه پلاسماي كانوني خواهد شد . در واقع در فاز شعاعي، پلاسمايي با چگالي بالا ايجاد ‌مي‌شود[5].
در اين مرحله تغييرات سريع در اندوكتانس ، باعث توليد ميدان الكتريكي قوي در ستون پلاسما مي‌شود.
فرمول(1-1) رابطه بين جريان تخليه الکتريکي(I) ميدان الکتريکي(E) را نشان مي‌دهد.
(1-1) E=I dl/dt
که در آن I جريان تخليه وdl/dt تغييرات زماني اندوکتاس است.
فاز شعاعي شامل چهار مرحله است كه عبارتند از:
فاز تراكم7:
فاز شعاعي از فرو ريزش ناگهاني لايه جريان با تقارن شبه استوانه‌‌‌اي (به علت تاثير نيروي لورنتس) به سمت محور آند، آغاز مي‌شود. اين حركت انفجاري، وقتي شعاع پلاسما به مقدار حداقل و چگالي آن به حداکثر مقدار خود ( 1019cm-3) مي‌رسد پايان مي‌‌يابد. در اين مرحله دماي نهايي الکترون‌ها به 1 -2 keVمي‌رسد [5].
فاز آرام8:
با آغاز حركت ستون پلاسماي متراكم شده، اين فاز آغاز مي‌شود. دماي الكترونها تا حدود 700-600 الکترون ولت كاهش مي‌يابد. در حاليكه دماي يونها در حدود700 الکترون ولت برآورد شده است [6].
در اين حالت چگالي پلاسما نيز تا حدود 2×1018cm-3 کاهش خواهد يافت. در طول اين فاز، ستون پلاسما در هر دو جهت شعاعي و محوري گسترش مي‌يابد ، ميزان بسط يافتگي در راستاي شعاعي به علت وجود فشار مغناطيسي كُندتر است اما پلاسما در جهت محوري فواره وار بدون هيچگونه مانعي گسترش مي‌يابد. بنابراين جبهه ي موج در جهت محوري ايجاد مي‌شود.
فاز ناپايدار9:
از آنجا كه در اين فاز اتفاقاتي همچون توليد اشعه ي ايكس سخت و نرم، توليد يونها و و همچنين گسيل نوترونها و دوترونها در واكنش گداخت (D-D) به وقوع مي‌پيوندد، فاز ناپايدار به عنوان مهمترين مرحله ي فاز شعاعي به شمار مي‌رود. در اين مرحله ناپايداري‌هايي مانند ناپايداري سوسيسي و ناپايداري کينک در ستون پلاسما رشد مي‌كنند كه از هم گسيختگي ستون پلاسما را در پي دارند. در فصل دوم اين پروژه به بررسي اين ناپايداري ها پرداخته خواهد شد.
فاز واپاشي10:
آخرين مرحله از فاز شعاعي يا به عبارت ديگر آخرين مرحله از ديناميك پلاسماي كانوني فاز واپاشي است. اين فاز هنگام تنگش و زماني كه چگالي پلاسما به كمتر از 2×1017cm-3 رسيد، شروع مي‌شود. در طول فاز واپاشي، يك ابر پلاسماي نازك، داغ و بزرگ به علت از بين رفتن ستون پلاسما تشكيل مي‌شود. در اين مرحله مقدار زيادي پرتو ايكس نرم در اثر فرآيند تابش ترمزي، گسيل مي‌شود[8]. در اين فاز پالس نوتروني که در فاز قبل(فاز ناپايداري) آغاز شده بود به مقدار پيک خود مي رسد. [10] بنابر اين ستون پلاسما مي‌شکند و واپاشي مي‌کند. در اين فاز ميدان الکتريکي القا شده به وسيله مکانيسم‌هاي مختلف شتاب ، گسيل باريکه‌هاي پر انرژي يوني و الکتروني را افزايش مي‌دهد. درفصل 2 به توضيح مکانيسم هاي شتاب خواهيم پرداخت.
شکل (1-3) گسيل پرتو هاي مختلف را بعد از فروپاشي ستون پلاسما و شکل (1-4) مراحل مختلف تنگش پلاسما را نشان مي دهد.
