دانلود تحقیق فیزیک پلاسما

فیزیک پلاسما از شاخه‌های فیزیک است که به بررسی یکی از اشکال وجود ماده یعنی پلاسما می‌پردازد.

از انجا که بخش بزرگی از جرم قابل مشاهدهٔ عالم، ستارگان با دماهای بسیار زیاد هستند، امکان وجود ماده به صورت‌های جامد و مایع در این اجرام منتفی است.

از سوی دیگر گاز نیز، به دلیل این حرارت بسیار زیاد، تبدیل به یک توده یونیزه شده و به صورت مخلوطی از یون‌های مثبت(هسته اتم ها) یون‌های منفی (الکترون ها) و ذرات خنثی در می‌‌اید.

در این توده، به دلیل وجود نیروهای الکتریکی که بسیار قوی تر از نیروی گرانشی است ذرات بر روی هم تأثیر زیادی می‌‌گذارند.

به طوری که حرکت بخشی از این توده، باعث تغییر در وضعیت حرکت و انرژیِ بخش‌های دیگر می‌‌شود که به این پدیده، اثر جمعی گفته شده، و هر گاه گاز به شدت یونیزه شده دارای این خاصیت باشد، پلاسما نامیده می‌‌شود و این بدین معنی است که بخش غالب ماده قابل مشاهده جهان، پلاسما است.

جالب این است که پلاسما ممکن است درعین حال دارای چندین دماباشد که این حالت باتوجه به اینکه میزان برخوردبین خود یونها یا خود الکترونها از میزان برخوردهای بین یک یون و یک الکترون بیشتراست می‌تواند پیش بیاید.

چند مورد از پلاسما که ما روزانه باآن سروکار داریم عبارت است از: جرقه رعدوبرق، تابش ملایم شفق قطبی، گازهادی داخل یک لامپ فلورسنت، چراغ نئون و یونش مختصری که در گازهای خروجی موشک دیده می‌‌شود.

پلاسما، امروزه نقش مهمی در توسعهٔ منابع انرژی، از راه همجوشی هسته‌ای یافته است.

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می‌دهد.

به عبارت دیگر می‌توان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیده‌شده‌ای اطلاق می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند.

یا به گاز به شدت یونیزه شده‌ای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود.

پلاسمای طبیعی عموما پلاسما را مجموعه‌ای از یونها ، الکترونها و اتمهای خنثی جدا از هم و تقریبا در حال تعادل مکانیکی الکتریکی می‌گویند.

حالتهای خاصی را در مقابل مغناطیس نشان می‌دهد.

این رفتارها کاملا برعکس رفتار گازها در مقابل میدان مغناطیسی است.

زیرا گازها به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.

در کنار این رفتار پلاسما می‌تواند تحت تاثیر میدان مغناطیسی درونی که از حرکت یونهای داخلی به عمل می‌آید قرار گیرد.

همچنین پلاسما بعلت رفتار جمعیتی که از خود نشان می‌دهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد.

و اغلب طوری رفتار می‌کند که گویی دارای رفتار مخصوص به خودش است.

معیار دیگر برای پلاسما آن است که فراوانی بارهای مثبت و منفی باید چندان زیاد نباشد که هر گونه عدم توازن موضعی بین غلظت‌های این بارها غیر ممکن باشد.

مثلا بار مثبت به سرعت بارهای منفی را به سوی خود می‌کشد تا توازن بار از نوع برقرار سازد.

بنابراین اگرچه پلاسما به مقدار زیادی بار آزاد دارد، ولی از لحاظ بار الکتریکی خنثی است.

ماده در حالت پلاسما نسبت به حالتهای جامد ، مایع و گاز نظم کمتری دارد.

با این حال خنثی بودن الکتریکی پلاسما بطور متوسط انرژی از نظم را نشان می‌دهد چهارمین حالت ماده کدام است؟

اگر پلاسما تا دمای زیاد حرارت داده شود، نظم موجود در پلاسما از بین می‌رود و ماده به توده درهم و برهم و کاملا نامنظم ذرات منفرد تبدیل می‌شود.

بنابراین پلاسما گاهی نظیر سیارات ، رفتاری جمعی و گاهی نظیر ذرات منفرد ، بصورت کاملا تکی عمل می‌کند.

بدلیل همین رفتارهای عجیب و غریب است که غالبا پلاسما در کنار گازها و مایعات و جامدات ، چهارمین حالت ماده معرفی می‌شود.

بنابراین با توجه به اینکه چگالی پلاسما قابل توجه می‌باشد.

مدولانک در تک ذرات منفرد به مشکلات رفتار پلاسما افزوده می‌شود ضرورت بررسی پلاسمای طبیعی با وجود این پیچیدگی‌ها با عنایت به اینکه 99 درصد ماده موجود در طبیعت و جهان در حالت پلاسما است.

