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.

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.

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.