شکل (1-3): واپاشي ستون پلاسما وگسيل پر تو هاي مختلف
شکل(1-4): مراحل تشکيل پينچ پلاسما[3]
1-2 کاربردهاي پلاسماي کانوني
امروزه دستگاه پلاسماي کانوني کاربردهاي متنوعي در علوم مختلف پيدا کرده است. از جمله اين کاربردها مي‌توان به کاربردهاي آموزشي، تحقيقاتي و صنعتي اشاره کرد.
پلاسماي کانوني مي تواند يک ابزار بسيار مفيد براي آموزش برخي موضوعات فيزيک شامل: ترموديناميک، فيزيک هسته‌اي، الکترومغناطيس و…باشد.
در زمينه‌هاي تحقيقاتي که اين ابزار نسبت به ديگر دستگاه‌هاي گداخت هسته‌اي ارزان تر است، مي‌توان بسياري از پديده‌هاي ديناميک پلاسما، ناپايداري وآشفتگي پلاسما را مورد ارزيابي وبررسي قرار داد.
دستگاه پلاسماي کانوني همچنين مي‌تواند کاربردهايي در صنعت داشته باشد. در اينجا به طور مختصر به چند مورداشاره مي‌کنيم.
* سيستم ايمني فرودگاه ها
روش NAA يا آناليز مواد توسط فعال‌ سازي نوترون يکي از بهترين روش ها براي تشخيص و کشف مواد غير قابل تشخيص با چشم و دستگاه‌هاي موجود در فرودگاه‌ها و خروجي‌هاي کشور مي‌باشد.[11]
* بررسي گودال‌هاي زيرزميني با استفاده از نوترون‌هاي پالسي
با استفاده از ويژگي هاي خوب نوترون‌هاي پالسي توليد شده در اين سيستم و استفاده از پراکندگي نوترون‌ها مي‌توان به وجود ساختارهاي زيرزميني و عناصر موجود در آن پي برد.[11]
*کاربرد در علم مواد
کاشت يون ؛ اصلاحات سطح مواد (از طريق بمباران ذرات باردار) ؛ بررسي فعل و انفعالات پرتوها روي ديواره محفظه پلاسما (بررسي يک نوع خاص از ماده بعنوان هدف در دستگاه پلاسماي کانوني و اثرات آن در برخورد پرتوهاي موجود در(PF ؛ آناليز طلا توسط فعال سازي نوترون ؛ آناليز زغال سنگ توسط فعال سازي نوترون[11]
* ليتو‌گرافي با استفاده از پرتو‌هاي الکترون
پلاسماي کانوني يک چشمه قوي از پرتو‌هاي الکترون مي‌باشد که براي ليتوگرافي ازاين پرتو‌ها استفاده مي‌شود.[11]
* توليد راديوايزوتوپ‌هاي مورد استفاده در عکسبرداري تشخيصي
PET يکي از چندين روش تشخيصي در پزشکي هسته‌اي مي‌باشد. راديوايزوتوپ‌هاي لازم PET مي‌تواند به کمک دستگاه پلاسماي کانوني توليد شود که اين روش بسيار قابل دسترس و ارزان نسبت به شتاب‌دهنده‌ها مي‌باشد. در داخل محفظه‌ي پلاسماي کانوني، يون‌هاي سريع مورد نياز براي توليد راديوايزوتوپ‌ها به وجود آمده و باعث توليد اين ايزوتوپ‌ها در مدت چند ده نانو ثانيه مي‌شود.
در اين پروژه به اين کاربرد به طور مفصل پرداخته مي‌شود.
فصل دوم
ساز وکار شتاب يون ها و
مطالعه طيف دوترون هاي پرانرژي در
دستگاه پلاسماي کانوني
پرتوهاي پر انرژي يوني کاربردهاي بسياري در پزشکي، مواد وکاربردهاي ديگر دارند. يون ها در شتاب‌دهنده‌هاي ذرات باردار، شتاب‌دهنده‌هاي ليزري، سيستم‌هاي پالسي پلاسما و… شتاب داده مي‌شوند.
