دانلود پایان نامه - تحقیق - پروژه

 دکتر جعفر محمودی

تابستان ۱۳۸۷

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

چکیده

یکی از مشکلات اساسی در بررسی های تجربی فیزیک پلاسما ، تولید پلاسمایی است که عاری از آشفتگی باشد و بتوان پارامتر های گوناگون از جمله پایداری، حرکت غبار در پلاسماو. را به خوبی بررسی نمود. در این راستا پروژه ای با عنوان “طراحی و ساخت دستگاه عمودیQ-Machine  برای انجام تحقیقات در زمینه پلاسمای غباری” در دانشگاه قم تعرف گردید.

طراحی و ساخت Q-Machine را می توان شامل مراحل زیر دانست:

• طراحی و ساخت محفضه خلاء شامل:

الف) محفظه اصلی:که از جنس استینلس استیل است و دارای سه قسمت (تحتانی ،میانی و فوقانی)

است.کمترین فشاری که سیستم میتواند به آن برسد  torr ^6-10 تا  torr ^8-10 است.

ب)   اتصالات:کلیه اتصالات از نوع CF هستند.

ج)    پنجره ها: پنجره ها از فلنچ های CF بااتصال مستقیم شیشه به فلز می باشند.

• طراحی و ساخت سیستم مولد میدان مغناطیسی شامل:

الف)  سیم پیچ

ب)  قرقره نگه دارنده سیم پیچ که شامل طراحی خاص برای سیستم خنک کننده باشد.

ج) سیستم خنک کننده برای خنک کردن آب خروجی از مگنت ها

پلاسمای تولید شده باید بوسیله یک میدان مغناطیسی T5/0 در طول قسمت میانی محفظه

خلاء(که استوانه ای به طولcm190 است) محدود شود

• طراحی و ساخت کوره فلزات قلیایی که بهتر است این کوره درون محفظه خلاء قرار گیرد.
• نصب صفحه داغ

یک صفحه از جنس تنگستن با دمای ^OK2000 تا ^OK3000 که این حرارت بوسیله بمباران الکترونی ، تابش ، القای الکتریکی و یا اتلاف اهمی می تواند ایجاد شود.در اینجا از روش تابش استفاده شده است.

• منبع تغذیه

برای تغذیه ی مگنت ها به منبع تغذیه kw150 با توان تامین ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ آمپر نیاز است.

• سیستم پخش غبار درون سیستم.

داشتن امکان ورود و پخش غبار درون سیستم برای آزمایش های پلاسمای غباری مورد نیاز است. که ما از سیستم پیزو الکتریک برای این کار استفاده کرده ایم.

• نصب و راه اندازی ابزارهای تشخیصی پلاسما

هر یک از بخش های فوق شامل مراحل و بخش های مختلفی است که برخی از آنها انجام شده و برخی دیگر نیز به دلایلی از جمله عدم تامین منابع مالی انجام نشده است. پایان نامه موجود در برگیرنده موارد ۱ و ۲ می باشد. برخی از بخش های دیگر در پایان نامه جناب آقای مهران محمدی آمده است.

فصل اول

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:

۱-طراحی و ساخت محفظه خلاء با قابلیت رسیدن به خلا torr^7–10 و همچنین دمای حدود ۳۰۰ در جه سلسیوس.

۲- طراحی و ساخت سیستم مولد میدان مغناطیسی و منبع تغذیه آن.

۳- طراحی و ساخت کوره فلزات قلیایی.

مطالعات اولیه به منظور ساخت این سیستم از ابتدای تابستان ۱۳۸۵آعاز شد و پس از حدود ۴ 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:

۱-عدم تامین به موقع منابع مالی.

۲-  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.

۳- 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

فصل  دوم

اختراع Q-Machine  و تئوری اساسی آن

بخش اول

اختراع Q-Machine

۲-۱ مقدمه

در اواخر سال ۱۹۵۰ توسعه فعالیتهای تحقیقاتی  در زمینه پلاسمای تمام یو نیزه بوسیله سه عامل محدود شده بود:

۱- عدم اطلاعات کافی در باره حالتهای پلاسما

۲- عدم توسعه روش های تشخیصی

۳- 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 ۱۹۵۶ 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 ۱۹۶۰ 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.[۱]

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 ۱۹۹۸ ارائه کرده اند موارد زیر را انجام داده اند:

۱- طراحی جدید سیستم ریختن dust به سیستم.

۲- قابلیت تبدیل شدن به سیستمی با دو صفحه داغ.

۳- مگنت با هسته خنک شونده که اطمینان خوبی برای کار با سیستم به ما می دهد.

۴- سیستم خلاء پنوماتیک.

۵- یک پروب با قابلیت حرکت برای اندازه گیری های محوری.

اکنون شرح جامعی از نحوه تولید پلاسما به این روش بیان می شود.

۲-۲ 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 ۱۹۲۵ توسط  Langmuir وKingdon  کشف شد. آنها متوجه شدند که ضریب یونیزاسیون در این فرایند تقریبا ۱۰۰% 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^◦۹۰۰ 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^◦۲۰۰۰ 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 ۲-۱)، 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.

شکل۲-۱  طرح اولیه ساخته شده توسط گرو پرینستون-  [۱]

این اختراع توسط W.Hooke  پیشنهاد شد. در این سیستم با خنک سازی مناسب دیواره ها فشار  بخار سدیم تا torr^7–10 (T<0^oC) کاهش می یابد.

چگالی یونها از cm^-310⁹ تا cm^-3 10¹² است،که به یونیزاسیون ۲۵% تا ۹۹%  منجر خواهد شد.

در این سیستم میانگین مسافت آزاد برای یون – اتم بیش از ۱متر 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.