۱-۲ کاربردهای پلاسمای کانونی
امروزه دستگاه پلاسمای کانونی کاربردهای متنوعی در علوم مختلف پیدا کرده است. از جمله این کاربردها می‌توان به کاربردهای آموزشی، تحقیقاتی و صنعتی اشاره کرد.
پلاسمای کانونی می تواند یک ابزار بسیار مفید برای آموزش برخی موضوعات فیزیک شامل: ترمودینامیک، فیزیک هسته‌ای، الکترومغناطیس و…باشد.

در زمینه‌های تحقیقاتی که این ابزار نسبت به دیگر دستگاه‌های گداخت هسته‌ای ارزان تر است، می‌توان بسیاری از پدیده‌های دینامیک پلاسما، ناپایداری وآشفتگی پلاسما را مورد ارزیابی وبررسی قرار داد.
دستگاه پلاسمای کانونی همچنین می‌تواند کاربردهایی در صنعت داشته باشد. در اینجا به طور مختصر به چند مورداشاره می‌کنیم.
* سیستم ایمنی فرودگاه ها
روش NAA یا آنالیز مواد توسط فعال‌ سازی نوترون یکی از بهترین روش ها برای تشخیص و کشف مواد غیر قابل تشخیص با چشم و دستگاه‌های موجود در فرودگاه‌ها و خروجی‌های کشور می‌باشد.[۱۱]
* بررسی گودال‌های زیرزمینی با بهره گرفتن از نوترون‌های پالسی
با بهره گرفتن از ویژگی های خوب نوترون‌های پالسی تولید شده در این سیستم و استفاده از پراکندگی نوترون‌ها می‌توان به وجود ساختارهای زیرزمینی و عناصر موجود در آن پی برد.[۱۱]
*کاربرد در علم مواد
کاشت یون ؛ اصلاحات سطح مواد (از طریق بمباران ذرات باردار) ؛ بررسی فعل و انفعالات پرتوها روی دیواره محفظه پلاسما (بررسی یک نوع خاص از ماده بعنوان هدف در دستگاه پلاسمای کانونی و اثرات آن در برخورد پرتوهای موجود در(PF ؛ آنالیز طلا توسط فعال سازی نوترون ؛ آنالیز زغال سنگ توسط فعال سازی نوترون[۱۱]
* لیتو‌گرافی با بهره گرفتن از پرتو‌های الکترون
پلاسمای کانونی یک چشمه قوی از پرتو‌های الکترون می‌باشد که برای لیتوگرافی ازاین پرتو‌ها استفاده می‌شود.[۱۱]
* تولید رادیوایزوتوپ‌های مورد استفاده در عکسبرداری تشخیصی
PET یکی از چندین روش تشخیصی در پزشکی هسته‌ای می‌باشد. رادیوایزوتوپ‌های لازم PET می‌تواند به کمک دستگاه پلاسمای کانونی تولید شود که این روش بسیار قابل دسترس و ارزان نسبت به شتاب‌دهنده‌ها می‌باشد. در داخل محفظه‌ی پلاسمای کانونی، یون‌های سریع مورد نیاز برای تولید رادیوایزوتوپ‌ها به وجود آمده و باعث تولید این ایزوتوپ‌ها در مدت چند ده نانو ثانیه می‌شود.
در این پروژه به این کاربرد به طور مفصل پرداخته می‌شود.
فصل دوم
ساز وکار شتاب یون ها و
مطالعه طیف دوترون های پرانرژی در
دستگاه پلاسمای کانونی
پرتوهای پر انرژی یونی کاربردهای بسیاری در پزشکی، مواد وکاربردهای دیگر دارند. یون ها در شتاب‌دهنده‌های ذرات باردار، شتاب‌دهنده‌های لیزری، سیستم‌های پالسی پلاسما و… شتاب داده می‌شوند.