علاقمندی ما به پلاسما جدا از بسیاری کاربردها نظیر تولید انرژی ، عدسی پلاسمایی برای کانونش انرژی و ...

معتدل می‌باشد، چرا که از ترک زمین ، با انواع پلاسماها مانند «یونسفر ، کمربندها و بادهای خورشیدی) مواجه می‌شویم.

بنابراین فیزیک پلاسما نیز در کنار سایر شاخه‌های علوم فیزیکی ، در شناخت محیط زندگی ما در قالب رشته ژئوفیزیک از یک اهمیت زیادی برخوردار است انواع پلاسما پلاسمای جو نزدیکترین پلاسما به ما «کره زمین) ، یونوسفر (Ionosphere) می‌باشد که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به طرف بالا ادامه می‌یابد.

لایه‌های بالاتر یونسفر ، فیزیک سیستمها به فرم پلاسما می باشند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی ، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین بوسیله پرتوهای کیهانی و الکترونهایی که به گلنونسفر اصابت می‌کنند یونیزه می‌شوند شفق قطبی پدیده شفق نیز نوعی پلاسما است که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می‌شود.

یونسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس ، فرابنفش ، تابش خورشیدی ، انعکاس امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سرتاسر جهان دارد.

با همه این احوال نه تنها زمین بلکه زهر و مریخ نیز فضایی یونسفری دارند ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در سایر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری ، زحل ، اورانوس ، نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد.

فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی ضعیف (حدود -510 تسلا) است هسته‌های ستارگان دنباله دار نیز به فضای بین پلاسمایی پرتاب می‌کند.

از طرف دیگر ، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است.

درخشندگی شدید خورشید ، معمولا عین یک درخشندگی پلاسمایی می‌باشد.

خورشید به سه قشر گازی فتوسفر کروموسفر و کورونا (که کرونای آن بیش از یک میلیون درجه ، حرارت دارد) احاطه شده است و انتظار می‌رود که هزارها سال به درخشندگی خود ادامه بدهد کاربرد پلاسمای یونسفر یونوسفر زمین در ارتباطات رادیویی اهمیت زیادی دارد.

توضیح این نکته لازم است که یونوسفر ، امواج رادیویی با فرکانسهای بیش از 30 مگاهرتز (بین امواج رادار و تلویزیون) را عبور می‌دهد.

ولی امواج با فرکانسهای کمتر (کوتاه ، متوسط و بلند رادیویی) را منعکس می کند.

همچنین شایان ذکر است که ضخامت یونسفر زمین که از چند لایه منعکس کننده تشکیل شده است با عواملی نظیر شب و روز آشفتگی پلاسمایی سطح خورشید در ارتباط نزدیک می‌باشد مگنتوسفر و کمربندهای تشعشعی زمین می‌دانیم زمین ما دارای میدان مغناطیسی است که می‌تواند بر یونها و به طور خلاصه پلاسمای فضای اطرافش اثر بگذراد.

بر طبق نظرات دینامو ، میدان مغناطیسی زمین از القای مغناطیس حاصل از حرکات ذرات داخل پلاسمای فضا به درون زمین متاثر می‌شود.

که دوباره نقش فیزیک پلاسما را در ژئوفیزیک یادآوری می‌کند.

به هرحال بطور نظری باید میدان مغناطیسی به شکل متقارن باشد لیکن فشار باد خورشیدی ، میدان ژئومغناطیس زمین را به صورت ستارگان دنباله‌دار یا دکلی شکل در می‌آورد.

که در اصطلاح به آن مگنتوسفر زمین گفته می‌شود.

ساختمان این لایه پلاسمایی نیز خود از چند لایه تشکیل شده است.

ژئوفیزیکدانان با مطالعه اساسی این لایه‌ها ، حد بالای آن را که حدودا 10 برابر شعاع زمین و در جهت خورشید می‌باشد، مغناطیس سکون می‌نامند.

خارج از مغناطیس سکون ، ناحیه متلاطمی است که «غلاف» مغناطیس نام دارد و آن باد خورشیدی در نتیجه فشار مگنتوسفر جهت و سرعت خود را تغییر می‌دهد.

مگنتوسفر زمین ، کمربند ایمنی زمین در مقابل ذرات خطرناک کم انرژی و حتی متوسط انرژی می‌باشد.

به این کمربند حافظ امنیت زمین در مقابل اشعه‌های خطرناک و ذرات ساتع از خورشید ، اصطلاحا کمربندهای وان آلن (به افتخار کاشف این کمربندها) گفته می‌شود آینه‌ های مغناطیسی با توجه به تاثیرات میدان مغناطیسی زمین بر روی پلاسما ، ذراتی که در میدان مغناطیسی زمین (کمربند وان آلن) گیر می اندازد.

به واسطه داشتن میدان مغناطیسی قوی و ضعیف و در قطبین زمین حرکتی انجام می‌دهند که به مثابه یک آینه طبیعی می‌باشد.

