جدول(۲-۱): پارامتر های واکنش هسته ای از هدفB₄C 34
جدول(۲-۲): پارامترهای مربوط به واکنش هسته ای هدفBN 35
جدول(۳-۱): رادیوایزوتوپ های قابل تولید در دستگاه پلاسمای کانونی ۵۱
جدول(۴-۱): مقادیر n گزارش شده در مراجع مختلف ۶۱
جدول(۴-۲): گزیده ای از طیف های دوترون در فشار۴mbar 68
جدول(۴-۳): گزیده ای از طیف های دوترون در فشار۶mbar 68
جدول(۴-۴): گزیده ای از طیف های دوترون در فشار۸mbar 68
جدول(۴-۵): انرژی ماکزیمم طیف ها با مقدار n متناسب با آن ۶۹
جدول(۴-۶): خصوصیات دستگاه های پلاسمای کانونی ۷۹
جدول(۴-۷): ویژگی پرتو دوترونی گسیل شده در دستگاه های پلاسمای کانونی متفاوت ۸۶
چکیده
بررسی و مطالعه شرایط بهینه تولید رادیوایزوتوپ های کوتاه عمر با بهره گرفتن از دستگاه پلاسمای کانونی موضوع مورد تحقیق پروژه حاضر است. رادیوایزوتوپ‌های کوتاه عمر که درپزشکی کاربرد دارند شامل:^۱۸F (110 دقیقه)؛ ^۱۳N (10دقیقه)؛ ^۱۵O (5/2 دقیقه)؛ ^۱۱C (20دقیقه) هستند. تکنیک تصویربرداری گسیل پوزیترونی با بهره گرفتن از این رادیوایزوتوپ ها مزایای گسترده ای نسبت به سایر روش ها دارد. برخی از کاربردهای آن عبارتند از : آشکارسازی بافت های سرطانی ، تعیین گسترش آن در بدن ، بررسی موثر بودن عمل درمان، تعیین بازگشت مجدد سرطان پس از عمل، تعیین اثرات حمله قلبی. استفاده از سیکلوترون تصویربرداری گسیل پوزیترونی را به روشی گرانقیمت تبدیل کرده است. بنابراین لازم است سایر روش ها مورد بررسی قرار گرفته تا هزینه ها را کاهش داده و امکان استفاده از آن را برای همه فراهم کرد. به همین منظور دستگاه پلاسمای کانونی به دلایل گفته شده مورد توجه جدی قرار گرفته است. اهداف مورد بررسی در این تحقیق شامل: ۱) آشنایی با دستگاه پلاسمای کانونی و مطالعه فازهای مختلف آن. ۲) بررسی مکانیسم های شتاب و مطالعه طیف دوترون های پر انرژی شامل روش های اندازه گیری طیف های دوترون ۳) بررسی تولید رادیوایزوتوپ های کوتاه عمر در دستگاه پلاسمای کانونی. ۴) شرایط بهینه سازی شامل: محاسبه اکتیویته طیف های آزمایشگاهی، رابطه بین توان تابع نمایی و اکتیویته و همچنین برای بهینه سازیِ تولید رادیوایزوتوپ ها می توان در مد تکرار کارکرده و یا انرژی دستگاه را بالا برد و یا شرایط دیگر را بررسی کرد.

فصل اول
آشنایی با دستگاه پلاسمای کانونی و کاربردهای آن
دستگاه پلاسمای کانونی یکی از پرکاربردترین دستگاه‌هایی است که درتحقیقات گداخت هسته‌ای بکار می رود. در سالهای ۱۹۶۰ و ۱۹۶۵ ، به ترتیب فیلیپوف و مدر نتایج تحقیقاتشان در خصوص پلاسمای کانونی را که به طور مستقل از یکدیگر انجام شده بود، منتشر کردند و به این ترتیب دو ساختار مختلف پلاسمای کانونی تحت عنوان های فیلیپوف^[۱] و مدر^[۲] مطرح شدند و از آن پس آزمایشگاه‌های فراوانی در سرتا سر دنیا بنا نهاده شد[۱,۲]. بررسی آماری منابع منتشر شده در رابطه با پلاسمای کانونی در دهه های اخیر نشان می‌دهد که بیشترین حجم تحقیقات در این زمینه به ترتیب به کشورهای آلمان، روسیه، آمریکا، آرژانتین، مالزی، هند و ایتالیا اختصاص یافته است.
