رساله حاضر حاصل کار پژوهشی است که به منظور بررسی امکان تولید پالس های سولیتونی توسط مولدهای مایکروویو انجام پذیرفته است. ویژگی های منحصر به فرد چنین پالس هایی همراه با کاربردهای ارزشمندی که برای پالس های مایکروویو سولیتونی قابل پیش بینی است، توجیه کننده لزوم انجام این فعالیت بوده است. بر این اساس، لازم بود که نظریه پالس های سولیتونی و معادلات دیفرانسیل پاره ای غیرخطی پشتیبان چنین پالس هایی مطالعه و بررسی شود. نتایج حاصل از کار در فصل اول رساله منعکس شده است. در بخش های مختلف این فصل، ضمن معرفی مفهوم و خاستگاه پالس های سولیتونی، ابزارهای تحلیل نظری آنها نیز معرفی می شود. بعضی از مهم ترین معادلات حاوی پاسخ های سولیتونی، نحوه استخراج آنها از مسایل واقعی فیزیکی به همراه روش های کلی تحلیل آنها در بخش های مختلف این فصل ارایه شده است. حل بعضی از این معادلات نیز به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است. محیط فعال تولید پالس های مایکروویو پلاسما و عمدتا پلاسمای غیرخنثاست. در فصل دوم، معادلات دیفرانسیل حاوی پاسخ های سولیتونی در محیط های پلاسما مورد بررسی قرار گرفته است. در این فصل، روابط حاکم بر پلاسما، نحوه استخراج معادلات و مفاهیم فیزیکی آنها، روش های حل این معادلات و استخراج پاسخ های سولیتونی و رفتار این پاسخ ها تحلیل شده است. در این فصل، مروری نیز بر معدود مقالات موجود با موضوع تولید پالس های سولیتونی مایکروویو صورت گرفته است. عملکرد غیرخطی محیط انتشار لازمه اصلی بروز پالس های سولیتونی است. لذا پیش فرض بزرگی دامنه پالس نامزدهای بررسی وقوع چنین پالس هایی در بین اقسام مختلف لامپ های مولد مایکروویو را تعیین می کند. در فصل سوم مروری بر ویژگی های یکی از جدیدترین مولدهای پرقدرت مایکروویو انجام پدیرفته است. همانند بسیاری از مولدهای مایکروویو دیگر، برای این مولد نیز تاکنون تحلیل نظری کاملی ارایه نشده است، ولی مطالب و تحلیل های ارایه شده در این فصل، مطمئنا، کمک موثری برای درک محتوای فصول بعد خواهد بود. در انتهای این فصل، مرور متون پشتوانه زمینه مورد بررسی پایان می یابد و از فصل چهارم ارایه دستاوردهای پژوهش حاضر آغاز می شود. در فصل چهارم، تحلیلی مبتنی بر ادغام معادلات حرکت در پلاسما و معادلات ماکسول درون ساختار هندسی عمومی مولد های مایکروویو ارایه می شود. این تحلیل در نهایت منجر به یک معادله دیفرانسیل غیرخطی می شود که می تواند در شرایطی پاسخی سولیتونی ارایه دهد. این اثبات برای نخستین بار با استفاده از نظریه سیالی پلاسما انجام می پذیرد و نشان می دهد که تولید سولیتون توسط مولدهای مایکروویو امکان پذیر است. با توجه به مدل عام به کار رفته در این کار، نتایج تحلیل قابل تعمیم به مولدهای مختلف است. در فصل پنجم جزییات شبیه سازی مگنترون نسبیتی a6 تشریح و دو ساختار جدید از این مگنترون ارایه می شوند. نتایج شبیه سازی و تحلیل های نظری در خصوص این دو ساختار نشان می دهند که این ساختارها می توانند ویژگی های ارزشمندی را حائز باشند. در یکی از این ساختارها حفره های تشدید تا عمق معینی از عایق مشخصی پر می شود و در ساختار دوم، لایه هایی از نیمه هادی در مکان های مشخصی بر روی پره های مگنترون قرار داده می شوند. در فصل ششم نیز چهار ساختار هندسی و الکتریکی مختلف با استفاده از پوشش لایه عایق بر روی صفحه نگه دارنده آند در مولد مایکروویو بحث شده در فصل سوم ارایه شده است. نشان داده شده است که این ساختارها به نحو قابل ملاحظه ای بازده و توان خروجی افزاره را افزایش می دهند. در این فصل، تحلیل نظری مبتنی بر نتایج شبیه سازی برای توجیه نتایج مشاهده شده نیز ارایه شده است.