بنابراین آینه مغناطیسی که قبلا برای اولین بار توسط انریکو فرمی به عنوان مکانیسمی برای شتابدار ساختن پرتوی کیهانی استفاده شده بود، در ژئوفیزیک نیز به کار رفت بادهای خورشیدی خورشید منظومه شمسی منبع نیرومندی از جریان مداوم پلاسما به صورت باد خورشیدی است.

باد خورشیدی اصطلاحی برای ذرات تشعشع یافته نظیر بادهایی در حدود 100 هزار درجه کلوین است.

باد خورشیدی پدیده پیچیده‌ای است که سرعت و چگالی آن متغیر می‌باشد.

متغیر بودن پلاسمای بادی به فعالیت خورشید بستگی دارد.

گفتنی است که به دلیل 100 برابر بودن انرژی جنبشی پلاسما نسبت به انرژی مغناطیسی‌ اش ، اصطلاح باد مغناطیسی به آن داده‌اند فشردگی پلاسما در فضا پلاسمای فضایی می‌تواند تحت عوامل مختلفی فشرده شود و ستارگان فضا را ایجاد کند (به عنوان مثال کوتوله‌های سفید).

پلاسمای فضایی با چگالی حدود 100 هزار تا 10 میلیارد گرم بر سانتیمتر مکعب ، محصول نهایی تکامل ستارگان سبک ‌وزن می‌باشد.

این نوع ستارگان بسیار چگالتر از خورشید می‌باشند.

چرا که اگر کل ماده خورشید با چگالی 1.4 گرم بر سانتیمتر مکعب می‌خواست متراکم و به اندازه مثلا زمین ما شود، چگالی آن به تقریبا یک میلیون گرم بر سانتیمتر مکعب می‌رسید.

ستارگان نوترونی نیز از نوع ستارگان بسیار چگال می‌باشند که محصول تکامل ستارگان همان وزن می‌باشند.

اینها آخرین نوع ستارگان قابل مشاهده در جهان هستند که به سبب داشتن چگالی فوق‌العاده زیاد ، نورهای اطراف خود را می‌بلعند و به صورت یک حفره سیاه در می‌آیند.

بر طبق مدلهای محاسبه شده، ستارگان نوترونی از لایه‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که با حرکت از سطح به طرف داخل ، چگالی به سرعت بالا می‌رود حدود پلاسما اغلب گفته میشود که 99% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتمهایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد.

این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست.

در نزدیکی خود ما ، وقتیکه جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم.

جرقه رعد و برق ، تابش ملایم شفق قطبی ، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیزاسیون.

مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده میشود.

بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم.

بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟

کلمه پلاسما ظاهرا بیمسما به نظر میرسد.

این کلمه از لغت یونانی πλάσμα,-ατος,τό آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند.

پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است حفاظ دبای یکی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانیسیلهای الکتریکی است که به آن اعمال میشوند.

فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شدهاند یک میدان الکتریکی در داخل پلاسما بوجود آوریم.

این گلولهها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میکنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند.

اگر پلاسما سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ کامل میشود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت.

این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند معیارهای پلاسما طول موج دبای (λD) باید خیلی کوچکتر از ابعاد پلاسما ( L ) باشد تعداد ذرات موجود در یک کره دبای ( ND ) باید خیلی بزرگتر باشد.

حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما ( W ) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی ( t ) باید بزرگتر از یک باشد کاربردهای فیزیک پلاسما تخلیههای گازی قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال 1920 میشود.

تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لولههای خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد همجوشی گرما هستهای کنترل شده فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود 1952 که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز میشود فیزیک فضا کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است.

جریان پیوستهای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده میشود، به مگنتوسفر زمین برخورد میکند.

درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ( MHD ) و پیشرانش یونی دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیشرانده میشود، میباشد پلاسمای حالت جامد الکترونهای آزاد و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشکیل میدهند که همان نوع نوسانات و ناپایداریهای یک پلاسمای گازی را عرضه می دارد کاربردهای فیزیک پلاسما تخلیه‌های گازی: قدیمی‌ترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال 1920 می‌شود.

تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه می‌گرفت که برای توسعه لوله‌های خلأی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند و در نتیجه می‌بایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس می‌شد.

همجوشی گرما هستهای کنترل شده: فیزیک پلاسمای جدید (از حدود 1952 که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز می‌شود.

فیزیک فضا: کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است.

جریان پیوستهایی از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده می‌شود، به مگنتوسفر زمین برخورد می‌کند.

درون و جو ستارگان آنقدر داغ هستند که می‌توانند در حالت پلاسما باشند.

هیدروژن مورد نیاز در واکنش همجوشی هسته‌ای هیدروژن موجود در تمامی آبهای اقیانوسها یکی از مواد اولیه روش پیوند هسته‌ها را تشکیل می‌دهد.

