:

اگر چه نمی توان منکر استفاده از انرژی های تجدید ناپذیر از قبیل انرژی باد، خورشید و … شد، اما نمی توان غول صنعت را فقط با انرژی های تجدید ناپذیر سیر کرد. بعلاوه منابع اولیه انرژی های شناخته شده در روی کره زمین فقط برای پانصد سال کفایت خواهد کرد و وسایل زیست محیطی چنان دست و پای بشر را بسته است که متخصصان امر، همین پانصد سال را نیز ناشدنی می پندارند و بنابراین باید در جستجوی منبع انرژی دیگری بود.

امروزه پیشرفت روز افزون بشر سبب شده است که نیاز انسان به تأمین انرژی به حدی زیاد شود که سوخت های فسیلی دیگر نتوانند جوابگوی نیازهای صنعتی باشند. از اینرو متخصصان و دانشمندان به فکر استفاده از انرژی های هسته ای افتاده اند. فرایند شکاف هسته ای که هم اینک در راکتورهای تولید انرژی مورد استفاده قرار می گیرد به علت تولی زباله های رادیواکتیو چندان مورد پسند نیستند، در حالیکه فرایند هم جوشی هسته ای بسیار از این جهت مطلوب تر می باشد زیرا که منجر به محصولاتی می شود که مانند زباله های حاصل از شکاف هسته ای خطرناک نمی باشند. از این رو به علت پاک بودن این انرژی توجه زیادی به آن می شود.

در راستای انجام تحقیقاتی برای دستیابی به این تکنولوژی دستگاه پلاسمای کانونی ساخته شد. این دستگاه در ابتدا به عنوان منبع تولید نوترون های پر انرژی ساخته شد ولی پس از مدتی به عنوان یک دستگاه کم هزینه و با کاربردهای چندگانه مورد توجه دانشمندان و به خصوص دانشمندان کشورهای در حال توسعه قرار گرفت.

دستگاه پلاسمای کانونی در اواخر دهه 1985، اوایل دهه 1960، توسط فیزیکدانان اولی (فیلیپوف) و فیزکدانان آمریکایی (مدر) ساخته شد و به سرعت به عنوان دستگاهی کارا و جالب برای تولید پلاسما و تابش های آن مورد توجه قرار گرفت. پلاسمای کانونی (PF) از هنگام اختراعش در دهه 1960 قویترین چشمه پلاسمایی نوترون به شمار می رفت، تا اینکه با اختراع روش گرمایش توکامک با اشعه خنثی این

 دستگاه جای پلاسمای کانونی را به عنوان قویترین چشمه پلاسمایی نوترون گرفت. ولی ارزانی و سادگی سیستم پلاسمای کانونی باعث شده که برای استفاده های مختلفی مورد توجه قرار گیرد. حتی آژانس بین المللی انرژی اتمی نوعی از این دستگاه ها را برای جهان سوم طراحی کرد.

دستگاه پلاسمای کانونی می تواند به عنوان منبع تولید اشعه ایکس سخت و نرم به کار رود  که به علت پالسی بودن این اشعه می تواند برای عکسبرداری از وسایل سریع مانند موتور هواپیما به کار رود. از دیگر کاربردهای این دستگاه تولید الکترون و یون می باشد که فرآیند تولید آنها در بخش های بعدی توضیح داده می شود.

یون های حاصل از این دستگاه می تواند برای کاشت یون استفاده شود. البته مهمترین کاربرد دستگاه پلاسمای کانونی، تحقیقات راجع به همجوشی هسته ای در هسته های سبک از قبیل دوتریم، تریتیم، هلیم و لیتیم است.

پلاسما:

پلاسما حالت گازی شکل از ماده است که در آن بر اثر دمای زیاد، اتم های ماده یونیزه شده و گازی متشکل از الکترون ها و یون ها، تولید می شود. با تبدیل شدن یک ماده به پلاسما، خواص جدیدی در آن ظاهر می شود. بر خلاف گازهای معمولی ( که اتم خنثی دارند)، پلاسما می تواند هادی جریان الکتریکی باشد، از خود نور گسیل کند، تحت تأثیر امواج الکترومغناطیسی قرار بگیرد و رفتار جمعی از خود نشان دهد که نه تنها به شرایط موضعی بلکه به حالت پلاسما در مناطق دور نیز بستگی دارد.

پینچ (pinch):

پینچ پلاسما در حقیقت فشرده شدن پلاسما توسط میدان مغناطیسی ناشی از جریان الکتریکی می باشد. در سیستم های پلاسمای کانونی که در بخش بعد توضیح داده خواهد شد، یک جریان الکتریکی نسبتاً زیاد به هنگام تخلیه الکتریکی در داخل پلاسما ایجاد می شود که در اثر بر هم کنش با میدان مغناطیسی بوجود آمده از میدان الکتریکی فشرده می شود و پلاسمای موجود در سیستم را نیز فشرده می نماید. این پدیده به اثر پینچ در پلاسما معروف است. اثر پینچ اساس محصور سازی مغناطیسی پلاسما در سیستم هایی نظیر پینچ در راستای z ، پینچ در راستایө و پلاسمای کانونی می باشد. به این ترتیب می توان گفت که عامل اصلی پینچ پلاسما، بر هم کنش یک جریان الکتریکی قوی با میدان مغناطیسی ناشی از خود آن می باشد.