دستگاه پلاسمای کانونی از دو بخش اساسی تشکیل شده است: عناصر اصلی وعناصر جانبی. عناصر اصلی شامل محفظه تخلیه، سوئیچ اسپارک گپ و بانک های خازنی می‌باشد و عناصر جانبی شامل سیستم تغذیه الکتریکی، سیستم خلاء، سیستم تزریق گاز و دستگاه های داده‌پردازی و تشخیصی ‌می‌باشند. در این سیستم‌ها ستون پلاسما دارای ویژگی‌هایی از قبیل:۱) بسیار داغ، به طوری که با مطالعات انجام شده بر روی گسیل اشعه ایکس نرم دمای الکترون ها در حدود چند keV تخمین زده شده است. در دستگاه‌‌هایی در محدوده انرژی چند کیلو ژول تا چند مگا ژول دمای الکترون در ستون پلاسما ۰.۴-۱keV اندازه گیری شده است.۲)بسیار چگال، میانگین چگالی در دستگاه‌های بزرگ وکوچک در حدود ۳۱۰^۱۸cm^-3 می‌باشد. چگالی خیلی بالا معمولا در یک فاصله زمانی خیلی کوتاه بدست می‌آید. یک ویژگی خاص در دستگاه نوع فیلیپوف محدوده چگالی کم است.۳) طول عمر بسیار کوتاه ، پلاسمای کانونی نوع مدر معمولا در حدود ۳۰-۴۰۰ ns و در دستگاه فیلیپوف طول عمری در حدود ۱۰۰ ns دارد. ۴) معمولا ابعاد ستون پلاسما ۱-۲ mmبرای قطر و ۱۰-۳۰ mm برای طول تخمین زده شده است[۱۷].
۱-۱ ساختار کلی دستگاه پلاسمای کانونی
دستگاه پلاسمای کانونی مدل مدر و فیلیپوف از نظر کارکرد تقریبا شبیه هم هستند ولی از نظر شکل هندسی با هم متفاوت هستند. عمده تفاوت بین مدلهای فیلیپوف و مدر در ابعاد الکترودهاست به طوری که نسبت قطر به طول آند در نوع فیلیپوف بزرگتر از ۵ است ولی همین نسبت در نوع مدر در حدود ۲۵/۰ است. همچنین در نوع فیلیپوف قطر آند در حدود ۵۰ تا ۲۰۰ سانتی متر است حال آنکه درنوع مدر، آند در حدود ۲ الی ۲۲ سانتیمتر قطر دارد.
در دستگاه پلاسمای کانونی( هر دو نوع فیلیپوف و مدر) آند و کاتد بصورت هم محور قرار گرفته است که توسط یک عایق از یکدیگر جدا شده‌‌اند. اساس کار یک دستگاه پلاسمای کانونی ساده است: انرژی الکتریکی ذخیره شده در یک بانک خازنی به سرعت و بوسیله یک سوئیچ سریع به الکترودها منتقل می‌شود (شکل۱-۱). با اعمال نیروی لورنتس، لایه پلاسمای حامل جریان شتاب می‌گیرد و به انتهای الکترودها می‌رسد وسپس تحت نیروی لورنتس شعاعی به محور تقارن الکترودها می‌رسد و نهایتا این پلاسما در یک ناحیه کوچک بر روی آند متراکم می‌شود که این پدیده را تنگش^[۳] پلاسما می‌نامند.

شکل (۱-۱): نمایی ساده از دستگاه پلاسمای کانونی : نوع فیلیپوف (سمت راست) ؛ نوع مدر (سمت چپ)
در پلاسمای کانونی نوع مدر حرکت لایه جریان از سطح عایق تا محور تقارن دستگاه در دو مرحله جداگانه صورت ‌می‌گیرد. در مرحله اول که حرکت محوری نامیده می‌شود، لایه جریان فقط یک حرکت طولی در امتداد محور دستگاه خواهد داشت. با رسیدن لایه جریان به لبه آند، این مرحله خاتمه یافته و مرحله دوم که تنگش شعاعی نامیده می‌شود آغاز می‌شود. در این مرحله لایه جریان به صورت شعاعی به سمت محور تقارن دستگاه حرکت می‌کند اما در نوع فیلیپوف حرکت شعاعی به سمت محور تقارن از همان ابتدا و بعد از تشکیل لایه جریان در سطح عایق، شروع می‌شود و حرکت لایه جریان در جهت های مختلف بصورت همزمان می‌باشد.
در دستگاه پلاسمای کانونی الکترودها معمولاً از مس یا استیل ساخته می‌شوند که بصورت هم محور قرار می‌گیرند. کاتد به شکل یک محفظه(قفس سنجاب) است که شامل ۸ تا ۲۴ میله مسی در اطراف آند قرار می‌گیرد. عایق از جنس شیشه پیرکس، آلومینیوم و یا سرامیک ساخته می‌شود.
۱-۱-۱ دینامیک پلاسمای کانونی
دینامیک پلاسمای کانونی را می توان در سه مرحله کلی بیان کرد: فاز شکست الکتریکی، فاز شتاب‌گیری محوری لایه جریان پلاسما و فاز شعاعی لایه جریان. زمان لازم برای رخ دادن این ۳ فاز حدودا چند میکرو ثانیه است. شکل(۱-۲) ، ۳ فاز برای تشکیل تنگش را نشان می‌دهد.