هیدروژن سنگین که نسبت به هیدروژن معمولی فوق العاده نایاب است برای پیوند بسیار نامناسب بوده و با وجودی که در هر 6400 اتم هیدروژن ، فقط یک اتم آن هیدروژن سنگین می‌باشد، بنابراین مقدار هیدروژن موجود در اقیانوسها بسیار کافی است.

شرایط لازم برای انجام پیوند هسته‌ای برای اینکه پیوند هسته‌ای انجام گیرد چه شرایطی لازم است؟

برای انجام عمل پیوند با هسته دو اتم را به شدت به هم بزنیم، تا به هم پیوند خورده و در هم ذوب شوند.

اما دافعه الکترواستاتیکی هسته ، مانع بزرگی در این راه جلوی پای ما گذاشته است.

در فواصل بینهایت نزدیک این دافعه فوق العاده زیاد است.

البته راه حل ساده‌ای به نظر می‌رسد، بدین معنی که بایستی به هسته‌ها آنقدر سرعت دهیم که از این مانع رد شوند.

می‌دانیم که سرعت ذرات در هر گازی بستگی به درجه حرارت آن گاز دارد.

پس کافی است درجه حرارت را آنقدر بالا ببریم تا سرعت لازم برای عبور از این مانع بدست آید.

درجه حرارت لازم برای این کار چندین میلیون درجه سانتیگراد است و چنین حرارتی در کره زمین وجود ندارد.

اما اگر یک بمب اتمی در وسط توده‌ای از هسته‌های سبک منفجر شود، حرارت فوق العاده‌ای که از انفجار بمب حاصل می‌شود، حرارت هسته‌های سبک را به قدری بالا می‌برد که پیوند آنها را امکانپذیر سازد.

این موضوع اساس ساختمان بمب حرارتی و هسته‌ای (ترمونوکلئور) می‌باشد.

همانطوری که در کبریت عادی برای آتش گرفتن ابتدا فسفر موجود در آن بر اثر مالش محترق می‌شود و آنگاه گوگرد را روشن می‌سازد، در بمبهای (حرارتی و هسته‌ای) نیز ابتدا یک بمب اتمی معمولی منفجر می‌شود و در نتیجه انفجار توده‌ای از اجسام سبک را به حرارت فوق العاده‌ای می‌رساند، بطوری که هسته‌های آنها به هم می‌پیوندند و آنگاه انفجار مهیبتری انجام می‌گیرد.

بمبهای هیدروژنی بعد از انفجار یک بمب اتمی معمولی ، عمل سرد شدن به سرعت انجام می‌گیرد.

بنابراین ، باید فعل و انفعالاتی را در نظر گرفت که در آنها عمل پیوند به سرعت انجام گیرد.

اگر یک بمب اتمی را در مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم محصور کرده و مجموعه را در یک محفظه با مقاومت مکانیکی زیاد قرار دهیم، پس ازانفجار بمب اتمی محیط مساعدی برای یک فعل و انفعال ترمونوکلئور (فعل و انفعال هسته‌ای گرمازا) بوجود می‌آید و در اثر آن عمل پیوند هسته‌ها انجام شده و هلیوم بوجود می‌آید.

تریتیوم + دوتریوم در نتیجه این فعل و انفعال ، حدود هفده میلیون الکترون ولت ، انرژی آزاد می‌شود.

این میزان انرژِی نسبت به واحد وزن ماده قابل انفجار ، در حدود چهار برابر انرژی است که از شکسته شدن اورانیوم حاصل می‌شود.

به عبارت دیگر در موقع پیوند هسته‌های دوتریم و تریتیوم ، انرژی بیشتر بر واحد جرم نسبت به شکافته شدن هسته‌های اورانیوم رها می‌شود.

اشکالات اساسی ساخت بمب هیدروژنی تهیه بمب هیدروژنی دو اشکال عمده دارد که عبارتند از: اولا باید دوتریوم و تریتیوم را به حالت مایع بکار برد.

چون این دو عنصر در حالت معمول بصورت گاز هستند و در حرارت فوق العاده زیاد هم با کندی به هم پیوند می‌خورد.

و لذا مجبورند آنها را در حرارتی معادل 250 درجه سانتیگراد زیر صفر نگه دارند.

بطورری که وزن دستگاه لازم به وضع غیر عادی سنگین می‌شد و بمب با زحمت زیاد حمل و نقل می‌گردید و پرتاب آن بوسیله هواپیما بسیار مشکل بود.

ثانیا اگر چه تهیه دوتریوم سهل است، اما تهیه تریتیوم فوق العاده مشکل و پر هزینه می‌باشد و برای تهیه آن باید در کوره اتمی عنصر لیتیوم را بوسیله نوترون بمباران کنند که از تجزیه متوالی آب بوسیله جریان الکتریکی ، آب سنگین بدست می‌آید.

