سیستم های پلاسمای کانونی به عنوان دستگاه قدرتمند تولید پلاسما با طول عمر کوتاه، دما و چگالی بالا برای تولید سه ذره اصلی، نوترون های پر سرعت ناشی از واکنش های همجوشی هسته ای دوتریوم، پرتوهای ایکس قوی ناشی از برهمکنش گازهای کاری با آند در اتاقک تخلیه و ذرات بار دار پر انرژی مثل یون ها و الکترون های داغ، شناخته شده اند. در این سیستم ها با تخلیه یک جریان الکتریکی از مرتبه مگا آمپر در یک گاز، ستون متراکمی از پلاسما با چگالی و دمای بالا تولید شده و نهایتا پرتوهای مختلف از ناحیه تنگش گسیل می شوند. در این پروژه از دو راه به بررسی اشعه ایکس گسیلی از دستگاه پلاسمای کانونی پرداخته ایم. نخست مطالعه نسبی روی گسیل اشعه ایکس با گازهای کاری نیتروژن، اکسیژن و آرگون در شرایط مختلف انجام شده است. این بررسی مستقیما بر روی تصاویر گرفته شده با دوربین روزنه سوزنی انجام شده و رابطه بین تغییر طول و عرض تنگش با افزایش ولتاژ و هم چنین عدداتمی بررسی شده است. و همچنین رابطه ما بین زمان ماکزیمم جریان و زمان تابش اشعه ایکس برای این سه گاز مورد بررسی قرار گرفته است. که در نهایت برای هر گازی بهینه تابش اشعه ایکس در یک فشار و ولتاژ مشخص بدست آمده است. از میان ناپایداری ها، ناپایدارهای های سوسیسی مشاهده شده در آزمایشات نیز بررسی شده اند. و در روش دوم برای دستیابی به اطلاعات چشمه از تصاویر حاصل از دوربین روزنه سوزنی از اپتیک فوریه در پردازش تصویر استفاده می شود. تکنیکی که برای پردازش تصاویر گرفته شده از دوربین روزنه سوزنی استفاده می شود، تکنیک نیم سایه خوانی نام دارد. مناطق داغ پلاسماها و جهت حرکت آنها با استفاده از این روش تعیین می شود.

دستگاه پلاسمای کانونی (pf) علاوه بر اینکه منبع قوی برای تولید نوترون و اشعه x است یک منبع شناخته شده برای تولید باریکه‏های یون پرانرژی با انرژی‏های چندین kev و بالاتر می‏باشد. علاوه بر مفید بودن pf در تحقیقات همجوشی و یا مطالعات پلاسما، پیشنهادهای متعددی برای استفاده از تابش الکترومغناطیسی یا باریکه ذرات پر انرژی ایجاد شده در دستگاه pf برای کاربردهای تکنولوژیکی وجود دارد. به منظور بررسی این فرایندهای تکنولوژیکی بدست آوردن اطلاعات قابل اعتماد از طیف انرژی و شار یون و دمای پلاسمای مربوطه مورد نیاز است. در این پایان‏نامه گسیل یون‏های آرگون از دستگاه پلاسمای کانونی سهند بررسی شده است. و از فنجان فارادی دو سر باز برای آشکار کردن یون‏های آرگون استفاده شده است. روشی برای تحلیل و مشابه سازی سیگنال‏های فنجان فارادی پویا با بایاس صفر بدست آورده شد و با استفاده از برازش، نتایج با سیگنال‏های تجربی شار یون‏های آرگون تولید شده در تنگش مورد سنجش قرار گرفته است. همچنین شار یون‏های مورد نظر با استفاده از طیف انرژی سیگنال‏های فنجان فارادی بدست آورده شده و با مقدار متناظر بدست آمده از روش مشابه سازی شده فنجان فارادی پویا مقایسه شده است و همخوانی معنی‏داری مشاهده گردیده است. شار و دمای یون‏های آرگون پر انرژی با استفاده از فنجان فارادی استاتیک بدست آمده است

