۴-١- مشخصات پارامترهای لیزر تامسون و پلاسمای مورد مطالعه

۵۳

۴- ۲- پارامترهای محاسبه شده در توکامک­های مورد نظر

۵۵

۴- ۳- مشخصات توکامک­های پژوهشکده گداخت

۶۰

۴-۴- پارامترهای محاسبه شده توکامک­های الوند و دماوند

۶۲

۴- ۵– مشخصات پلاسماهای لیزری

۶٧

۴- ۶- پارامترهای محاسبه شده در پلاسماهای لیزری

۶٨

پیشگفتار
سر جوزف تامسون^[۱] فیزیکدان بریتانیایی^[۲]، در نزدیکی منچستر زاده شد. در منچستر و کمبریج دانش آموخت، در ۱۴ سالگی وارد کالج منچستر شد. نخست می­خواست در رشته مهندسی تحصیل کند. وی در نوزده سالگی فارغ­التحصیل رشته مهندسی شد و در امتحان دانشگاه کمبریج شرکت کرد و رتبه دوم را حائز شد و سپس در رشته فیزیک فارغ التحصیل گردید و در سال ١٨٨۴ لرد رایلی که رئیس آزمایشگاه بود استعفا کرد و تامسون که فقط ٢٨ سال از سنش می­گذشت به ریاست آزمایشگاه انتخاب شد، گرچه کمی سن او مخالفت بسیاری از استادان را برانگیخت و لیکن نبوغ تامسون و حسن مدیریت او سبب شد که مدت ٣۴ سال این آزمایشگاه را با سطح بالای تحقیق علمی جهان اداره کند. او نه تنها مدیر آن آزمایشگاه تحقیقاتی بود، بلکه خود نیز در شمار محققین ممتاز این مرکز بود و همچنین در سال ١٨٨۴ عضو انجمن سلطنتی انگلستان نیز شده بود. وی درسال ١٩٠۵ استاد انستیتو سلطنتی و در سال ۱۹۱٨ استاد کالج ترینیتی شد.
در سال ١٨٩٧ تامسون به نام « پدر الکترون » شهرت یافت. او که بر روی اشعه کاتدیک مطالعه می کرد با مشاهده انحراف این اشعه در میدان­های مغناطیسی و الکتریکی معتقد شد که این اشعه، جریانی از ذره­ های باردار الکتریکی منفی هستند. تامسون جرم نسبی هر ذره را به دست آورد و مشخص کرد که جرم هر الکترون تقریبا دو هزارم جرم هیدروژن است .به تشویق تامسون،ویلسون^[۳] یکی از شاگردانش، « اتاق ابری » ساخت و از آن برای تعیین و تشخیص ذرات اتمی استفاده کرد. همچنین ویلسون توانست جرم و مقدار بار الکترون را اندازه ­گیری کند. هر چند مدل اتم هندوانه­ای او نارسایی­هایی داشت ولی از نظر اینکه ارتباطی میان الکترون­ها و ساختمان اتمی از یکسو و ارتباط میان الکترون­ها و خواص دوره­ای از سوی دیگر پیشنهاد می­کرد، ارزش داشت. تامسون در بالیستیک و رادیواکتیویته و سایر مباحث فیزیک نیز پژوهش­های ارزشمندی انجام داده است. لذا جایزه نوبل فیزیک ١٩٠۶ به وی داده شد. این جایزه را به خاطر تحقیقات علمی و نظری که بر روی هدایت الکتریکی گازها کرده بود، دریافت کرد.

تصویر سرجوزف تامسون
تامسون روش خود را برای اندازه ­گیری پارامترهای تشخیصی در دستگا­های پلاسمایی و لیزری به طریق پراکندگی تامسون بیان کرده است.
امروزه اندازه­­گیری مشخصات پلاسما روش­های گوناگونی را می­طلبد، روش­های اپتیکی، الکتریکی، مغناطیسی، بیناب سنجی و پراکندگی از این دسته­اند. بدین­ترتیب در این پایان نامه به بحث کلی پراکندگی تامسون پرداخته شده است، در فصل اول به تئوری و مبانی نظری و تعریف پراکندگی و انواع تشخیصی آن، در فصل دوم بررسی پراکندگی تامسون با لیزرهای CO₂، D₂O و یاقوت در توکامک­های مختلف، در فصل سوم اندازه گیری دمای الکترون با بهره گرفتن از پراکندگی تامسون در سیستم های گداخت لیزری و در فصل چهارم به جمع­آوری و اندازه ­گیری و محاسبه پارامترهای ارائه شده و دسته بندی آن­ها پرداخته شده است.
فصل اول :
انواع پراکندگی­ها
١-۱- اصول کلی پراکندگی
الکترون­ها در ساختار اتمی همواره در برهمکنش با میدان­های الکتریکی و مغناطیسی نور است. در اثر برخورد نور با ماده، میدان الکتریکی نوسان کننده نور بر روی الکترون­های اتم تاثیر می­ گذارد و ارتعاش الکترونی در ماده ایجاد می­ کند. این عامل سبب انحراف نور از مسیر خود می­ شود. پدیده­هایی که در اثر این برهمکنش رخ می­ دهند عبارتند از : پراکندگی، شکست و بازتاب و عبور که در شکل (١-۱) نشان داده شده است.