تحلیل گاز به دلیل کاربردهای فراوان و متنوع از اهمیت بالایی برخوردار است. کنترل کیفیت مواد غذایی و محصولات کشاورزی، تشخیص بیماری ها، پایش آلودگی های محیطی، تشخیص مواد منفجره و مواد شیمیایی سمی، تحلیل محصولات پتروشیمی، تشخیص آتش سوزی و شامه مصنوعی از جمله این کاربردها هستند. سامانه های کروماتوگرافی گاز و طیف نگاری جرمی از حدود 60 سال پیش برای تحلیل گاز مورد استفاده قرار می گیرند و اخیرا با استفاده از حسگرهای گاز نیمه هادی سامانه هایی تحت عنوان “بینی الکترونیکی” برای این کار توسعه یافته اند. سامانه های کروماتوگرافی-طیف نگاری به دلیل حجم زیاد و قیمت بالا برای بسیاری از کاربردهای فوق مناسب نیستند. سامانه های بینی الکترونیکی نیز از رانش حسگرها رنج می برند. با وجود تلاش هایی که برای کوچک سازی سامانه های کروماتوگرافی-طیف نگاری و بهبود عملکرد سامانه های بینی الکترونیکی انجام شده است، همچنان نیاز به یک سامانه تحلیل گر گاز با قیمت مناسب و اندازه کوچک بی جواب مانده است. در کار حاضر، فرآیند نفوذ و جذب ملکول های گاز در لوله های مایکروفلوئیدیک مورد بررسی قرار گرفته از نتایج حاصل برای تحلیل گازها استفاده شده است. این کار با استفاده از یک “حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ” انجام می گیرد: نمونه ی گاز مورد نظر به صورت آنی به ابتدای لوله اعمال می شود و پاسخ حسگر گاز به صورت تغییرات زمانی تراکم گاز در انتهای لوله ثبت می شود. به دلیل تفاوت در ضرایب نفوذ و جذب، الگوهای متفاوتی برای گازهای مختلف حاصل می شود. با استفاده از اطلاعات متمایز کننده ای که از الگوهای ثبت شده استخراج می شود، نوع گاز و ترکیب مخلوط های گازی تعیین می گردد. نمونه های مختلفی از حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ طراحی و ساخته شد. مدلی برای پیش بینی پاسخ های گذرای حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ به گازهای خالص و مخلوط های گازی به دست آمد. با شبیه سازی این مدل، اثر پارامترهای مختلف، چون ابعاد لوله، جنس لوله، نوع گاز و تراکم گاز بر تفاوت پاسخ های ناشی از گازهای مختلف بررسی شد. از نتایج حاصل برای اصلاح ساختار حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ و بهبود عملکرد آن استفاده شد. آزمایش های متعددی برای ارزیابی عملکرد حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ انجام شد. از مدل نفوذ-جذب، روش های کلاسیک شناسایی الگو و یک روش ابداعی مبتنی بر خطی سازی پاسخ ها برای تحلیل نتایج آزمایش ها استفاده گردید. در نهایت امکان تشخیص 24 گاز خالص و تعیین نسبت برخی از مخلوط های دوتایی و سه تایی آنها با استفاده از سامانه ساخته شده نمایش داده شد. در قسمت آخر نیز منابع خطا شناسایی شده تاثیر آنها به صورت تئوری و عملی بررسی گردید. حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ به دلیل قیمت مناسب و ابعاد کوچک گزینه مناسبی برای تحلیل گاز است. این سلول حسگری، به همراه یک سامانه اعمال گاز، به صورت یک بینی الکترونیکی قابل استفاده می باشد.

در این پروژه یک کانال میکروفلوئیدیک به همراه یک حسگر گاز اکسید قلع بر روی زیرپایه ای از جنس pmma(polymethyl methacrylate) و با هدف ساختن یک تحلیلگر گاز مینیاتوری، مجتمع سازی شده است. گاز هدف با نفوذ در کانال بر روی حسگر گاز نصب شده در میکروکاواکِ واقع در انتهای کانال، اثر می گذارد. نرخ نفوذ گاز در کانال به ضریب نفوذ آن در هوا و اندرکنش مولکول های آن با دیوارهای کانال وابسته است. اطلاعاتی مرتبط با نوع گاز هدف، از پاسخ های گذرای دریافت شده از حسگر استخراج می-شود. این اطلاعات قابل نمایش در یک فضای ویژگی سه بعدی می باشند و دسته بندی گازهای هدف را ممکن می سازند. بر اساس نتایج آزمایشگاهی مشخص گردید که سامانه ی ساخته شده بر اساس یک کانال میکروفلوئیدیک با ابعاد 80 ?m x 3 mm x 50 mm توانایی تشخیص تمام گازهای تک جزئی اعمال شده به آن را دارد، این قابلیت دستگاه با جداسازی چهار ایزومر بوتانول از یکدیگر به اثبات رسیدی. همچنین نشان داده شد این افزار قابلیت تحلیل برخی مخلوط های گازی دو جزئی را دارد، از این نوع، مخلوط دو جزئی 1-بوتانول و 2-بوتانول است در این مورد قابلیت آن با تشخیص 15 ppm گاز 2-بوتانول در هوای آلوده شده به 1500 ppm گاز 1-بوتانول به نمایش در آمد که نشان از موفقیت سامانه ی میکروفلوئیدیک ساخته شده در تمیز دادن تمامی ترکیبات تک جزئی و مخلوط های گازی مورد آزمایش است. تحلیلگر گاز ساخته شده بادوام، ارزان، قابل حمل و مناسب برای بسیاری از کاربردهاست.