بطوری که دوتریوم یکی از عناصر مرکب آن است.

از تجزیه آب سنگین (دوتریوم) بدست می‌آید مرکز تحقیقات فیزیک پلاسما در مجتمع دانشگاهی به مساحت 500 هکتار از ناحیه شمال غربی تهران در فضایی به مساحت 3000 مترمربع می‌باشد.

این مرکز از سال 1373 فعالیت‌های تحقیقات کاربردی خود را در زمینه‌های فیزیک اتمی و ملکولی و حالت جامد آغاز نموده و در حال حاضر با توجه به برنامه‌های توسعه اقتصادی و اجتماعی کشور همکاری گسترده‌ای با دانشگاه‌ها و سایر مراکز تحقیقاتی داخل وخارج به عمل می‌آورد.

مرکز تحقیقات با هدف گسترش علوم و تکنولوژی به اجرای پروژه‌های تحقیقاتی، اعم از بنیادی، کاربردی و قراردادی در زمینه فیزیک اتمی وملکولی و فیزیک حالت جامد می‌پردازد.

همچنین با تأسیس دوره‌های تحصیلات تکمیلی در مقاطع کارشناسی ارشد، دکتری و نیز آموزش‌های کوتاه مدت داخلی وخارجی به آموزش بخشی از نیروی انسانی متخصص پرداخته است.

الف- تحقیقات در زمینه فیزیک اتمی و ملکولی بخش تحقیقات فیزیک اتمی وملکولی با توجه به امکانات و تجهیزات یکی از پیشرفته‌ترین مراکز تحقیقاتی کشوراست که بخشی از فعالیت‌های آن شامل تحقیق در زمینه کاربرد فیزیک پلاسما و فیوژن می‌باشد.

توکامک IR- T1 توکامک IR- T1 در سال 1373 به منظور پیشبرد تحقیقات و مطالعات پیشرفته در زمینه فیزیک پلاسما (پلاسمای داغ) و همجوشی هسته‌ای در این مرکز نصب و راه اندازی گردید.

توکامک IR-T1 در زمره توکامک‌های کوچک و با راندمان بالای جهان محسوب می‌شود.

این سیستم، جهت اندازه‌گیری وتشخیص پارامترهای پلاسما دارای دستگاه‌های تشخیصی حساس مانند طیف نگار تک کاناله در بازه طول موج نور مرئی، سیستم پنج کاناله پخش سیکلوترونی الکترون، گیرنده‌های اشعه ایکس، لیزر تک کاناله هیدروسیانید، پیچه‌های مغناطیسی میرنوف و پروب دوبل لانگمویر می‌باشد.

این توکامک از نوع ترانسفورمری بدون غشای هادی و سیستم منحرف کننده ناخالصی هاست.

مساحت، ارتفاع و وزن آن به ترتیب 6/1 متر مربع، 5/2 متر و 7/2 تن می‌باشد.

توکامک فوق از پنج سیستم اصلی زیر تشکیل یافته است: 1- پیچه‌های میدان مغناطیسی تروئیدال: شامل 16 پیچه که هر کدام 20 دور دارد.

2- پیچه های سیستم گرمایی اهمی: شامل پنج پیچه که چهار تای آن دارای 4،6،6،4 دور و دیگری سلونوئید مرکزی که دارای 240 دور است و محور اصلی توکامک را نیز تشکیل می دهد.

3- پیچه‌های میدان مغناطیسی عمودی: شامل 4 پیچه است که دو تای آن در بالا و پایین توکامک و دوتای دیگر در غلاف سلونوئید مرکزی قرار دارند.

4- چمبره خلاء: این محفظه از جنس Stainless Steel با آلیاژ کروم ساخته شده، قطر داخلی آن 00/32 سانتی متر و ضخامت آن 40/0 سانتی متر است.

5- ساختار نگه دارنده توکامک: میزی که کلیه اجزای اصلی توکامک بر روی آن محکم شده است از جنس پشم شیشه فشرده و چوب می‌باشد، اتصالات از نوع فلز مس بدون اکسیژن (OFC) و حلقه‌های اتصالی از نوع Vition.

است .

پارامترهای اصلی این توکامک به قرار زیر است: R=45.00cm, a=12.50cm, IP=20-40 KA Td = 18-26ms, B t = 0.6-0.9 Tesla, V loop = 2.6-8V, n e =0.7-3 × 1013 1/cm3, Z eff ب- تحقیقات در زمینه فیزیک حالت جامد: شاخه فیزیک حالت جامد در علم فیزیک توجه خاصی را به خود جلب کرده است و با توجه به اهمیت این شاخه از فیزیک، تحقیقات کاربردی در این زمینه از اهداف اصلی این واحد می‌باشد.

