م داده اند:
1- طراحی جدید سیستم ریختن dust به سیستم.
2- قابلیت تبدیل شدن به سیستمی با دو صفحه داغ.
3- مگنت با هسته خنک شونده که اطمینان خوبی برای کار با سیستم به ما می دهد.
4- سیستم خلاء پنوماتیک.
5- یک پروب با قابلیت حرکت برای اندازه گیری های محوری.
اکنون شرح جامعی از نحوه تولید پلاسما به این روش بیان می شود.
2-2 توصیف کلی Q-Machine
یونها در دستگاه Q-Machine به وسیله تماس یون ساز یا به عبارتی جدا شدن یک الکترون از هر اتم در برخورد با صفحه فلزی بسیار داغ تولید می شوند.
این فرایند در سال 1925 توسط Langmuir وKingdon کشف شد. آنها متوجه شدند که ضریب یونیزاسیون در این فرایند تقریبا 100% است. این اتفاق زمانی رخ می دهد که تابع کار صفحه فلزی از پتانسیل یونیزاسیون اتم بیشتر باشد.
از جدول تناوبی عناصر می توان این نکته را دریافت که فلزات قلیایی کمترین پتانسیل یونیزاسیون و بیشترین ضریب یو نیزه شدن را دارند. البته اتم های قلیایی در دمای اتاق یو نیزه نخواهند شد و جذب سطحی آنها توسط فلز باعث کاهش تابع کار فلز خواهد شد.
برای یک سطح فلزی تمیز، حرارتی در حدود C?900 مورد نیاز است تا یونیزاسیون شروع شود. اما میزان یو نیزه شدن اتم ها خیلی بالا نخواهد بود. برای تولید پلاسما، باید دما را تا حدود C?2000 بالا ببریم. در این دما سطح فلزی، الکترون های ناشی از گسیل گرما یو نی آزاد می کند.
صفحه فلزی می تواند از جنس تنگستن یا تانتالیوم باشد.
ساخت دستگاه Q-Machine تاثیر به سزایی در مطالعه مبدل های گرمایونی داشت. این وسیله می توانست ایده ی خوبی برای تولید مستقیم الکتریسیته از گرما باشد. این کار می تواند به وسیله یک زوج صفحه که در نزدیکی هم قرار دارند صورت گیرد. یکی از آنها باید داغ و دیگری سرد باشد.گسیل گرما یو نی از صفحه داغ به طرف صفحه سرد در صورتی که آنها به یک مدار خارجی متصل باشند، عامل ایجاد جریان می گردد.
اگر چه در Q-Machine اغلب از دو صفحه و بمباران آنها توسط اتم های قلیایی استفاده می شود، اما تفاوتهای زیادی بین این سیستم و مبدل گرما یونی وجود دارد.
دو گروهی که بر روی ساخت Q-Machine کار کردند دو نوع سیستم متفاوت طراحی کردند.
طراحی صورت گرفته توسط گروه پرینستون (شکل 2-1)، که بر روی مطالعه محصور سازی پلاسما متمرکز شده بودند، بر اساس برخورد باریکه ای از اتم ها بر سطح یک یا دو صفحه داغ، شکل گرفته بود.
شکل2-1 طرح اولیه ساخته شده توسط گرو پرینستون- [1]
این اختراع توسط W.Hooke پیشنهاد شد. در این سیستم با خنک سازی مناسب دیواره ها فشار بخار سدیم تا torr7-10 (T<0oC) کاهش می یابد.
چگالی یونها از cm-3109 تا cm-3 1012 است،که به یونیزاسیون 25% تا 99% منجر خواهد شد.
در این سیستم میانگین مسافت آزاد برای یون – اتم بیش از 1متر و حتی برای الکترون – اتم بیش از این می باشد. دمای الکترونها و یونها قابل مقایسه با هم است اما لزوما با دمای صفحه یکسان نخواهد بود.
شکل 2-2 طرح گروه پرینستون را نشان می دهد. در این طرح از مگنت هایی که بوسیله آب خنک می شوند برای تولید میدان مغناطیسی تا KG8 در قطر cm25 و طول m3/1 استفاده شده است.