شکل ١-۱- پراکندگی نور لیزر از محیط گازی یا پلاسمایی.
در پراکندگی نور، معمولاً جذب در نظر گرفته نمی­ شود. زیرا با جذب، انرژی دوباره نشر نمی­ شود و تبدیل می­ شود. شدت نور پراکنده شده تابعی از طول موج نور فرودی λ، زاویه پراکندگی (زاویه بین نور برخوردی و پراکنده شده)، اندازه ذره d و n ضریب شکست نسبی محیط و ذره است. علاوه بر جذب و گسیل فوتون از اتم­ها و مولکول­ها، فوتون­های اولیه نیز پراکنده می­شوند (تقریبا به میزان یک در ١٠^٧ذره در یک محیط شفاف). شدت نور پراکنده شده را می­توان بصورت زیر نوشت :
این پدیده به ذرات گرد و غبار معلق در محیط ارتباطی ندارد، بلکه یک اثر مولکولی است که بررسی ترازهای انرژی را فراهم می ­آورد. این پراکندگی ممکن است کشسان باشد و مولکول­ها در همان حالت باقی بمانند که به آن پراکندگی ریلی می­گویند. در حالت ناکشسان مولکول تغییرحالت داده وبه آن پراکندگی رامان می­گویند.
با توجه به فرکانس نور پراکنده شده و نور برخوردی، روش­هایی که براساس پراکندگی نور هستند به سه گروه کشسان، شبه­کشسان و ناکشسان تقسیم ­بندی می­شوند.
الف) در حالت کشسان، سیگنال پراکندگی، براساس میانگین زمانی شدت نور شناسایی می­ شود و لازم نیست تا میزان انحراف فرکانس نور برخوردی اندازه ­گیری ­شود.
ب) در پراکندگی شبه­کشسان، فرکانس نور پراکنده شده اختلاف کمی با نور برخوردی دارد و عمدتاً در محدوده چند هرتز تا چند صد هرتز است. این اختلاف فرکانس ایجاد شده ناشی از حرکت انتقالی و چرخشی ذرات است و مقدار آن رابطه مستقیمی با حرکت ذرات دارد.
پ) در پراکندگی ناکشسان، اختلاف فرکانس نور پراکنده شده و نور برخوردی بیش از چند صد هرتز است. در پراکندگی ناکشسان شدت سیگنال­های پراکندگی از ذراتی با جرم زیاد در مقایسه با کشسان و شبه­کشسان بسیار ضعیف است و بنابراین کاربردهایی در آنالیز ذرات ندارد. از این پراکندگی اغلب در مطالعه ساختار مولکول­ها و مایعات استفاده می­ شود.
پراکندگی نور به صورت استاتیک^[۴] در گروه کشسان و پراکندگی نور به صورت دینامیکی^[۵] در گروه شبه­کشسان قرار دارند. در روش پراکندگی نور استاتیک، اطلاعات در مورد اندازه ذرات از رابطه بین الگو شدت پراکندگی در زوایای مختلف حاصل می­ شود. در حالی که در روش پراکندگی نور دینامیکی، اطلاعات اندازه ذرات با بهره گرفتن از رابطه بین الگو شدت پراکندگی و حرکت براونی ذرات تعیین می­ شود.
دستگاه­هایی که بر اساس پراش نور عمل می­ کنند بر پایه سه فرض کلی استوار هستند:
۱. ذراتی که نور را پراکنده می­ کنند، کروی هستند.
۲. در برهم­کنش بین ذرات، اختلافی در پراکندگی نور ایجاد نمی­ شود(به­عبارت دیگر، پراکندگی مضاعف وجود ندارد).