از جمله تجهیزات پیشرفته موجود در مرکز تحقیقات فیزیک پلاسما در این زمینه می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد: 1- دستگاه کاشت یون و شتابدهنده پلاسما(Ion Implanter and Plasma Accelerator) مطالعه اثر کاشت بون‌های مختلف در سطح جامدات( فلزات، نیمه هادیها و ....) تأثیر آن در تغییر خصوصیات فیزیکی آنها از برنامه‌های این مرکز می‌باشد.

همچنین در این مرکز امکانات کاشت یونی برای تغییرات سطحی و فرآیندهای مؤثر بر لایه کاشته شده از جمله سخت کردن، ایجاد آلیاژهایی که از فازهای متالوژیکی (nonequilibrium Phase غیر قابل ایجاد به روش‌های معمول حرارتی، ایجاد تنوع در یون‌های کاشته شده برای افزایش ویژگی‌های مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و خوردگی فلزات و سرامیک‌ها مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.

مشخصات کاشت یونی این مرکز به قرار زیر می‌باشد.

گازهای مورد استفاده Ar, N2,O2,Co2 جریان کل شتاب دهنده یون‌ها 5-25mA انرژی کاشت یونی 30KV ابعاد پوششی پرتو یونی 110 20mm2 قدرت 25KW یکی از اهداف در دست انجام مرکز ارتقاء دستگاه موجود و استفاده از گستره وسیعتری از یونها و انرژی‌های بالاتر می‌باشد.

2- اسپکترومتری جرمی یون ثانویه (Secondary Ion Mass Spectrometry) SIMS اسپکترومتری جرمی یون ثانویه(SIMS) از پیشرفته ترین و توانمندترین تکنیکهای آنالیز سطح موجود در جهان می‌باشد.

با وجود چنین دستگاهی در مرکز تحقیقات فیزیک، محققین کشورمان برای اولین بار در خاورمیانه از امتیاز دسترسی به پیشرفته ترین دستگاه آنالیز سطح برخوردار خواهند بود.

در دنیای امروز رفتار سطح مواد در زندگی ما بسیار مهم است و زمینه‌های وسیعی در تکنولوژی مواد وجود دارد که از تکنیکهای آنالیز سطح هم در تحقیقات وهم در کنترل کیفیت سود می‌جویند.

طی سالهای تکنیکهای بسیاری برای جنبه‌های مختلف فیزیک و شیمی سطح ایجاد شده ولی تنها تعداد کمی از آنها در علم سطح و آنالیز سطح مورد استفاده وسیع قرار گرفته‌اند.

نمایی از دستگاه SIMS به دلیل ماهیت طیف جرمی داده‌ها، بسیار توانمند است.

حساسیت بسیار بالای آن، تشخیص یک اتم ناخالصی در میان یک میلیارد اتم، ppb، یا در میان یک میلیون اتمppm و تفکیک عمق خوب ( معمولاً بین چند نانومتر تا چند ده نانومتر) این تکنیک را برای دانشمندان جذاب ساخته است .

همچنین SIMS یک آمیزه منحصر بفرد از حساسیت بالا برای تمام عناصر، از هیدروژن گرفته تا اورانیوم(با حد آشکارسازی پایین‌تر از ppm بای اکثر آنها)، تفکیکی عرضی بالا (پایین‌تر ازnm100) پارازیت زمینه خیلی کم و گستره دینامیکی بالا را فراهم می‌کند و به همین دلیل در تحقیقات پیشرفته مواد کاربرد بسیار دارد.

SIMS عبارت از اسپکترومتری ذرات یونیزه‌ای است ه از یک سطح معمولاً جامد، که تحت بمباران ذرات اولیه پر انرژی قرار گرفته‌اند، منتشر می‌شوند.

ذرات اولیه ممکن است الکترونها، یونها، ذرات خنثی یا فوتونها باشند و ذرات ثانویه، الکترونها، ذرات خنثی، یا یونهای اتمی وخوشه‌ای خواهند بود.

اکثریت ذرات منتشر شده خنثی، و تنها کسر کوچکی از آنها یونیزه هستند که توسط اسپکترومتری جرمی آشکار سازی و آنالیز می‌شوند و اطلاعاتی در مورد ترکیب عنصری، ایزوتوپی و مولکولی بالاترین لایه‌های اتمی سطح می‌دهند.

دستگاه SIMS موجود درمرکز تحقیقات فیزیک مدل IMS6F و از نوع قطاع مغناطیسی (Magnetic Sector) می‌باشد.

این وسیله دارای قطاع مغناطیسی کاملاً اتوماتیک است که کارایی خیلی بالایی را در مد دینامیک و مد استاتیک فراهم می‌کند و به عبارت دیگر ترکیب کننده تواناییهای دو مد عمل میکروسکوپی و میکروپروبی است.

مد میکروسکوپی بدین معنی است که شبیه میکروسکوپ نوری کار می‌کند و مد میکروپروب شبیه SEM است.