یکی از مناسبترین شتاب‌دهنده‌ها که می‌تواند جایگزین مناسبی برای شتاب‌دهنده سیکلوترون و شتاب‌دهنده لیزری باشد دستگاه پلاسمای کانونی است.
پلاسمای کانونی یک دستگاه پلاسمای پالسی است که یون‌ها تا انرژی‌های خیلی بالا شتاب داده می‌شوند.
در این فصل به فرایند شتاب یون‌ها در دستگاه پلاسمای کانونی پرداخته و روش‌های اندازه‌گیری یون‌های پر انرژی بررسی می‌شود.
۲-۱ ساز و کار شتاب یون‌ها
ولتاژ بانک خازنی برای یک دستگاه پلاسمای کانونی معمولا ۱۰-۳۰kV است. اما نتایج حاصل از آزمایشات بسیاری نشان می‌دهد که باریکه‌های دوترونی گسیل شده از ستون پلاسما (تنگش) یک محدوده وسیعی( تا چند MeV) از انرژی‌ها را شامل می‌شود. شتاب یون‌ها برای این چنین انرژی‌هایی (چند برابر ولتاژ شارژ) یکی از جنبه‌های غیره منتظره این دستگاه پلاسمای کوچک است. شتاب ذرات در دستگاه پلاسمای کانونی به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. چندین مدل برای شتاب یون‌ها در نظر گرفته شده است شامل: ناپایداری‌ها، تاثیر مقاومت غیرعادی، موج پلاسما و موج شوک می‌باشد. هر چند مکانیسم شتاب یون‌ها تا کنون به درستی شناخته نشده است.
در این قسمت مختصری در رابطه با میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی که نقش مهمی در شتاب یون‌ها دارند توضیح داده می‌شود سپس به بررسی فرایند شتاب و توصیف مدل‌های شتاب پرداخته می‌شود.
۲-۱-۱ فرایند شتاب
تراکم سریع شعاعی پلاسما با سرعت در حضور میدان‌های مغناطیسی از مرتبه مگا گاوس(MG)، میدان‌های الکتریکی قوی در راستای محور از مرتبه ایجاد می‌کند. میدان های مغناطیسی در پلاسما هنگامی که جریان ۱MA است معمولا در حد۱MG می‌باشد. از طرف دیگر میدان در نقاط داغ^[۱۱]، ۱۰۰MG مشخص شده است. این میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی قوی نقش مهمی در شتاب یون‌ها ایفا می‌کنند [۱۷].
زمانی که میدان مغناطیسی سمتی (به سرعت در راستای محور نفوذ می‌کند، تغییرات شدیدی در اندوکتانس پلاسما ایجاد می‌شود که منجر به تولید یک میدان الکتریکی محوری) ( می‌شود و یون ها تحت تاثیر این میدان الکتریکی القایی شتاب می‌گیرند.
۲-۱-۲ مدل‌ های شتاب
۲-۱-۲-۱ ناپایداری ها
افزایش دمای ستون پلاسما باعث افزایش انرژی جنبشی ذرات باردار می‌شود. اما در عین حال ممکن است در میدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسانات القا کند. رشد یک اغتشاش در تنگش باعث افزایش نفوذ میدان مغناطیسی در داخل ستون پلاسما می‌شود. اگر جابه‌جایی پلاسما‌ی دور شده از تعادل ایستایی را در نظر بگیریم برای اغتشاش می‌نویسیم :
(۲-۱)
به طوری کهm عدد مد سمتی است و مقدارهای آن عدد صحیح (m=0,1,…) است و k عدد موج محوری می‌باشد (شکل ۲-۱).

شکل(۲-۱): اغتشاش در ستون پلاسما به صورت شماتیک
چون فشار مغناطیسی در ناحیه‌ای که اختلال ایجاد شده تا حدودی بالاتر از پلاسمای اطراف آن است، ناحیه مختل شده در جهت شعاعی متراکم شده و در جهت محوری منبسط می‌شود. شکل (۲-۲) اختلال در پینچ را نشان می‌دهد.

