شماره ركورد
26009
شماره راهنما
NUC3 38
عنوان
شبيهسازي تغييرات ساختار فيزيكي دستگاه محصورسازي لختي الكتروستاتيكي (IEC) و پيش بيني زمان محصورسازي
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي هسته اي- گداخت
دانشكده
علوم و فناوري هاي نوين
تاريخ دفاع
1405/03/05
صفحه شمار
1
استاد راهنما
دكتر مهدي نصري نصرآبادي
كليدواژه فارسي
محصورسازي الكترواستاتيكي لختي، چاه پتانسيلي، پايه تغذيه، تبادل بار، تفنگ يوني، كد ذره در سلول، زمان محصورسازي
چكيده فارسي
در ميان روشهاي مختلف محصورسازي پلاسما، محصورسازي الكترواستاتيكي لختي (IEC) بهدليل ساختار ساده، هزينهي ساخت پايين و قابليت توليد نوترون در مقياس آزمايشگاهي، از جايگاه ويژهاي برخوردار است. با اين حال، عملكرد اين دستگاهها به شدت تحت تأثير پارامترهاي هندسي و عملياتي قرار دارد و زمان محصورسازي (CT) يونها بهعنوان معيار كليدي كارايي، همواره يكي از موانع اساسي در توسعهي اين فناوري بوده است. در پژوهشهاي پيشين، عواملي نظير عدم تقارن ميدان الكتريكي ناشي از پايهي تغذيه، اتلاف يونها بر اثر برخورد با گريدها و وابستگي شديد CT به فشار و ولتاژ، بهعنوان محدوديتهاي اصلي شناسايي شدهاند. اين رساله با هدف غلبه بر اين محدوديتها و ارائهي راهكارهاي ساختاري و عملياتي نوين براي بهبود چشمگير زمان محصورسازي تدوين گرديد. در اين تحقيق، شبيهسازيهاي جنبشي دو بعدي با استفاده از كد ذره در سلول (PIC) به همراه الگوريتم برخورد مونتكارلو (MCC) در نرمافزار XOOPIC انجام شده است. سطح مقطعهاي برخورد گاز آرگون شامل برخودهاي كشساني الكتروني، يونش، برانگيختگي، اتصال الكترون، كشساني يوني و تبادل بار، با استفاده از معادلات درونيابي دقيق در دو بستهي advisor و physics كد پيادهسازي شدند. هندسهي دستگاه شامل آندي با شعاع 50 سانتيمتر و كاتدهايي با شعاعهاي متغير 3 تا 25 سانتيمتر و تعداد حلقههاي متفاوت 4، 6 و 8 در نظر گرفته شد. شبيهسازيها در محدودهي فشار 2-10 تا 7-10 تور و ولتاژهاي 80‑ تا 250‑ كيلوولت انجام شدند و تأثير افزودن تفنگ يوني، تغيير ضخامت ديالكتريك پايهي تغذيه از 5/2 تا 10 ميليمتر و مهمتر از همه، افزودن پايهي تغذيهي دوم در مقابل پايهي اول بهعنوان يك راهكار نوآورانه براي كاهش عدم تقارن ميدان الكتريكي، بهصورت سيستماتيك بررسي گرديد. اعتبارسنجي نتايج با مقايسهي مستقيم با دادههاي تجربي و شبيهسازيهاي پيشين مكگوير، ديتريچ و كرت انجام شد كه تطابق بسيار خوبي را نشان داد. نتايج شبيهسازي نشان داند كه افزايش تعداد حلقههاي كاتد از 4 به 8، عليرغم عميقتر شدن چاه پتانسيل (از 24830‑ به 24990‑ ولت)، بهدليل كاهش شفافيت هندسي از 70٪ به كمتر از 55٪، موجب كاهش CT از 7/131 به 4/116 ميكروثانيه (٪ 6/11 كاهش) در فشار 8 ميليتور ميشود، در حالي كه افزايش شعاع كاتد از 5 به 5/17 سانتيمتر، ميدان الكتريكي را از 5-10×847/2 به 5-10×653/2 ولت بر متر افزايش داده و CT را از 2/431 به 2/944 ميكروثانيه (بيش از 119٪ افزايش) ارتقا ميدهد. افزودن تفنگ يوني در فشار 10 ميليتور، CT را براي كاتد 4 حلقهاي از 130 به 5/200 ميكروثانيه (52٪ افزايش) رساند، هرچند در فشارهاي پايينتر (4-10 تور) اين تأثير به دليل غلبهي عدم تقارن ميدان، به كمتر از 20٪ كاهش يافت. اما مهمترين دستاورد اين پژوهش، معرفي پايهي تغذيهي دوم است كه در فشار 4-10 تور و با كاتد 4 حلقهاي، CT را از 48/24 به 6/182 ميكروثانيه (افزايش 5/7 برابري) و در يك دستگاه پنجگريدي با گاز هليوم، در فشارهاي معكوس 5000، 10000 و 20000 (ميليبار/1)، CT را بهترتيب از 4/19، 6/43 و 1/92 ميكروثانيه به 2/87، 8/104 و 4/139 ميكروثانيه افزايش داد. همچنين كاهش فشار از 2-10 به 7-10 تور در ولتاژ 80‑ كيلوولت، CT را از 17/50 به 1536 ميكروثانيه (30 برابر) رساند و در ولتاژ 250‑ كيلوولت و فشار 7-10 تور، حداكثر CT معادل 14570 ميكروثانيه (بيش از 14٫5 ميليثانيه) بهدست آمد كه در مقايسه با حالت پايه، افزايشي نزديك به 300 برابر را نشان ميدهد و بهمراتب بالاتر از تمامي يافتههاي قبلي است. تحليل نمايهي ذرات نيز نشان داد كه كاهش فشار، انرژي جنبشي يونها را از چند صد الكترونولت به بيش از 1 كيلوالكترونولت افزايش داده و با كاهش برخوردهاي تبادل بار، چگالي يونهاي محصور را بهبود ميبخشد. در مجموع، اين پژوهش براي اولين بار اثبات ميكند كه تركيب بهينهي اصلاحات ساختاري (پايهي تغذيهي دوم، كاتد با شعاع بهينه و 4 حلقهاي)، افزايش ولتاژ تا 250‑ كيلوولت و كاهش فشار تا 7-10 تور، ميتواند زمان محصورسازي را از مرتبهي چند ده ميكروثانيه به بيش از 14 ميليثانيه افزايش دهد. اين دستاورد، گامي اساسي در جهت افزايش كارايي دستگاههاي IEC براي كاربردهاي همجوشي هستهاي، توليد نوترون و منابع پلاسماي فشرده محسوب ميشود و مسير روشني براي طراحي نسل جديد اين دستگاهها با عملكرد بالا ارائه ميدهد.