شکل 2-2 نخستین Q-machine ساخته شده در پرینستون ] [1.
یک طرح ساده تر از Q-Machine در آزمایشگاه تحقیقاتی Hughes برای مطالعه باز ترکیب حجمی ساخته شد.
در این طرح به جای استفاده از بمباران صفحه داغ از یک مخزن فلز قلیایی و تبخیر آن استفاده شده است.
محفظه خلا شیشه ای، طول کوتاه ستون پلاسما و یک صفحه کوچک از جنس تانتالیوم که توسط بمباران الکترون ها، ناشی از فیلامانی که در انتهای ستون پلاسما قرار دارد، یک طرح ارزان قیمت را تشکیل می دادند.
حد اکثر میدان مغناطیسیkG 5/1و بوسیله یک سیم پیچ تولید می شود.
میدان مغناطیسی پاره ای در این سیستم فقط یونها را محصور می کند. که قاعدتا توسط یک میدان الکترواستا تیکی این محصورسازی به صورت شعاعی صورت خواهد گرفت.
این وسیله تنها می تواند تعداد محدودی از آزمایشات را پشتیبانی کند. اما می تواند در آزمایشگاه های دانشجویی وسیله مفیدی باشد.

شکل2-3 یک طرح ساده تر از Q-Machine در آزمایشگاه تحقیقاتی Hughes [1].
هر دو نوع Q-Machine مطرح شده می تواند هم به صورت یک صفحه ای و هم به صورت دو صفحه ای ساخته شوند.
در صورتی که از یک صفحه داغ استفاده شود، ستون پلاسما در طول یک میدان خطی تا صفحه سرد با سرعتی در حدود(و یا بیشتر از) سرعت گرمایی شارش می کند. زمان محصورسازی به اندازه فاصله زمانی بین صفحه های داغ و سرد است. در حالتی که از دو صفحه داغ استفاده می شود، یونها ممکن است بارها بین دو صفحه حرکت کنند و تا زمانی که از بین می روند مدت بیشتری به صورت یون وجود داشته باشند.
موفقیت نمونه های نخستین ساخته شده باعث شد آزمایشگاه های تحقیقاتی پلاسما به سرعت نمونه های دیگری از این دستگاه را، برای مطالعه محصورسازی پلاسما، طراحی و اجرا کنند.
مراکز متعددی نظیر دانشگاههای Stanford, Columbia در آمریکا و مرکز Novosibirsk در اتحاد جماهیر شوروی سابق نمونه های بعدی از این دستگاه را ساختند. همچنین Q-Machine برای مطالعه امواج و ناپایداری آنها در Ecole polytechnique در فرانسه طراحی و ساخته شد. برای مطالعه و تحقیق در زمینه فیزیک پلاسما Q-Machine ویژگی های خاصی دارد.
نخست آنکه امکان فراهم ساختن یک پلاسما با درجه یونیزاسیون بالا وجود دارد (بالاتر از 90%). دوم آنکه در غیاب یک زمینه چگال از اتم ها، امکان انجام آزمایشهای متنوعی با موضوع پخش پلاسما و امواج پلاسما بدون نگرانی از پیچیدگی های وجود ذرات باردار و برخورد با اتم ها فراهم می شود. دیگر آنکه حالت پایدار این دستگاه برای ما اجازه استفاده برخی تکنیک ها را فراهم می کند.
تعیین فاز امواج یون صوتی و یا سایر آشفتگی های القا شده در پلاسما می تواند نسبتsignal/noise را در یک آزمایش نشان دهد. در نهایت دمای پایین پلاسمای تولید شده و ظرفیت گرمایی پایین اتم های قلیایی به ما اجازه وارد کردن پروب و یا شبکه را درون پلاسما می دهد. با این ابزار ساده می توان اندازه گیری های اولیه از دمای پلاسما و چگالی آن، مرور جزئیات خواص حالت پایدار و ناپایدار، تحریک و شناسایی امواج، پایداری ها و نا پایداری ها را در ستون پلاسما انجام داد.
