به منظور راه اندازي ماشين مولدهاي پينچ پلاسما و افزايش بهره¬ي توليد تابش هاي هسته اي آن مي¬توان از منابع تغذيه پالسي با نرخ تخليه تكراري استفاده نمود. لذا، براي اولين بار در كشور، طراحي، ساخت و تست يك منبع تغذيه پالسي جهت تغذيه¬ي يك ماشين مولد پينچ پلاسما با قابليت تخليه تكراري 5 بار در ثانيه ارائه شده است. اين منبع تغذيه پالسي قادر است تا ولتاژهاي فشار قوي 4 الي 7 كيلو وقت را به صورت پله هاي يك كيلو ولتي در اختيار كاربر قرار دهد. ميكروكنترلر بخش كنترل كننده¬ي مركزي اين منبع تغذيه از سري ميكروكنترلرهاي ARM با مدل LPC1768ARM مي باشد كه قادر به كار در شرايط با ولتاژ فشار قوي است. به منظور بررسي عملكرد صحيح اين منبع تغذيه پالسي از يك پروب ولتاژ فشار قوي فركانس بالا و نيز يك پيچه¬ي روگوفسكي با فناوري ساخت بسيار بالا كه ساخت شركت power electronic measurements ltd مي باشد، استفاده گرديد. با اندازه گيري ولتاژ و جريان تخليه¬ي منبع تغذيه پالسي در حالي كه در حال تخليه شده در محفظه¬ي خلاء راكتور هسته اي با فشار گاز آرگون 4 تور و ولتاژ 7 كيلو ولت بود، از عملكرد دقيق منبع تغذيه پالسي طبق طراحي انجام شده اطمينان حاصل گرديد. كليه¬ي دستورات شارژ و دشارژ بانك خازني اين سيستم از جمله ميزان ولتاژ شارژكنندگي، تعداد شات در ثانيه، و تعداد كل شات ها توسط يك رابط گرافيكي نوشته شده با زبان C# انجام گرفت. سوئيچ اسپارك گپ اين سيستم به صورت كاملا بومي طراحي و ساخته شده است كه عملكرد صحيح تخليه¬ي تكراري سيستم اثباتي بر طراحي دقيق اين سوئيچ و مدار توليد كننده¬ي ولتاژ 15 كيلو ولت جهت تريگ كردن آن بود. اين دستگاه براي اولين بار در كشور و با كمترين هزينه و به صورت كاملا پرتابل طراحي و ساخته شده است كه قادر به راه اندازي ماشين¬هاي مولد پيمچ پلاسما با رنج انرژي چند ژول مي¬باشد. اين سيستم با چنين منبع تغذيه¬ي خاص كاملا پرتابل و فشرده بوده كه قادر به كار در شرايط مختلف عملياتي مي باشد. اين سيستم¬ها با طراحي خاص خود مي توانند در صنايع مختلفي همچون پزشكي، مهندسي نفت، مهندسي هسته اي و غيره مورد استفاده قرار گيرند به همين دليل در ساخت اين منبع تغذيه از ادوات با قابليت اطمينان بسيار بالايي استفاده شده است.