يکي از مناسبترين شتاب‌دهنده‌ها که مي‌تواند جايگزين مناسبي براي شتاب‌دهنده سيکلوترون و شتاب‌دهنده ليزري باشد دستگاه پلاسماي کانوني است.
پلاسماي کانوني يک دستگاه پلاسماي پالسي است که يون‌ها تا انرژي‌هاي خيلي بالا شتاب داده مي‌شوند.
در اين فصل به فرآيند شتاب يون‌ها در دستگاه پلاسماي کانوني پرداخته و روش‌هاي اندازه‌گيري يون‌هاي پر انرژي بررسي مي‌شود.
2-1 ساز و کار شتاب يون‌ها
ولتاژ بانک خازني براي يک دستگاه پلاسماي کانوني معمولا 10-30kV است. اما نتايج حاصل از آزمايشات بسياري نشان مي‌دهد که باريکه‌هاي دوتروني گسيل شده از ستون پلاسما (تنگش) يک محدوده وسيعي( تا چند MeV) از انرژي‌ها را شامل مي‌شود. شتاب يون‌ها براي اين چنين انرژي‌هايي (چند برابر ولتاژ شارژ) يکي از جنبه‌هاي غيره منتظره اين دستگاه پلاسماي کوچک است. شتاب ذرات در دستگاه پلاسماي کانوني به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. چندين مدل براي شتاب يون‌ها در نظر گرفته شده است شامل: ناپايداري‌ها، تاثير مقاومت غيرعادي، موج پلاسما و موج شوک مي‌باشد. هر چند مکانيسم شتاب يون‌ها تا کنون به درستي شناخته نشده است.
در اين قسمت مختصري در رابطه با ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي که نقش مهمي در شتاب يون‌ها دارند توضيح داده مي‌شود سپس به بررسي فرآيند شتاب و توصيف مدل‌هاي شتاب پرداخته مي‌شود.
2-1-1 فرآيند شتاب
تراکم سريع شعاعي پلاسما با سرعت 2×?10?^5 m?s در حضور ميدان‌هاي مغناطيسي از مرتبه مگا گاوس(MG)، ميدان‌هاي الکتريکي قوي در راستاي محور از مرتبه 100 kV/cm ايجاد مي‌کند. ميدان هاي مغناطيسي در پلاسما هنگامي که جريان 1MA است معمولا در حد1MG مي‌باشد. از طرف ديگر ميدان در نقاط داغ11، 100MG مشخص شده است. اين ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي قوي نقش مهمي در شتاب يون‌ها ايفا مي‌کنند [17].
زماني که ميدان مغناطيسي سمتي (B_?)به سرعت در راستاي محور نفوذ مي‌کند، تغييرات شديدي در اندوکتانس پلاسما ايجاد مي‌شود که منجر به توليد يک ميدان الکتريکي محوري) E_z??dB?_?/dt ( مي‌شود و يون ها تحت تاثير اين ميدان الکتريکي القايي شتاب مي‌گيرند.
2-1-2 مدل‌ هاي شتاب
2-1-2-1 ناپايداري ها
افزايش دماي ستون پلاسما باعث افزايش انرژي جنبشي ذرات باردار مي‌شود. اما در عين حال ممکن است در ميدان هاي الکتريکي و مغناطيسي نوسانات القا کند. رشد يک اغتشاش در تنگش باعث افزايش نفوذ ميدان مغناطيسي در داخل ستون پلاسما مي‌شود. اگر جابه‌جايي پلاسما‌ي دور شده از تعادل ايستايي را ?n در نظر بگيريم براي اغتشاش مي‌نويسيم :
(2-1) ?n(r,?,z)=?n(r) e^im? e^(-ikz)
به طوري کهm عدد مد سمتي است و مقدارهاي آن عدد صحيح (m=0,1,…) است و k عدد موج محوري مي‌باشد (شکل 2-1).

شکل(2-1): اغتشاش در ستون پلاسما به صورت شماتيک
چون فشار مغناطيسي در ناحيه‌اي که اختلال ايجاد شده تا حدودي بالاتر از پلاسماي اطراف آن است، ناحيه مختل شده در جهت شعاعي متراکم شده و در جهت محوري منبسط مي‌شود. شکل (2-2) اختلال در پينچ را نشان مي‌دهد.