شکل(۱-۲): حرکت لایه جریان و فازهای مختلف آن در پلاسمای کانونی مدر
در اینجا به توضیح بیشتر سه فاز تشکیل شده، جهت تشکیل پلاسمای چگال می‌پردازیم:[۴,۷]
الف)فاز شکست^[۴]
فشار گاز کاری در دستگاه پلاسما کانونی، در حدود چند میلی بار است که معمولا مقدار بهینه آن با انجام آزمایش های متعدد به دست می‌آید. بسته به نوع آزمایش، گازهای مختلفی به عنوان گاز کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای نمونه اگر هدف تولید نوترون باشد باید از گاز دوترویم استفاده نمود در حالیکه در مواردی که هدف تولید پرتوهای ایکس است می‌توان از گازهای نجیب مانند آرگون استفاده کرد.
در صورتی که اختلاف پتانسیل بین الکترودها در یک لحظه اعمال شود، تخلیه الکتریکی با تقارن محوری بین الکترودها اتفاق خواهد افتاد. این حالت به فاز شکست الکتریکی معروف است و باعث تولید پلاسمای اولیه از طریق تخلیه جریان می‌شود. ایجاد تخلیه الکتریکی و تولید پلاسمای اولیه در دستگاه پلاسما کانونی، به یک سری عوامل از قبیل شرایط گاز کاری(فشار ونوع گاز)، خصوصیات الکترودها و عایق و همچنین متغیرهای فیزیکی خازن وابسته است [۵,۶]. چگونگی تشکیل لایه جریان را می‌توان بدین ترتیب بیان کرد که بعد از اعمال اختلاف پتانسیل بین الکترودها ، با تاخیر زمانی چند ده نانو ثانیه، مرحله شکست روی سطح عایق آغاز می شود.[۷,۸] در این مدت الکترون‌هایی که در اثر فشار نشر میدانی از لبه ی فلزات و یونیزه شدن گاز کاری ایجاد می‌شوند، در راستای خطوط میدان الکتریکی شتاب گرفته و به سمت سطح عایق ، الکترود داخلی یا الکترود خارجی (با توجه به قطبیت آن) حرکت می‌کنند. در پلاسمای کانونی معمولاً قطبیت الکترود داخلی مثبت است، در نتیجه الکترونها به سطح عایق می‌چسبند و سطح عایق را باردار می‌کنند. لایه جریان اولیه روی سطح عایق ایجاد شده و با حرکت لایه جریان در سطح عایق و رسیدن لایه ایجاد شده به انتهای عایق، دو الکترود به هم متصل می شوند. به علت وجود نیروی لورنتس، لایه ایجاد شده از سطح عایق جدا می شود. پس از طی زمان ۵۰ الی ۵۰۰ نانو ثانیه، رسانش لایه به اندازه کافی زیاد شده و در نتیجه تخلیه الکتریکی به لایه ی پلاسمایی تبدیل می‌شود [۹].
ب)فاز شتاب‌گیری محوری^[۵]
پس از اتمام فاز شکست، مرحله ی فاز رانش محوری آغاز می شود. در این مرحله، لایه جریان به وسیله‌ی نیروی لورنتس به سمت نوک آزاد الکترودها حرکت می‌کند. لایه ی جریان در انتهای مرحله فاز شکست شکل می‌گیرد و از طریق نیروی لورنتس به سمت انتهای بالای الکترود داخلی شتاب می‌گیرد. بخش شعاعی نیروی لورنتس، لایه ی جریان را به سمت الکترود بیرونی حرکت می‌دهد. با توجه به قوانین مغناطیس، میدان مغناطیسی در نزدیک آند (فاصله کمتر) قویتر است که این خود منجر به بیشتر شدن نیرو در نزدیک آند می‌شود. این عامل سرعت لایه ی جریان را در نزدیکی سطح الکترود مرکزی افزایش می‌دهد. در نتیجه شکل لایه‌ی جریان به صورت کمانی در می‌‌آید. در این فاز لایه‌ی جریان با سرعتی در حدود۱.۷-۱۵ cm/µs)) به سمت بالای الکترودها حرکت می‌کند[۹]. در پایان این فاز، یک طرف لایه‌ی جریان، نوک آزاد آند را جاروب می‌کند و انتهای دیگر لایه‌ی جریان بطور پیوسته در امتداد کاتدها حرکت می‌کند. بدین ترتیب قسمت بزرگی از پلاسما روی هم انباشته شده و در جهت محوری جاروب خواهد شد. در واقع تنها بخشی از پلاسما در انتهای فاز رانش محوری، در تنگش نهایی تاثیر خواهد داشت.