به منظور راه اندازي راكتورهاي پلاسماي كانوني و افزايش بهره¬ي توليد تابش هاي هسته اي آن مي¬توان از منابع تغذيه پالسي با نرخ تخليه تكراري استفاده نمود. لذا، طراحي، ساخت و تست يك منبع تغذيه آنالوگ پالسي جهت تغذيه¬ي با قابليت تخليه تكراري 5 بار در ثانيه در دستور كار قرار گرفت. اين منبع تغذيه پالسي قادر است تا ولتاژهاي فشار قوي تا kVDC16 را در اختيار كاربر قرار دهد. منبع تغذيه ساخته شده داراي يك پانل كنترلي با نمايشگرهاي ولتاژ و فركانس تخليه است. كاربري اين منبع تغذيه براي اپراتور نيز با توجه به نوع طراحي خاص آن بسيار ساده است. به منظور اندازه گيري و تحليل پالس هاي تخليه¬ي به دست آمده از اين منبع تغذيه پالسي از يك پيچه روگوفسكي (ساخت شركت Power Electronic Measurement) جهت اندازه گيري جريان تخليه، و از يك پروب ولتاژ جهت اندازه گيري ولتاژ تخليه استفاده شده است. با اجراي فرايند شارژ/ تريگ در راكتور پلاسماي كانوني با انرژي در حدود 4 ژول، شكل موج ولتاژ تخليه در حالت تك شات و دامنه ولتاژ شارژ برابرkV16 اندازه گيري شد. اين اندازه گيري نشان داده كه زمان خيز ولتاژ كمتر از ms200 است كه نشان از توان مناسب اين منبع تغذيه جهت شارژ بانك خازني در بازه زماني مورد نظر دارد. سپس، پالس هاي ولتاژ و جريان تخليه بانك خازني راكتور پلاسماي كانوني در فركانس تخليه¬ي 5 هرتز به دست آمدند. مشاهده شد ضمن اينكه فرايند شارژ/تريگ منبع تغذيه ولتاژ فشار قوي پالسي در راكتور پلاسماي كانوني به خوبي انجام گرفته است كه نشان از عملكرد صحيح اين منبع تغذيه پالسي دارد، زمان خيز ولتاژ شارژ در يك شات يعني %10- %90 بيشينه ولتاژ شارژ برابر 120 نانوثانيه بود كه طبق طراحي انجام شده نيز همين نتيجه مورد انتظار بود. اين نتيجه اثباتي بر توانمندي منبع تغذيه ساخته شده در راه اندازي راكتورهاي پلاسماي كانوني با عملكرد تخليه تكراري مي باشد.

يكي از مشكلات موجود در راه اندازي و تغذيه بارهاي توان بالا/ ولتاژ بالا مانند مولدهاي پلاسماي داغ و چگال و همچنين ليزرهاي توان بالاي Co2، نياز به در اختيار داشتن سوئيچ هاي قدرت ولتاژ بالا/ توان بالا با قابليت انتقال و هدايت بار چند كولني به بار مورد نظر و تخليه¬ي متناوب (پريوديك) در مدت زمان عملكرد دستگاه مي باشد. مولدهاي پلاسماي داغ و چگال و نيز ليزرهاي توان بالاي پالسي از جمله تجهيزات اساسي در روند پيشبرد اهداف تعريف شده در صنعت مهندسي همجوشي هسته¬اي هستند كه امروزه مورد توجه بسياري از دانشمندان جهان قرار گرفته¬اند. مولدهاي پلاسماي چگال با هدف ايجاد شرايط انجام برهمكنش¬هاي همجوشي هسته¬اي، انرژي خود را از بانك¬هاي خازني ولتاژ بالا/ توان بالا و از طريق سوئيچ هاي اسپارك¬گپ دريافت مي¬نمايند. به منظور دستيابي به بيشترين بهره نوترون¬هاي سريع، اشعه ايكس سخت و نرم و همچنين ذرات باردار پرانرژي كه از محصولات برهمكنش¬هاي همجوشي هسته¬اي هستند همواره بايد از سوئيچ¬هايي استفاده شود كه با جاري نمودن الكترون¬ها بر روي الكترودهاي دستگاه و عايق بين آنها، ميدان الكتريكي قوي¬ بانك خازني را به صورت يكنواخت در اطراف الكترودها توزيع نمايند. از سويي ديگر، عملكرد پيوسته و پريوديك سوئيچ قدرت در انتقال و هدايت بارهاي الكتريكي و نيز دارا بودن پايداري بالا در حالت تخليه تكراري (با هدف دستيابي به تخليه متناوب و منظم از دو منظر ثابت زماني و دامنه ولتاژ و جريان تخليه) از جمله نيازهاي اساسي در كاربردهاي عملياتي است كه بايد بدان توجه نمود. مورد سوم، ويژگي خنك شوندگي و قدرت بازيابي الكترودهاي سوئيچ قدرت است كه بايد در روند عملكرد تخليه تكراري دستگاه منجر به كاهش پايداري و ايجاد اختلال در نظم تخليه هاي الكتريكي