2-3 سهم Q-Machine در تحقیقات
مهمترین کارهایی که با توسعه Q-Machine انجام گرفت تحقیقات در زمینه همجوشی کنترل شده در پلاسمای محصور شده با فشار پایین(NKT<<B2) و همچنین مطالعه جزئیات امواج بود. شماری از گروه ها اهمیت تقارن در ستون پلاسما برای محدود سازی آن را به وضوح نشان دادند. برای چنین امری لازم است که سطوح هم پتانسیل پلاسما بوسیله صفحه داغ بسته شوند. یونها که در ستون پلاسما سوق پیدا می کنند به خوبی محصور می شوند. اهمیت این نکات در تحقیقات اولیه و قبل از ساخت Q-Machine روشن نشده بود. عدم تقارن در دمای صفحه داغ و یا ناپایداری های فرکانس پایین می تواند تقارن در پلاسما را از بین ببرد و یا حتی منجر به جریانهای همرفتی در پلاسما شود.
ناپایداری های سوقی که باعث از دست رفتن پلاسما می شود را می توان با جزئیات خوبی در این سیستم مطالعه نمود. از دیگر کاربرد های مهم Q-Machine مطالعه امواج یون-صوتی با فرکانس پایین و اندازه گیری سرعت جذب امواج صوتی در پلاسمای غیر برخوردی است.
تکنیک اخیر بر مبنای اندازه گیری تابع توزیع سرعت یونها در حالت پایدار و اختلالی استوار است. یکی دیگر از بخش هایی که با توسعه Q-Machineبه آن پرداخته شد، فیزیک سطح و بازترکیب حجمی بود. بازترکیب سطحی که از روابط Langmuir-Saha پیروی می کند برای یونها و گاز درحال تعادل بر روی صفحه داغ نشان داده شد. همچنین گستره محدودی از پارامتر ها که در آن تئوری تعادلی بر پلاسما حاکم است مورد بحث قرار گرفته است.
توسعه Q-Machine سهم بسزایی در بررسی و تحقیق پلاسمایی داشت که عموما تا قبل از 1960 فرمول بندی شده بود و همچنین افق های جدیدی برای کار روی پلاسما به روی دانشمندان گشود.

بخش دوم
تئوری اساسی
2-4 یونیزاسیون تماسی Contact Ionization
یونها در پلاسمای Q-Machine از یک تماس که منجر به تولید یون می شود، بوجود می آید. این کار از طریق جذب الکترون های لایه ظرفیت یک اتم توسط صفحه فلزی انجام می شود. احتمال وقوع این حالت به تابع کار صفحه و پتانسیل یونیزاسیون اتم بستگی دارد.
یونیزاسیون زمانی رخ می دهد که تابع کار صفحه بیش از پتانسیل یونیزاسیون اتم باشد در این حالت در اثر برخورد اتم ها با سطح، دمای آنها با دمای صفحه تقریبا یکسان خواهد شد. اگر فرض تعادل گرمایی میان صفحه و اتم ها را فرض قابل قبولی بدانیم آنگاه می توان از رابطه Langmuir-Saha نسبت یونها به اتم ها را به صورت زیر نوشت:
(1)
که gi و go وزن آماری یون و اتم است wوT تابع کار و دمای صفحه فلزی وE پتانسیل یونیزاسیون اتم است. نسبت برای اتم های قلیایی حدود 5/0 است. در نتیجه احتمال یونیزاسیون به صورت رابطه 2 خواهد بود:
(2)
پتانسیل یونیزاسیون برای اتم های قلیایی پایین است، به همین دلیل آنها یک منبع مناسب برای کار هستند به عنوان مثال احتمال یونیزاسیون سزیم بر تنگستن(k2000T= وev87/3=E و ev52/4= W ) بیش از 93% است.
از دیگر ترکیبات مناسب برای یونیزاسیون ترکیب سزیم بر تانتا لیوم، پتاسیم بر تنگستن و سدیم، استرانتیم ، باریم و یا لیتیم بر رنیم می با شد. رابطه ای که خیلی