توسعه فناوریهای نوین در حوزههایی چون فیزیک پزشکی، مهندسی مواد و شیمی پلاسما، نیازمند ابزارهای دقیق برای تولید پلاسما در شرایط کنترلشده است. یکی از کلیدیترین تجهیزات در این زمینه، مولد پالسی پلاسما است. طراحی و ساخت یک منبع پالسی که بتواند ولتاژهای بسیار بالا را در بازههای زمانی نانوثانیه سوییچ کند، چالشی مهندسی است که نیازمند دانش عمیق در حوزه الکترونیک قدرت و فیزیک پلاسماست.
در مجموعههایی پیشرو مانند پارسا دی الکتریک، تمرکز بر بومیسازی و طراحی این دسته از منابع تغذیه تخصصی، مسیر را برای پژوهشگران و صنایع هایتک هموار کرده است. در این مقاله به بررسی جزئیات فنی طراحی یک مولد پالس نانوثانیه با ولتاژ ۵۰ کیلوولت میپردازیم.
مولد پالسی پلاسما دستگاهی است که انرژی الکتریکی را در یک بازه زمانی طولانی ذخیره کرده و سپس آن را در قالب پالسهای بسیار کوتاه (در حد نانوثانیه) با توان بسیار بالا رها میکند. این پالسهای سریع برای ایجاد تخلیههای الکتریکی در گازها و تشکیل پلاسما، بهویژه در سیستمهای تخلیه سد دیالکتریک (DBD) ضروری هستند.
تفاوت اصلی این سیستم با منابع تغذیه معمولی، توانایی آن در ایجاد «زمان صعود» (Rise Time) بسیار کوتاه است که باعث میشود یونیزاسیون گاز بهینهتر انجام شود.
برای دستیابی به پلاسما با کیفیت بالا و پایداری مناسب، پارامترهای پالس خروجی تعیینکننده هستند. استفاده از پالسهای نانوثانیه مزایای متعددی دارد:
در طراحی مورد بحث در این مقاله، دستیابی به زمان صعود ۲۳ نانوثانیه و عرض پالس ۴۴ نانوثانیه، این دستگاه را به یک ابزار ایدهآل برای آزمایشگاههای تخصصی پلاسما تبدیل کرده است.
طراحی این دستگاه بر اساس نیازهای صنعتی و آزمایشگاهی با مشخصات زیر انجام شده است:
طراحی یک مولد پالسی پلاسما از چندین بخش حساس تشکیل شده است که هماهنگی آنها کیفیت پالس خروجی را تضمین میکند. طبق بررسیهای فنی، این سیستم شامل اجزای زیر است:
واریاک وظیفه ایجاد ولتاژ متغیر در ورودی را بر عهده دارد. این بخش به اپراتور اجازه میدهد سطح ولتاژ نهایی را به صورت دستی و دقیق تنظیم کند.
این بخش قلب کنترلی دستگاه است. وظیفه اصلی واحد ولتاژ پایین، تعیین و تنظیم فرکانس مورد نظر برای پالسهاست. در این طراحی، فرکانس ۵ کیلوهرتز به عنوان فرکانس بهینه در نظر گرفته شده است.
این واحد مسئول تولید ولتاژ نهایی ۵۰ کیلوولت است. به دلیل حساسیت بالای قطعات و جلوگیری از تخلیههای ناخواسته (Corona)، کل این مجموعه در داخل مخزن روغن عایق قرار میگیرد.
یکی از نوآوریهای به کار رفته در این مولد، استفاده از توپولوژی فشردهسازی مغناطیسی پالس است. در این روش، از کلیدهای مغناطیسی و ترانسفورماتورهای پالسی اشباعشونده استفاده میشود.
مزایای این روش عبارتند از:
هدف اصلی از طراحی این مولد پالسی پلاسما، ایجاد محیط مناسب برای تخلیه سد دیالکتریک است. در سیستمهای DBD، وجود یک لایه عایق (دیالکتریک) بین الکترودها ضروری است. برای عبور از این سد و ایجاد پلاسما، به ولتاژهای پالسی با نرخ تغییرات بسیار بالا (dV/dt) نیاز داریم.
مشخصات پالس این دستگاه (صعود ۲۳ نانوثانیهای) باعث میشود که ریزتخلیهها (Micro-discharges) به صورت کاملاً یکنواخت در سطح دیالکتریک توزیع شوند که نتیجه آن، یک پلاسما کاملاً پایدار و با چگالی بالا خواهد بود.
در فرآیند تست و کالیبراسیون این دستگاه، از اسیلوسکوپهای دیجیتال با پهنای باند بالا و پروبهای ولتاژ بالای تخصصی استفاده شده است. شکل موجهای بهدستآمده نشاندهنده دو پیک مجزا هستند:
تأیید صحت عملکرد این سیستم در فرکانس ۵ کیلوهرتز، نشاندهنده دقت در طراحی مدارات درایور و انتخاب صحیح هستههای مغناطیسی در بخش High Voltage است.
طراحی و ساخت این دستگاه در داخل کشور، مزایای استراتژیک زیادی دارد:
فناوری مولد پالسی پلاسما سنگبنای بسیاری از پیشرفتهای علمی آینده است. از استریلیزه کردن مواد غذایی در دمای پایین تا بهبود خواص سطحی ایمپلنتهای پزشکی، همگی وابسته به کیفیت پالسهای تولید شده توسط این تجهیزات هستند. طراحی مولدی با مشخصات ۵۰ کیلوولت و پالس نانوثانیه، گامی بلند در جهت دستیابی به پلاسماهای فرآیندی با کارایی بالاست.
ترکیب دانش پاور الکترونیک پیشرفته با نیازهای فیزیک پلاسما، راه را برای خلق ابزارهایی باز کرده است که پیش از این تنها در تئوری قابل تصور بودند.