نشود. ويژگي چهارم دارا بودن حداقل اندوكتانس مسير عبور جريان است. اندوكتانس كوچك سوئيچ كمك مي¬كند جريان تخليه دستگاه از دامنه بسيار بيشتر و زمان صعود بسيار كمتري برخوردار شود كه اين خود كمك به عملكرد تخليه تكراري سوئيچ و نهايتا دستگاه مولد پلاسماي داغ و چگال و نيز افزايش بهره¬ي توليد تابش¬هاي دستگاه خواهد نمود. ساير ويژگي¬ها از جمله عمر عملكردي بالا و داشتن خطاي جيتر كم و هندسه مناسب جهت نصب و راه اندازي آن نيز از چالش هاي اساسي در طراحي و ساخت چنين سوئيچ¬هايي مي باشد. به منظور رفع مشكلات مطرح شده و نيز دستيابي به سوئيچ با قابليت ها عملكرد پايدار از مواردي چون: 1- لايه نشاني فلزي- نيمه فلزي و رسوب دهي شيميايي آن بر روي الكترودهاي سوئيچ به منظور توزيع يكنواخت ميدان بر روي الكترودها جهت ايجاد شرايط تخليه يكنواخت و متناوب بانك خازني تا فركانس-هاي بالا، 2- جانمايي الكترودها به صورت كواكسيال جهت كاهش اندوكتانس به حداقل مقدار ممكن، 3- ايجاد منفذهاي متقارن بر روي ديواره سوئيچ (الكترود تريگر) جهت تبادل حرارتي داخل سوئيچ با حفظ اندوكتانس سوئيچ در حداقل مقدار، 4- استفاده از ولتاژ تريگ با دامنه بسيار بالا (ولتاژ ضربه kV15-) و زمان خيز بسيار كوتاه (كمتر از sµ5)، 5- استفاده از الكترودهاي نيمه كروي به منظور حذف اثر ميدان لبه¬هاي تيز، 6- استفاده از ابعاد مناسب براي الكترودها و فاصله¬ي بهينه بين آنها جهت ممانعت از تخليه خودبخودي بانك خازني شارژ شده، 7- استفاده از كانكتورهاي مناسب جهت ايجاد مونتاژ سريع و مناسب سوئيچ به بانك خازني بارهاي پالسي توان بالا/ ولتاژ بالا، همچنين جهت ايجاد شرايط ايمن به لحاظ مسائل عايق ولتاژ فشار قوي.

به منظور كاربردي نمودن ماشين هاي مولد پينچ پلاسما بزرگ در مكان هايي غير از آزمايشگاه هاي دانشگاهي، اقدام به طراحي و ساخت يك مولد پلاسماي مينياتوري با قابليت عملكرد در مد تخليه¬ي تكراري (فركانس تخليه حداقل 1 هرتز) گرديد. اين دستگاه داراي يك منبع تغذيه¬ي آنالوگ با قابليت توليد ولتاژ شارژ تا 15 كيلو ولت، يك سيستم كنترل و يك ماژول تريگر سوئيچ اسپارك گپ است. كليه-ي اجزاي اين مولد از جمله محفظه¬ي خلا، منبع تغذيه و سيستم خلاء ساز آن درون يك رك متحرك جانمايي شده اند، لذا فرايند جابجايي و حمل و نقل آن به سهولت قابل انجام است. اين دستگاه با چنين هندسه اي، براي اولين بار در كشور، طراحي، ساخت و تست شده است. لازم به ذكر است با بررسي هاي صورت گرفته در حوزه¬ي مولدهاي پينچ پلاسما، چنين جانمايي تاكنون در هيچ گزارشي مشاهده نشده است. واحد شارژ و دشارژ كننده¬ي بانك خازني دستگاه و سيستم خلاء ساز اين دستگاه داراي عملكرد بسيار ساده و با قابليت دسترسي ساده براي كاربر مي باشد؛ تحت اين شرايط، ايمني عايقي و پرتويي اپراتور نيز به خوبي رعايت شده است. در ادامه، به منظور اثبات عملكرد دقيق دستگاه، اقدام به اندازه¬گيري پارامترهاي پلاسما (دما و چگالي) و تابش فرابنفش با ابزار اندازه گيري دقيق موجود در آزمايشگاه هاي دانشگاه صنعتي كبير شد. با اندازه-گيري ولتاژ و جريان تخليه¬ي پلاسماي توليد شده در محفظه¬ي خلاء راكتور (تحت شرايط كاري فشار گاز آرگون 1.1 تور و ولتاژ تا 9 كيلو ولت) وقوع پينچ در عكس گرفته شده از ستون پلاسماي تنگيده شده و همچنين بر روي سيگنال ولتاژ تخليه مشاهده شد. همچنين، طيف تابش فرابنفش پالسي دستگاه نيز جهت مشاهده احتمال فوتون هاي پرانرژي فرابنفش و سپس محاسبه¬ي چگالي و دماي پلاسماي پينچ توسط ابزار مناسب كار به دست آمدند. نتايج آزمايشات نشان از چگالي الكتروني برابر با cm-3 1016 و دماي تعادلي سيستم در حدود eV93/1 (حدودا 22400 درجه كلوين) داد كه اثبات كننده¬ي فرضيات اوليه¬ي طراحي است.