كليدواژه لاتين
Inertial Electrostatic Confinement, Potential Well, Feed-stalk, Charge Exchange, Ion Gun, Particle-in-Cell Code, Confinement Time
عنوان لاتين
Simulation of the Physical Structure Changes of Inertial Electrostatic Confinement (IEC) and Prediction of Confinement Time
گروه آموزشي
مهندسي هسته اي
چكيده لاتين
In this research, two-dimensional kinetic simulations were performed using the Particle-in-Cell (PIC) method coupled with the Monte Carlo Collision (MCC) algorithm within the XOOPIC code. Argon collision cross-sections—including elastic electron scattering, ionization, excitation, electron attachment, ion elastic scattering, and charge exchange—were implemented using precise interpolation equations within the `advisor` and `physics` packages of the code. The device geometry consisted of an anode with a radius of 50 cm and cathodes with variable radii (ranging from 3 to 25 cm) and varying numbers of rings (4, 6, and 8). Simulations were conducted across a pressure range of 10⁻² to 10⁻⁷ Torr and voltages from -80 to -250 kV. The systematic investigation included the effects of an ion gun, variation in dielectric thickness (from 2.5 to 10 mm), and most importantly, the innovative addition of a second feed-stalk positioned opposite the first to mitigate field asymmetry. Validation was rigorously performed through direct comparison with the experimental and simulation data of McGuire, Dietrich, and Kurt, demonstrating excellent agreement. The simulation results revealed that increasing the number of cathode rings from 4 to 8, despite deepening the potential well (from -24,830 to -24,990 V), reduced CT from 131.7 to 116.4 µs (an 11.6% decrease) at 8 mTorr due to the reduction in geometric transparency (from 70% to below 55%). Conversely, increasing the cathode radius from 5 to 17.5 cm enhanced the electric field from 2.847×10⁵ to 3.653×10⁵ V/m and increased CT from 431.2 to 944.2 µs (an increase of over 119%). Adding an ion gun at 10 mTorr raised the CT for a 4-ring cathode from approximately 130 to 200.5 µs (a 52% increase), although this effect diminished to below 20% at lower pressures (10⁻⁴ Torr) due to the dominant field asymmetry. However, the most significant achievement was the introduction of the second feed-stalk; at 10⁻⁴ Torr with a 4-ring cathode, it boosted CT from 24.48 to 182.6 µs (a 7.5-fold increase), and for 6- and 8-ring cathodes, CT increased from 23.93 and 23.61 µs to 168.3 and 131.2 µs, respectively. In a 5-grid helium device at inverse pressures of 5000, 10000, and 20000 (1/mbar), CT improved from 19.4, 43.6, and 92.1 µs to 87.2, 104.8, and 139.4 µs, respectively. Furthermore, reducing the pressure from 10⁻² to 10⁻⁷ Torr at -80 kV increased CT from 50.17 to 1536 µs (a 30-fold increase). The maximum CT of 14570 µs (over 14.5 milliseconds) was achieved at -250 kV and 10⁻⁷ Torr, representing an approximate 300-fold improvement compared to the baseline state—a value significantly surpassing all previously reported findings. Particle profile analysis also demonstrated that lowering pressure increases ion kinetic energy from several hundred eV to over 1 keV while reducing charge-exchange collisions, thereby enhancing the density of confined ions. In summary, this research conclusively demonstrates for the first time that by optimally combining structural modifications (a second feed-stalk, an optimized cathode with 4 rings and suitable radius), increasing voltage to -250 kV, and reducing pressure to 10⁻⁷ Torr, the confinement time can be elevated from a few tens of microseconds to over 14 milliseconds. This breakthrough represents a fundamental step toward enhancing the efficiency of IEC devices for nuclear fusion applications, neutron generation, and compact plasma sources, providing a clear pathway for the design of next-generation high-performance IEC devices.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
163433
نويسنده