مد میکروسکوپی برای آنالیز سطوح بزرگ با گستره تفکیک 0.5 تا 10 میکرومتر استفاده می‌شود و برای تفکیک عرضی بهتر از m 0.5 می‌توان از مد میکروپروبی استفاده کرد.

کاربردهای تکنیکSIMS: بعضی از زمینه های کاربرد SIMS عبارتند از : نیمه رساناها، علم مواد، زمین شناسی، متالوژی، مواد آلی و ....

نیمه رساناها: در سالهای اخیر پیشرفته سریع میکروالکترونیک نیاز به قطعات با کارایی بالاتر داشته و این جریان همچنان ادامه دارد.

برای موفقیت در این زمینه، فرآیند تولید چنین قطعاتی نیاز به کنترل پارامترهای کلیدی مانند ترکیب بالک، توزیع ناخالصی وارد شده در سطح و عمق، تمیزی سطح ویفرها و ...

در مراحل مختلف دارد .برای تمام این نیازهای آنالیزی SIMS ابزاری توانمند است.

برای مثال کنترل توزیع As در عمق در مساحتهایی به کوچکی m2 1 با حد آشکار سازی در محدود 1-10ppm، قابل انجام است .

همچنین کاربرد دیگر این دستگاه در زمینه آنالیز لایه‌های نازک می‌باشد که نیاز به تواناییهای تفکیک بالای SIMS دارد..

توزیع آرسینیک روی سطح نمونه ترانزیستور 30*30 میکرومتر در مدار مجتمع (IC) علم مواد: قابلیتهای آنالیز ایزوتوپیSIMS بطور وسیعی برای بررسی فرآیندهای نفوذ در مواد بوسیله یک منبع دیفیوژن غنی شده با یک ایزوتوپ پایدار دارای فراوانی طبیعی پایین ( برای مثال 18O,13C,D و ...) استفاده می‌شود .

بعلاوه حساسیت بالای ترکیب شده بااندازه زیر میکرون پروب، بررسی توزیع عنصری بسیار کوچک در مساحت‌های کم مانند مرزدانه‌ها و فصل مشترک را به منظور فهم بهتر از خواص مواد مرکب فراهم می‌کند.

دانه الماس مصنوعی رشد داده شده روی زیر لیه مولیبدنیوم زمین شناسی: ویژگیهای مهم تکنیک SIMS در زمین شناسی عبارتند از: • آنالیز عنصر سبک (شامل H) • آنالیز عنصر ناچیز در نمونه ( گستره غلظت پایین تا کمتر ازppm 100 و غلظت بالا تا دهم درصد) • آنالیز ایزوتوپی • پروفایل‌گیری در عمق و تصویر‌گیری • آنالیز در مقیاس میکرون( حجم چند میکرومتر مکعب) • آنالیز در حال کار • راحتی تهیه نمونه زمینه‌های کاربرد SIMS در زمین شناسی عبارتند از: الف)زئوشیمی ب) کرونولوژی متالوژی: پروفایل‌گیری و تصویرگیری کاربردهای اصلی SIMS در متالوژی هستند.

مد تصویرگیری می‌تواند برای توزیع عناصر سبک(C,O,N,B,H) با حساسیت بالا ومد پروفایل‌گیری عمق، جهت مشخص کردن رفتار سطح مواد استفاده شود.

بیولوژی: قابلیتهای آنالیز ایزوتوپیSIMS یک روش منحصر بفردی برای تعیین توزیع مولکولهای دارویی مشخص شده با ایزوتوپهای پایدار در سلولها ارائه می‌دهد.

بنابراین بیولوژیست به اطلاعات با ارزشی برای یک فهم بهتر از مکانیزم عمل دارو در درمان دست می‌یابد.

مواد آلی: در طول کندوپاش(Sputtering) مواد آلی بوسیله ذرات اولیه با انرژی چند Kev نشر یون مولکول شامل قطعات مولکولی بزرگ نیز می‌شود که ترکیب سطح آن را نیز می‌توان بدست آورد.

نحوه توزیع و نفوذ zn در ساختار چند لیه از مشخصات دستگاه SIMS بطور خلاصه می‌توان موارد زیر را نام برد: 2-الف) آنالیز SIMS دینامیک: SIMS دینامیک بطور وسیعی برای آنالیز در عمق، بالک یا تعیین توزیع عناصر با غلظت پایین استفاده می‌شود گذردهی بالا و درخشندگی زیاد منابع یون اکسیژن و سزیم امکان می‌دهد تا به حد نهایی آشکار سازی دست یابیم.

2-ب) آنالیز SIMS استاتیک: SIMS استاتیک برای آنالیز تک لایه، ساختار شیمیایی، و آنالیز کمی مواد آلی بکار می‌رود.