در روند تحقيقات و بهبود عملكرد مولدهاي پلاسمايي ولتاژ بالا/ توان بالا مشخص گرديد ضمن داشتن درك مناسب از فرايند شارژ و تخليه بانك خازني، پايداري سطح ولتاژ و جريان شارژ با زمان خيز مناسب و در عين حال پريوديك بودن فرايند شارژ/ دشارژ نيز از اساسي¬ترين مشخصه¬هاي اين منابع تغذيه مي¬باشند. بدين منظور، با توسعه ادوات الكترونيك قدرت در طراحي منابع توان پالسي كم حجم، ارزان و با راندمان بالاي انتقال توان، استفاده از منابع تغذيه سوئيچينگ ولتاژ بالا با امكان كنترل ولتاژ خروجي در شرايط مختلف تحت بار و بي باري به سرعت افزايش يافت. با پيداش سوئيچ¬هاي سريع و پرقدرت، تلفات ترانزيستوري بطور چشمگيري كاهش پيدا كرد و عمده تلفات در ترانسفروماتورها خلاصه شد كه براي غلبه بر اين مشكل نيز، فركانس كاري مدار را تا مقاديري در حدود مگا هرتز افزايش دادند. لذا، پيشرفت در تكنولوژي ساخت قطعات نيز تاثير بسزايي در طراحي و ساخت مولدهاي ولتاژ بالاي سوئيچينگ با رويكرد در راه اندازي راكتورهاي گداخت هسته اي و پلاسمايي در مراكزي خارج از آزمايشگاه ها داشته است. تحت اين شرايط، مي توان با كاهش هزينه¬ها و با استفاده از توپولوژي مبدل هاي رزونانسي كه داراي راندمان بالاتري نسبت به مبدل هاي pwm است، به يك مولد تابش هاي شديد پالسي سوئيچينگ با قابليت توليد تابش هاي مختلف مانند اشعه ايكس، يون هاي پرانرژي و نوترون هاي سريع دست پيدا كرد. لذا در اين پروژه، به منظور راه¬ اندازي يك راكتور گداخت هسته اي مينياتوري با فركانس تخليه¬ي بيش از يك هرتز (براي اولين بار در كشور) با هدف بهبود بهره توليد تابش¬هاي پرانرژي و نيز كاهش ابعاد، فشرده و كم وزن شدن منبع تغذيه، طراحي و ساخت يك مولد پلاسمايي ولتاژ بالاي سوئيچينگ با طراحي خاص كه منجر به دستيابي به يك سيستم كاملا پرتابل و مينياتوري شود، ارائه مي گردد. تغذيه اصلي اين منبع تغذيه ولتاژ بالا/ توان بالا توسط يك باتري قابل شارژ انجام مي شود. همچنين، جهت افزايش راندمان مولد پلاسمايي پالسي، از هندسه كواكسيال در ساخت بانك خازني استفاده شده است تا اندوكتانس مسير تخليه به حداقل مقدار خود كاهش يابد. لازم به ذكر است از اين مولد سوئيچينگ مي توان در تامين انرژي ساير مولدهاي پالسي همچون ليزرهاي توان بالاي پالسي، بخش تغذيه تفنگ الكتروني و مگنترون شتابدهنده ها و غيره استفاده كرد.