تجزیه و تعیین ترکیب نمونه های مایع به دلیل کاربردهای فراوان و متنوع از اهمیت بالایی برخوردار است. کنترل کیفیت مواد غذایی و محصولات کشاورزی، تشخیص بیماری ها، پایش آلودگی ها در آب شهر، تشخیص مواد شیمیایی سمی، و چشایی مصنوعی از جمله این کاربردها هستند. غالب روشهای شناسایی در ملأ مایع مبتنی بر روشهای الکتروشیمیایی است که در آنها از الکترودهای مرجع حاوی محلول های استاندارد استفاده می شود. در این روشها، یون های درون مایع مطالعه و بررسی می شود. یون ها نقش اصلی را در تولید مزه های اصلی ترشی و شوری دارند که، به ترتیب، از تأثیر کاتیون h+ و کاتیون های فلزات قلیایی مانند na+ و k+ بر گیرنده های شیمیایی روی زبان نشأت می گیرند. از طرفی قندها نیز، که عامل اصلی طعم شیرین هستند، تحت تأثیر محلول بازهای قوی مانند koh تولید یون هایی مانند یون گلوکونیک می کنند. از سال 1996 از عنوان “زبان الکترونیکی” برای ادوات الکترونیکی شناسایی مزه ها استفاده می شود، لیکن هنوز هم این ادوات، در اساس، از روشهای الکتروشیمیایی بهره می گیرند. شرایط حساس نگهداری و کار با الکترودهای مرجع، عمومی شدن استفاده از زبان الکترونیکی را دچار چالش کرده است و از تلاش برای یافتن روشهای جایگزین تاکنون نتیجه کارایی عاید نشده است. در کار حاضر، فرآیند نفوذ و جذب یون های محلول در نمونه های مایع در کانال های میکروفلوئیدیک مورد بررسی قرار گرفته از نتایج حاصل برای تشخیص یون ها استفاده می شود. کانال های میکروفلوئیدیک بکار رفته در این کار به دو دسته "عمودی" و "افقی" قابل تقسیم می باشند. در کانال های عمودی، نمونه ی الکترولیت به صورت ناگهانی به ورودی کانال پر از آب خالص اعمال و پاسخ کانال به صورت تغییرات زمانی هدایت الکتریکی کانال ثبت می شود. نشان داده می شود که این تغییر هدایت ناشی از تغییر تدریجی تراکم یون ها در طول کانال است که خود نتیجه نفوذ یون ها به درون کانال می باشد. به دلیل تفاوت در ضرایب نفوذ و جذب یون های متفاوت، الگوهای متفاوتی از تغییر زمانی هدایت کانال برای آنالیت های مختلف حاصل می شود. سپس، با استفاده از اطلاعات متمایز کننده ای که از الگوهای ثبت شده استخراج می شود، سعی در تعیین یون های حاضر در آن می گردد. در کانال های افقی، ابتدا کانال با نمونه الکترولیت پر می شود. سپس، پاسخ کانال، به مانند قبل، به صورت تغییرات زمانی هدایت الکتریکی کانال ثبت می شود. در کانالهای افقی، تغییر (کاهش) هدایت الکتریکی ناشی از جذب تدریجی یون های حاضر در آنالیت به دیواره کانال است. نمونه های مختلفی از کانال های عمودی و افقی طراحی و ساخته می شود. از کانال های عمودی در شناسایی الکترولیت ها و از کانال های افقی، در شناسایی الکترولیت ها و قندها استفاده می گردد. مدلی برای پیش بینی پاسخ های گذرای کانال های عمودی ارائه می شود که با شبیه سازی آن اثر پارامترهای مختلف، چون ابعاد لوله، جنس کانال، نوع و تراکم آنالیت بر تفاوت پاسخ ها بیان می شود. از نتایج حاصل برای اصلاح ساختار کانال ها و بهبود عملکرد آنها استفاده می شود. از پیش بینی های این مدل و روش های کلاسیک شناسایی الگو برای تحلیل پاسخ های کانال های عمودی استفاده می گردد. بر همین اساس، با انتخاب ترکیب مناسبی از کانال های عمودی، دسته بندی الکترولیت های مختلف امکان پذیر می شود. به صورت مشابه، روش های کلاسیک شناسایی الگو برای تحلیل نتایج حاصل از کانال افقی در خصوص محلول های حاوی قندهای مختلف به کار گرفته شده نشان داده می شود که اطلاعات حاصل از یک کانال برای تمیز دادن برخی از قندها از یکدیگر کافی است. نتیجه برجسته در این خصوص، تمییز دو نوع مونوساکارید از هم و دو نوع دی ساکارید از هم می باشد. مدارهای میکروفلوئیدیک ساخته شده به دلیل قیمت مناسب، ابعاد کوچک و عدم نیاز به الکترودهای مرجع گزینه مناسبی برای تحلیل یون ها و مزه های ناشی از آنها هستند. ترکیب مناسبی از این کانال ها، به عنوان یک زبان الکترونیکی قابل استفاده می باشد.