ج)فاز شعاعی^[۶]
در انتهای فاز محوری، لایه‌ی جریان انتهای الکترود درونی را جاروب کرده و با همان نیروی لورنتس رو به داخل، باعث تشکیل پلاسمای متراکم در مدت زمان ۱۵ الی ۲۰۰ نانو ثانیه بسته به مشخصات دستگاه پلاسمای کانونی خواهد شد . در واقع در فاز شعاعی، پلاسمایی با چگالی بالا ایجاد ‌می‌شود[۵].
در این مرحله تغییرات سریع در اندوکتانس ، باعث تولید میدان الکتریکی قوی در ستون پلاسما می‌شود.
فرمول(۱-۱) رابطه بین جریان تخلیه الکتریکی(I) میدان الکتریکی(E) را نشان می‌دهد.
(۱-۱)
که در آن I جریان تخلیه و تغییرات زمانی اندوکتاس است.
فاز شعاعی شامل چهار مرحله است که عبارتند از:
فاز تراکم^[۷]:
فاز شعاعی از فرو ریزش ناگهانی لایه جریان با تقارن شبه استوانه‌‌‌ای (به علت تاثیر نیروی لورنتس) به سمت محور آند، آغاز می‌شود. این حرکت انفجاری، وقتی شعاع پلاسما به مقدار حداقل و چگالی آن به حداکثر مقدار خود ( ۱۰^۱۹cm^-3) می‌رسد پایان می‌‌یابد. در این مرحله دمای نهایی الکترون‌ها به ۱ -۲ keVمی‌رسد [۵].
فاز آرام^[۸]:
با آغاز حرکت ستون پلاسمای متراکم شده، این فاز آغاز می‌شود. دمای الکترونها تا حدود ۷۰۰-۶۰۰ الکترون ولت کاهش می‌یابد. در حالیکه دمای یونها در حدود۷۰۰ الکترون ولت برآورد شده است [۶].
در این حالت چگالی پلاسما نیز تا حدود ۲۱۰^۱۸cm^-3 کاهش خواهد یافت. در طول این فاز، ستون پلاسما در هر دو جهت شعاعی و محوری گسترش می‌یابد ، میزان بسط یافتگی در راستای شعاعی به علت وجود فشار مغناطیسی کُندتر است اما پلاسما در جهت محوری فواره وار بدون هیچگونه مانعی گسترش می‌یابد. بنابراین جبهه ی موج در جهت محوری ایجاد می‌شود.
فاز ناپایدار^[۹]:
از آنجا که در این فاز اتفاقاتی همچون تولید اشعه ی ایکس سخت و نرم، تولید یونها و و همچنین گسیل نوترونها و دوترونها در واکنش گداخت (D-D) به وقوع می‌پیوندد، فاز ناپایدار به عنوان مهمترین مرحله ی فاز شعاعی به شمار می‌رود. در این مرحله ناپایداری‌هایی مانند ناپایداری سوسیسی و ناپایداری کینک در ستون پلاسما رشد می‌کنند که از هم گسیختگی ستون پلاسما را در پی دارند. در فصل دوم این پروژه به بررسی این ناپایداری ها پرداخته خواهد شد.
فاز واپاشی^[۱۰]:
آخرین مرحله از فاز شعاعی یا به عبارت دیگر آخرین مرحله از دینامیک پلاسمای کانونی فاز واپاشی است. این فاز هنگام تنگش و زمانی که چگالی پلاسما به کمتر از ۲۱۰^۱۷cm^-3 رسید، شروع می‌شود. در طول فاز واپاشی، یک ابر پلاسمای نازک، داغ و بزرگ به علت از بین رفتن ستون پلاسما تشکیل می‌شود. در این مرحله مقدار زیادی پرتو ایکس نرم در اثر فرایند تابش ترمزی، گسیل می‌شود[۸]. در این فاز پالس نوترونی که در فاز قبل(فاز ناپایداری) آغاز شده بود به مقدار پیک خود می رسد. [۱۰] بنابر این ستون پلاسما می‌شکند و واپاشی می‌کند. در این فاز میدان الکتریکی القا شده به وسیله مکانیسم‌های مختلف شتاب ، گسیل باریکه‌های پر انرژی یونی و الکترونی را افزایش می‌دهد. درفصل ۲ به توضیح مکانیسم های شتاب خواهیم پرداخت.
شکل (۱-۳) گسیل پرتو های مختلف را بعد از فروپاشی ستون پلاسما و شکل (۱-۴) مراحل مختلف تنگش پلاسما را نشان می دهد.

شکل (۱-۳): واپاشی ستون پلاسما وگسیل پر تو های مختلف

شکل(۱-۴): مراحل تشکیل پینچ پلاسما[۳]