طراحي و ساخت فنجان فارادي با سطح مقطع دروني مخروطي و حلقه بازگرداننده الكترون ثانويه براي اندازه گيري دقيق جريان باريكه يون انجام شد. ايده و نوآوري اين اختراع، هندسه داخلي مخروطي و حلقه بازگرداننده الكترون ثانويه است. نتايج شبيه سازي نشان داد كه جهت انتشار الكترون هاي ثانويه متناسب با زاويه برخورد باريكه يون است. تئوري هندسه مخروطي نتيجه اين شبيه سازي ها است. برخورد باريكه يون با سطح مخروط داخلي منجر به انتشار الكترون ها به سمت داخل فنجان مي شود كه اين به جذب بيشتر الكترون هاي ثانويه و در نتيجه افزايش دقت اندازه¬گيري كمك مي كند. دقت اندازه گيري توسط اين هندسه نسبت به هندسه استوانه اي در حدود 10% افزايش مي يابد. ويژگي ديگر اين فنجان فارادي، مجهز بودن به حلقه بازگرداننده الكترون ثانويه است. با اعمال يك ولتاژ منفي تا حدود v150- الكترون هاي ثانويه اي كه در داخل فنجان توليد مي شوند، در هنگام خارج شدن از فنجان با يك سد پتانسيلي قوي تر از انرژي خود روبرو مي شوند و به سمت داخل باز مي گردند. نتايج تجربي نشان داد كه جريان فنجان بدون اعمال ولتاژ به حلقه در حدود 4 برابر جريان واقعي باريكه است كه در هنگام اعمال ولتاژ به حلقه اندازه گيري مي شود. طراحي و ساخت واحد الكترونيك به منظور اندازه گيري و ثبت سه پارامتر: 1- جريان باريكه 2- ولتاژ اعمالي به حلقه بازگرداننده 3- دماي سطح فنجان يكي ديگر از دستاوردهاي اين اختراع محسوب مي شود. اين واحد الكترونيك قابليت اندازه گيري و ثبت جريان mA 0.5 با دقت μA 1 ، جريان mA 5 با دقت μA10 و جريان mA 50 با دقت μA100 را دارد. همچنين امكان اتصال به يك پروب ديگر از طريق پورت سوزني (other probe) و اندازه گيري جريان آن وجود دارد.

در اين پروژه، طراحي و ساخت يك بانك خازني مينياتوري ولتاژ بالا/ اندوكتانس پايين (fast discharge) با ساختار كواكسيال و قابليت جانمايي سوئيچ تريگر درون خازن به گونه اي انجام شد تا ضمن مينيمم نمودن اندوكتانس مربوط به بانك خازني، سوئيچ تريگر و اتصالات آنها (جهت افزايش دامنه و كاهش زمان صعود جريان تخليه دستگاه- سرعت تخليه¬ي بسيار بالا)، بتوان به يك ماژول كاملا فشرده و كم حجم با قابليت جانمايي سوئيچ تريگر درون ساختار خازن دست پيدا كرد. درحقيقت، نياز به عملكرد تخليه بسيار سريع (fast discharge) و داشتن ابعاد كوچك بانك خازني به عنوان يكي از ماژول¬هاي اصلي در تغذيه مولدهاي پلاسماي پالسي و ليزرهاي ولتاژ بالا/ توان بالا پالسي و غيره، اهميت دستيابي به چنين محصولي را دوچندان كرده است. از جمله ويژگي¬هاي اصلي اين بانك خازني كواكسيال- مينياتوري كه شرايط عملياتي شدن آن در صنعت را مهيا ساخته است مي¬توان به داشتن طراحي خاص جهت كاهش اندوكتانس (تخليه بسيار سريع) و ابعاد فيزيكي آن (فشردگي و كم حجم بودن)، با قابليت عملكرد پيوسته در مد تخليه تكراري با فركانس تخليه¬ي تا Hz5 و تا سطح ولتاژ چند ده كيلو ولت است. همچنين، اين بانك خازني ولتاژ بالاي مينياتوري به گونه اي طراحي شده است كه سوئيچ تريگر آن درون فضاي مركزي بانك خازني جانمايي مي¬شود. تحت اين شرايط، ضمن مينيمم شدن حجم كلي بانك خازني و سوئيچ (يكپارچه سازي بانك خازني و سوئيچ) و ايجاد شرايط ايمن به لحاظ مسائل عايق ولتاژ فشار قوي، صداي عملكرد تخليه تكراري مربوط به سوئيچ تريگر نيز فيلتر مي شود.