این کار با چگالی جریان خیلی پایین باریکه یونی اولیه انجام می‌شود.IMS 6F بطور موفقیت میزی برای آزمایشهای SIMS استاتیک بدلیل قابلیت ارسال دز یون اولیه پایین و گذردهی بالای سیستم اپتیکی استفاده می‌شود.

2-ج) آنالیز عایقها: مشکل همیشگی آنالیز عایقها باردار شدن سطح آنها در اثر بمباران ذرات باردار جهت آنالیز بوده است.

تفنگ الکترونی در IMS 6 F نزدیک سطح نمونه یک ابر الکترونی با انرژی خیلی پایین تولید می‌کند و بار ایجاد شده روی سطح را خنثی می‌نماید تا آنالیز عایقها به خوبی ممکن شود.

2-ه) تصویر گیری مستقیم یونی منحصر بفرد: در میکروسکوپ یونی IMS 6F یک باریکه یونی اولیه پهن به سطح نمونه می‌تابد، یونهای ثانویه از تمام نقاط تحت تابش باریکه منتشر و سپس بطور همزمان پس از عبور از فیلتر جرمی جمع‌آوری و نمایش داده می‌شود و تفکیکهای عرضی زیر میکرون قابل دسترس خواهند شد.

بعضی از مزایای تصویرگیری یونی عبارتند از: تفکیک عرضی تصویر مستقل از قطر باریکه اولیه سطح بزرگ، میرکوگرافهای با حساسیت ترکیبی بالا( تا مرتبهppm) راحتی تعیین موقعیت ناحیه مورد نظر جهت آنالیز پروفایل‌گیری سریع عمق تشخیص راحت هم خطی صحیح سیستم اپتیکی 2-و) تصویرگیری برتر میکروپروب یونی سزیم واکسیژن: در میکروپروب یونی، یک باریکه یونی اولیه متمرکز شده، سطح نمونه را جاروب می‌کند.

یونهای ثانویه به ترتیب جمع‌آوری می‌شوند، سپس سیگنال به CRT مدوله می‌شود و جاروب کردن CRT با جاروب کردن باریکه هماهنگ می‌شود.

بنابراین مزیت آن دارا بودن حساسیت آنالیزی بالا روی سطوح خیلی کوچک است.

2-ز) توان تفکیک جرمی خیلی خوب: اسپکترومتر کانونی کننده دوگانه، بطور ویژه طراحی می‌شود تا در هر مد میکروسکوپی ومیکروپروبی به خوبی عمل کند.

2-ج) مشخصات نمونه‌ها: شکل: جامدات بلوری یا غیر بلوری، جامدات با سطح تغییر یافته، زیر لایه‌ها با لایه نازک نشانده شده روی آنها، و سطوح مسطح و هموار مورد قبولند.

پودرها باید درون ورقه فلزی نرم(برای مثال ایندیم) پرس یا بصورت قرص فشرده شوند.

اندازه: متغیر اما نوعاً1cm × 1cm × 1mm تهیه نمونه: انجام کار قبلی روی نمونه برای هیچ یک از آنالیزهای سطح یا عمق لازم نیست.

پولیش کردن تنها در آنالیز میکروساختاری یا عنصری لازم است.

زمان تخمینی آنالیز: یک یا چند ساعت برای هر نمونه 3- دستگاه میکروسکوپ پروب روبشی (Scanning Probe Microscopy) SPM این دستگاه یک میکروسکوپ با قدرت تفکیک بالا است که قادر است تصاویر سه بعدی از سطح نمونه با بزرگنمایی حداکثر 108 در اختیار کاربر قرار دهد.

دستگاه SPM موجود در مرکز تحقیقات مدل Auto Probe CP ساخت شرکت Park Scientific آمریکا می‌باشد.

از این دستگاه برای بررسی Topography سطح و به عبارت دیگر Morphology سطح در مقیاس اتمی استفاده می‌شود.

در این میکروسکوپ از یک Tip یا Probe بسیار ظریف نوک تیز که نوک آن چند اتمی است، استفاده می‌شود.

با استفاده از این Tip یا Probe روی سطح نمونه Scan می‌کنیم.

لذا بدلیل کوچک بودن ابعاد نوک Tip می‌توان پستی و بلندی‌های روی سطح را مشخص نمود و بوسیله دستگاه ردیاب اطلاعات را دریافت و بررسی نمود.

بر اساس اینکه برای Detect از چه تکنیکی استفاده می‌شود، دستگاه SPM به دو مدکاری اصلی AFM و STM تقسیم می‌شود.

در مد (Scanning Tunneling Microscopy)STM، از پدیده تونل‌زنی کوانتمی استفاده می‌شود.

در این روش برای ایجاد تابع کار لازم جهت داشتن جریان تونل زندی از بایاس الکتریکی استفاده می‌شود.

بنابراین از این تکنیک صرفاً جهت بررسی مواد هادی و یا نیمه هادی استفاده می‌کنیم.