پلاسمای کانونی:

دستگاه های پلاسمای کانونی سیستم هایی هستند که با تکنولوژی نسبتاً ساده و ارزان توانایی تولید پلاسمای چگال با طول عمر نسبتاً کم را دارند. محدوده ی مشخصات این نوع پلاسما عبارت است از حجم 1cm3 چگالی 1025m-3 طول عمر 100ns، دما1KeV. ویژگی این سیستم ها باعث شده تا آنها مورد توجه پژوهشگران گداخت هسته ای و همچنین تولید و کاربرد پرتوهای یونی، الکترونی، نوترون و ایکس قرار گیرند]2و1[. سهولت نسبی تولید، ارزانی قیمت، شار زیاد و زمان کم تولید پرتو از سیستم های پلاسمای کانونی، بستر مناسبی را جهت کاربردهای صنعتی و پزشکی فراهم می آورد. زمان کم تولید پرتو( حدود 100ns) از یک طرف منجر به کاهش فوق العاده زیاد خطرات بهداشتی و زیست محیطی کاربران شده و از طرف دیگر این امکان را ایجاد می کند که به عنوان مثال وضعیت دقیق و واضح سوژه های متحرک در مقطع خاصی از زمان ثبت شود که این به نوبه خود زمینه ساز بسیاری از کاربردهای پزشکی و صنعتی می باشد.

سیستم پلاسمای کانونی به طور مستقل توسط مدر و فیلیپوف در اوایل سال 1960 طراحی و ساخته شد. دستگاه های ساخته شده توسط این افراد دارای هندسه ی متفاوتی هستند. در دستگاه پلاسمای کانونی نوع فیلیپوف، نسبت شعاع به طول آند بزرگتر از نوع مدر می باشد که این مقدار کمتر از یک است. اصول کاری، اطلاعات کانونی و دیگر پارامترهای این دو دستگاه با یکدیگر یکسان می باشند.

دستگاه فیلیپوف به گونه ای طراحی شده است که اصطلاحاتی در پینچ  در راستای z، ایجاد می کند تا محدوده ی عایق را از ناحیه تنگش جدا نگاه دارد و مانع از ضربه بر روی آن در اثر تابش ناشی از پلاسمای داغ شود. نوع مدر نیز مانند یک تفنگ پلاسمای هم محوری طراحی شده که در فشار بسیار بالا کار می کند. پلاسمای کانونی به سرعت به منبع گداخت نوترون ها و منبع تولید اشعه ایکس(Mather 1965) تبدیل می شود. تا کنون دستگاه های متعددی با مخازن انرژی 1KJ تا 1MJ ساخته شده است. بین میزان انرژی ذخیره شده و اندازه ی دستگاه رابطه ای وجود دارد. آزمایشات انجام شده بر روی پلاسمای کانونی، نشان می دهد که در این دستگاه، پلاسمایی داغ(1KeV) و چگال  (1025cm-3) ایجاد می شود که طول عمر آن 100ns می باشد و رابطه ای نیز بین طول عمر پلاسما و شعاع آند وجود دارد. نکته قابل توجه در این دستگاه، مقدار بالای nτ (n چگالی و τ زمان محصور سازی انرژی ) برای پلاسما و توالی نوترون های گداخت می باشد.

پلاسمای کانونی علاوه بر اینکه منبعی از پلاسمای داغ و چگال و همچنین نوترون های گداخت می باشد، میزان زیادی اشعه ی ایکس نرم، مخصوصاً زمانی که در آن از گازهایی با عدد اتمی z بالا استفاده شود، نیز ساطع می کند. این خصوصیت، پلاسمای کانونی را از دیگر دستگاه ها متمایز کرد و آن را به یک انتخاب مناسب برای لیتوگرافی اشعه ایکس تبدیل کرده است.

در زمینه استفاده کاربردی از این سیستم ها، در دهه های اخیر تحقیقات نظری و عملی گسترده ای در گوشه و کنار دنیا صورت گرفته است. با توجه به گستردگی بیشتر نوع مدر، طبیعی است که بیشتر این تحقیقات حول سیستم های مدر متمرکز بوده است. از این رو، اطلاعات منتشر شده در مورد چگونگی عملکرد و طراحی سیستم های از نوع فیلیپوف نسبت به نوع مدر بسیار محدود می باشد (احتمالاً ساخت دستگاه های نوع فیلیپوف بیشتر با تکیه بر اطلاعات تجربی صورت می گیرد).

تا بحال مهمترین اهداف پژوهشی عبارت بوده اند از بررسی ارتباط بین عوامل ساختاری گوناگون (از قبیل ولتاژ، اندوکتانس، ظرفیت بانک خازنی، فشار و نوع گاز، ابعاد و جنس الکترودها و نیز ابعاد و جنس عایق) و تأثیر این عوامل بر عملکرد دستگاه های پلاسمای کانونی. درسال های اخیر پژوهش در زمینه استفاده کاربردی از این سیستم ها نیز به تدریج در حال شکل گرفتن می باشد.