Yeni bir plazma cihazı tasarımı ve imalatı
Design and implementation of a new plasma device
Yazar: BEKİR DURSUN
Danışman: PROF. DR. EROL KURT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Plazma = Plasma

Özet:
Bu tezde, yeni bir plazma cihazı tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiş olup bu yenilikçi cihaza "DA beslemeli torus plazma cihazı (DABTPC)" ismi verilmiştir. CST Studio ile yapılan tasarım ile sonlu elemanlar analizi ve parçacık yörüngeleri yaklaşımı kullanılarak farklı DA potansiyel değerleri altında, toroidal ve poloidal akımların farklı değerleri için elektronların dinamiği incelenmiştir ve plazma akımları araştırılmıştır. Benzetimler sonucunda toroidal ve poloidal akımlara bağlı olarak manyetik adaların oluşabileceği, yer yer türbülanslı plazma yapılarının elde edilebileceği görülmüştür. Özellikle poloidal akımın görece düşük olduğu  değerlerde parçacık yörüngelerinin torus tipi hacme çok iyi şekilde hapsedildiği ancak poloidal akımın yüksek olduğu değerlerde ise parçacıkların DABTPC duvarı ile etkileşime girdiği saptanmıştır. Benzetim çalışmalarında, DA geriliminin -2 kV değerlerinde döteryum ortamında gerçekleştirilen çalışmalarda, yüksek basınçlarda, maksimum toroidal ve poloidal manyetik alanların sırasıyla 1,0x10-5 T ve 8,4x10-1 T olduğu görülmüş, maksimum plazma akım yoğunluğunun ise 2,91x10-3 A/m2 olduğu bulunmuştur. Döteryum ile gerçekleştilen deneylerde Tungsten elektrotların çok verimli çalıştığı gözlenmiştir. 10-3 mbar dan 1atm basınca kadar farklı basınç kademelerinde cihazın plazma karakteristikleri teşhis edilmiştir. Sıklıkla toroidal ve poloidal manyetik alanlara bağlı olarak manyetik adaların hem ilerleyen hem de durağan dalgalar formunda oluştuğu gözlenmiştir. Döteryum ile yapılan deneylerde 2,7 mA plazma akımları 1,12x10-1 mbar basınçlarda gözlemlenmiştir. Ayrıntılı araştırmalar ile gaz ortamı için torus geometrisindeki cihaz için Paschen eğrisi elde edilmiş olup kırılma gerilimleri 4,2 kV olarak Döteryum için bulunmuştur. İlaveten, Rogowski bobini çalışmalarıyla Döteryum dolu deneylerde 2,5 MHz'lik radyo frekans (RF) sinyallerin plazma tarafından oluşturulduğu gözlenmiştir. Aynı zamanda görünür bölge, infrared ve mor ötesi bölgelerde elektromanyetik ışımalar saptanmıştır. Langmuir sondası deneylerinde döteryum için plazma sıcaklıkları     2981 eV iken elektron yoğunlukları ise 2,8x1010 m-3 olarak bulunmuştur. Neticede tasarlanıp imal edilen DABTPC'nın, nükleer füzyon çalışmalarında, soğuk ve sıcak plazma çalışmalarında ve elektromanyetik spektrumun geniş bir bölgesinde kullanılabileceği söylenilebilir. Bu sebepten savunma sanayinde, tıpta, tarımsal ışınlama faaliyetlerinde ve malzeme bilimi uygulamalarında kullanılabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
In this thesis, a new plasma device is designed and manufactured, and this innovative device is named as "DC-fed torus plasma device (DCFTPD)". The electron dynamics is examined for different values of toroidal and poloidal currents under different DC potential values and plasma currents by using the finite element analysis and particle orbits approaches with a CST Studio design. As a result of the simulations, it has been seen that magnetic islands can be formed depending on toroidal and poloidal currents and turbulent plasma structures can be obtained in some places. It is determined that especially at values, where the poloidal current is relatively low, the particle orbits are very well-confined to the torus type volume, but at the values, where the poloidal current is high, the particles interact with the wall of DCFTPD. In simulation studies performed in a Deuterium environment at -2 kV DC voltage values and at high pressures, the maximum toroidal and poloidal magnetic fields are found to be 1,0x10-5 T and 8,4x10-1 T, respectively and the maximum plasma current density is found to be       2,91x10-3 A/m2. In experiments performed with Deuterium, it is observed that the Tungsten electrodes work very efficiently. In the experiments, the plasma characteristics of the device is diagnosed at different pressure levels from 10-3 mbar to 1 atm. It has been observed that the magnetic islands are frequently formed in both travelling and stationary waveforms depending on the toroidal and poloidal magnetic fields. The maximum plasma current 2,7 mA is observed under the pressure 1,12x10-1 mbar. With detailed research, the Paschen curve is obtained for the device in torus geometry for the gas environment, and the breakdown voltage is found to be 4,2 kV for Deuterium. Additionally, it has been observed that 2,5 MHz radio frequency (RF) signals are generated by plasma in the Deuterium-filled experiments with Rogowski coil studies. At the same time, electromagnetic radiations are detected in the visible, infrared and ultraviolet regions. In the Langmuir probe experiments, plasma temperature for Deuterium is found to be 2981 eV, while electron density is found to be 2,8x1010 m-3 As a result, it can be said that this designed and manufactured DCFTPD can be used in nuclear fusion studies, cold and hot plasma studies and in a wide region of the electromagnetic spectrum. For this reason, it is thought that it can be used in the defense industry, medicine, agricultural irradiation activities and material science applications.