شکل(2-2): اختلال در پينچ[16]
الف) مدm=0
حالت m=0 به ناپايداري سوسيسي12 شناخته مي‌شود (شکل2-3). ناپايداري سوسيسي از انقباضات متناوب پلاسما ناشي مي‌شود. اين حالت تغييرات هارمونيک شعاع پينچ را نشان مي‌دهد. رشد اين ناپايداري به علت اغتشاش شعاعي متقارن در نقاط خاص است. در اين نقاط مساحت سطح مقطع کاهش يافته در نتيجه قدرت ميدان مغناطيسي سمتي در اين سطح پلاسما افزايش پيدا مي‌کند. پس فشار مغناطيسي نيز افزايش پيدا مي‌کند و باعث مي‌شود انقباض در اين نقاط در مقايسه با نقاط ديگر سريع‌تر صورت گيرد. تغييرات سريع ميدان مغناطيسي باعث القاء يک ميدان الکتريکي طولي مي‌شود که يون‌ها را با سرعت بالاتري شتاب مي‌دهد.
ب ) مد m=1
حالتm=1 به ناپايداري کينک13 شناخته مي‌شود. حالت m=1 حالت مارپيچي ستون پلاسما است. همان طور که در شکل (2-3) مشخص شده است، در اين نمونه محور پلاسما دچار اغتشاش مي‌شود. خطوط ميدان مغناطيسي در قسمت دروني خميدگي نزديکتر مي‌شوند که اين امر منجر مي‌شود که فشار مغناطيسي در لبه دروني نسبت به لبه داخلي بيشتر شود و در نتيجه، اختلاف فشار مغناطيسي حاصله موجب خميدگي بيشتر ستون پلاسما مي‌شود.
شکل(2-3): ناپايداري سوسيسي(m=0) ،سمت چپ؛ ناپايدارري کينک(m=1) سمت راست؛
2-1-2-2 مقاومت غيرعادي14
با افزايش جريان الکتريکي مقاومت (مقاومت غير عادي ) افزايش مي‌يابد. مقاومت غيرعادي منجر به نفوذ جريان و ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي در پلاسما مي‌شود. اگر مقاومت به اندازه کافي بزرگ باشد ميدان الکتريکي خارجي مي‌تواند در پلاسما به سرعت نفوذ کند. در مقاومت بالا نفوذ جريان و ميدان ها بسيار سريعتر از حرکت شعاعي پلاسما است. برطبق قانون اسپيتزر15 مقاومت پلاسما در صورت افزايش دماي پلاسما کاهش مي‌يابد در صورتي که در اينجا زماني که فرکانس الکترون-سيکلوترون16 بزرگتر از فرکانس برخورد يون- الکترون17 مي‌شود، مقاومت پلاسما تا حد زيادي افزايش پيدا مي کند و جريان تخليه مي تواند به سرعت به سمت محور انتشار پيدا کند. چنين انتقال سريع براي يک توزيع جريان محدود يک فرضيه کليدي براي شتاب دوترون ها در انرژي‌هاي بالا است.[16]
زمان مشخصه نفوذ ميدان (زمان پينچ) براي يک پلاسما به شعاع L به شکل رابطه (2-2) مي باشد. [18,16]
(2-2) ?=(4?L^2)/(?C^2 )
از آنجائيکه زمان تنگش در دستگاه پلاسماي کانونيNX2 در حدود 70 ns است، يک مقاومت ناهنجار بزرگ، ?، تخمين زده شده است که برابر است با: ?=2×?10?^(-15). بنابراين نفوذ ميدان سريعتر از حرکت شعاعي لايه پلاسما در فاز تنگش مي‌باشد.[16]
تغييرات سرعت براي هر يون در طول شتاب در تنگش:
(2-3) ?v=qE/m ?t
و با توجه به معادله ماکسول:
(2-4) E?1/C^2 ?I/?t
با جايگذاري معادله (2-4) در معادله (2-3) خواهيم داشت:
(2-5)?v?q/(mc^2 ) ?I



قیمت: تومان


پاسخ دهید