دستگاه پلاسمای کانونی، به لحاظ خصوصیات منحصربفرد خود، خواستگاه انجام آزمایشات و مطالعات فراوانی در سالهای اخیر برای استفاده در دستیابی به انرژی همجوشی هسته ای بوده است. با توجه به وجود تابشهای قوی اشعه ایکس و میدانهای مغناطیسی خود تولیدی در ناحیه تنگش، وجود پیکربندی هایی با نام نواحی داغ که جایگاه اصلی انجام واکنش های گرما هسته ای می باشند به اثبات رسیده است و مطالعاتی برای آشکار سازی خصوصیات آنها انجام گرفته است. در این راستا مطالعه دقیق دستگاه پلاسمای کانونی چه از لحاظ تئوری و چه عملی حائز اهمیت می باشد. از آنجا که مطالعه دینامیک پلاسمای موجود در این سیستم از لحاظ تجربی با محدودیت های مختلفی همراه است، لذا لزوم شبیه سازی این سیستم و مطالعه عددی پلاسما در ناحیه تنگش دارای اهمیت وافری است. به همین منظور در این پروژه به مطالعه خصوصیات نواحی داغ و همچنین استخراج معادلات توصیفگر پلاسما و تحولات زمانی و مکانی آن پرداخته شده است. همچنین روشهای مختلف ایجاد میدان های مغناطیسی خود تولید در این سیستم مورد مطالعه قرار گرفته و رابطه ای کلی برای تخمین میدان مغناطیسی با استفاده از قانون اهم تعمیم یافته استخراج شده است. سپس یک کد کامپیوتری سه بعدی جهت کسسته سازی معادلات و شبیه سازی پلاسما با استفاده از روش المان محدود نگارش یافته است. لازم بذکر است که در نوشتن این کد از زبان برنامه نویسی فرترن استفاده شده است. با استفاده از این کد کلیه خصوصیات پلاسما از جمله چگالی، دما، سرعت و همچنین تشکیل میدان های مغناطیسی خود بخودی که از مهمترین عوامل تشکیل نقاط داغ می باشند در طول زمان محاسبه شده و مورد بررسی قرار گرفته اند.

. مدلهای ارائه شده برای مطالعه پلاسما در دستگاه پلاسمای کانونی نیز مطالعه شده است. در قسمت اول این پایان نامه بعد از مطالعه دستگاه پلاسما کانونی سهند، دیاگنوستیک هایی که مورد استفاده قرار گرفته شده است، بررسی شده است. برای مطالعه دینامیک لایه جریان در سه بعد، پیچه روگوفسکی و پروب مغناطیسی سه بعدی استفاده شده است. در ادامه این پایان نامه سرعت لایه جریان بطور تجربی مطالعه شده است. با توجه به اینکه لبه آند یکی از مهمترین مکان ها برای مطالعه دینامیک لایه جریان می باشد، سرعت لایه جریان در این مکان بررسی قرار گرفته است. برای مطالعه تاثیر نوع گاز بر سرعت لایه جریان، از گازهای آرگون، اکسیژن و نیتروژن بعنوان گاز کاری استفاده کردیم. در این آرایش آزمایشگاهی 12 الی 17 کیلوولت بعنوان ولتاژ کاری استفاده شده است. برای مطالعه اثر فشار بر سرعت لایه جریان، دستگاه پلاسمای کانونی را با فشارهای 25/0 و 5/0 تور بکار بردیم. با افزایش فشار گاز کاری سرعت لایه جریان در هر دو فاز محوری و شعاعی کاهش می یابد.

مساله شتابگیری ذرات باردار توسط امواج یک مساله اساسی در فیزیک پلاسما می باشد. پیشرفت های اخیر در ساخت لیزرهای توان بالا، امکان بررسی نظری و تجربی تولید امواج با سرعت فاز بزرگ وشتابدهی ذرات توسط این امواج را تا صدها مگاالکترون ولت انرژی فراهم کرده است. امواج صفیری، امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بسیار پایین هستند که در طول خطوط میدان مغناطیسی در مگنتوسفر زمین منتشر می شوند. برای این منظور در این پروژه، ابتدا درباره انواع مکانیسم های تولید میدان های مغناطیسی، از جمله اثر فاراده، اثر فاراده ی معکوس و ... بحث کرده ایم. در ادامه از آنجاییکه در حضور میدانهای مغناطیسی بسیار بالا، شتاب دهی توسط امواج آلفن دارای اهمیت زیادی می باشد، مساله شتابدهی الکترون ها توسط امواج آلفن را مطرح کرده ایم و نشان داده ایم که مولفه ای از میدان الکتریکی که در امتداد میدان مغناطیسی می باشد، باعث شتابدهی الکترون می شود. به همین ترتیب، به دلیل اهمیت شتابدهی الکترونها توسط امواج صفیری در حضور میدانهای مغناطیسی پایین، مساله شتابدهی الکترونها توسط این امواج (امواج صفیری) را مورد بحث قرار داده ایم، و همچنین انرژی جنبشی الکترونها در طی فرآیند شتابدهی را هم در نمایه گاوسی و هم در نمایه لورنتسی محاسبه، و نتایج حاصله را در قالب نمودارهایی مورد بررسی قرار داده ایم. از بررسی نمودارهای مربوطه در هر دو نمایه، همانطور که انتظار داشتیم، افزایش انرژی جنبشی الکترونها در طی فرآیند شتاب دهی توسط امواج صفیری، تا انرژی های بسیار بالا در محدوده مگا الکترون ولت و بیشتر را بدست آوردیم.