شکل(۲-۲): اختلال در پینچ[۱۶]
الف) مدm=0
حالت m=0 به ناپایداری سوسیسی^[۱۲] شناخته می‌شود (شکل۲-۳). ناپایداری سوسیسی از انقباضات متناوب پلاسما ناشی می‌شود. این حالت تغییرات هارمونیک شعاع پینچ را نشان می‌دهد. رشد این ناپایداری به علت اغتشاش شعاعی متقارن در نقاط خاص است. در این نقاط مساحت سطح مقطع کاهش یافته در نتیجه قدرت میدان مغناطیسی سمتی در این سطح پلاسما افزایش پیدا می‌کند. پس فشار مغناطیسی نیز افزایش پیدا می‌کند و باعث می‌شود انقباض در این نقاط در مقایسه با نقاط دیگر سریع‌تر صورت گیرد. تغییرات سریع میدان مغناطیسی باعث القاء یک میدان الکتریکی طولی می‌شود که یون‌ها را با سرعت بالاتری شتاب می‌دهد.
ب ) مد m=1
حالتm=1 به ناپایداری کینک^[۱۳] شناخته می‌شود. حالت m=1 حالت مارپیچی ستون پلاسما است. همان طور که در شکل (۲-۳) مشخص شده است، در این نمونه محور پلاسما دچار اغتشاش می‌شود. خطوط میدان مغناطیسی در قسمت درونی خمیدگی نزدیکتر می‌شوند که این امر منجر می‌شود که فشار مغناطیسی در لبه درونی نسبت به لبه داخلی بیشتر شود و در نتیجه، اختلاف فشار مغناطیسی حاصله موجب خمیدگی بیشتر ستون پلاسما می‌شود.
شکل(۲-۳): ناپایداری سوسیسی(m=0) ،سمت چپ؛ ناپایدارری کینک(m=1) سمت راست؛
۲-۱-۲-۲ مقاومت غیرعادی^[۱۴]
با افزایش جریان الکتریکی مقاومت (مقاومت غیر عادی ) افزایش می‌یابد. مقاومت غیرعادی منجر به نفوذ جریان و میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در پلاسما می‌شود. اگر مقاومت به اندازه کافی بزرگ باشد میدان الکتریکی خارجی می‌تواند در پلاسما به سرعت نفوذ کند. در مقاومت بالا نفوذ جریان و میدان ها بسیار سریعتر از حرکت شعاعی پلاسما است. برطبق قانون اسپیتزر^[۱۵] مقاومت پلاسما در صورت افزایش دمای پلاسما کاهش می‌یابد در صورتی که در اینجا زمانی که فرکانس الکترون-سیکلوترون^[۱۶] بزرگتر از فرکانس برخورد یون- الکترون^[۱۷] می‌شود، مقاومت پلاسما تا حد زیادی افزایش پیدا می کند و جریان تخلیه می تواند به سرعت به سمت محور انتشار پیدا کند. چنین انتقال سریع برای یک توزیع جریان محدود یک فرضیه کلیدی برای شتاب دوترون ها در انرژی‌های بالا است.[۱۶]
زمان مشخصه نفوذ میدان (زمان پینچ) برای یک پلاسما به شعاع L به شکل رابطه (۲-۲) می باشد. [۱۸,۱۶]
(۲-۲)
از آنجائیکه زمان تنگش در دستگاه پلاسمای کانونیNX2 در حدود ۷۰ ns است، یک مقاومت ناهنجار بزرگ،، تخمین زده شده است که برابر است با:. بنابراین نفوذ میدان سریعتر از حرکت شعاعی لایه پلاسما در فاز تنگش می‌باشد.[۱۶]
تغییرات سرعت برای هر یون در طول شتاب در تنگش:
(۲-۳)
و با توجه به معادله ماکسول: