أنا طالب في المرحلة الرابعة في فرع الفيزياء ومشروعي للتخرج هو عن (( wave in plasma )) فأرجو منكم المساعدة جزاكم الله خير الجزاء في المشروع فمن أين أخذ المشروع وشكرا ً جزيلا ً لكم .
تقنية التخفي البلازمي
من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح, ابحث
تقنية التخفي البلازمي plasma stealth هي عملية مقترحة يستخدم فيها البلازما لتقليل المقطع العرضي الراداري للطائرة. دراسات التفاعل مابين الإشعاع الكهرومغناطيسي والبلازما قد زادت بشكل مكثف للإستفادة منها لعدة أغراض ، منها محاولة إخفاء الطائرة من الرادار بطريقة نظرية التخفي البلازمي, نظريا ممكن وذلك بتقليل المقطع العرضي الراداري RCS بتغطية هيكل الطائرة بالبلازما ولكن عمليا صعبة جدا, بعض الأساليب قد تكون قادرة بشكل معقول لإنتاج طبقة أو غيمة من البلازما حول الهيكل تتكون من شحنة كهربائية مبسطة أو ترددات راديوية تفرغ على عدة إحتمالات غريبة مثل الليزر البلازمي.
بداية الطريق
رغم مايبدو من صعوبة فنية من تصميم جهاز تخفي بلازمي لطائرات مقاتلة, إلا ان مطالبات تقول بأنه قد تم عرض منظومة مشابهة بروسيا عام 1999. في يناير ذلك العام عرضت وكالة الأنباء الروسية ايتار تاس مقابلة مع الدكتور اناتولي كوروتييف(مدير مركز كلديش للأبحاث, وهو المعهد الأبحاث العلمي للمعالجات الحرارية) وقد تكلم عن جهاز تخفي بلازمي طور داخل المنشأة, مما أدى بالإهتمام بشكل خاص على ضوء ماجاء به عالم ذو سمعة قوية ومعهده ذو الصيت الدولي بالمعالجات الحرارية الذي يعتبر من أكبر المعاهد بالعالم في مجال الفيزياء.
مجلة الدفاع الإلكتروني كتبت مقالة عن " تقنية نشوء ضبابة البلازما للقدرة على التخفي" طورت بروسيا وذلك بتقليل المقطع العرضي الراداري RCS بواسطة عامل 100. ووفقا لتلك المقالة الصادرة يونيو 2002 فإن جهاز التخفي البلازمي الروسي قد جرب على طائرة سوخوي27 وهي مقاتلة قاذفة. المجلة قالت أيضا بأن أبحاث مماثلة على قدرات البلازما لتقليل المقطع العرضي قد نفذت بواسطة معاهد وشركات بأمريكا وفرنسا.
البلازما وخصائصها
تكاد البلازما أن تكون المادة الموجودة بالكون كلها, وهي تعتبر شبه محايدة كهربيا بمعنى أن الشحنة الكهربية تكاد تقترب من الصفر وهي خليط من الأيونات والكترونات وجسيمات محايدة (وهي ذرات غير متأينة) البلازما ليست متأينة بالكامل ولكن لها قدرات تقنية قوية تمتد من إنارة الفلورسنت وحتى المعالجة في صناعة أشباه الموصلات.
تتفاعل البلازما بقوة مع الموجات الكهرومغناطيسية لهذا السبب يمكن استخدامها وبشكل معقول لتعديل إشارة الأجسام الرادارية. يعتمد التفاعل مابين البلازما والإشعاع الكهرومغناطيسي بقوة على الخصائص الفيزيائية أو المعامل المتغير للبلازما (الحرارة والكثافة):
فدرجة حرارة البلازما قد تبدأ من الصفر المطلق حتى تتعدى 109 كلفن (وللمقارنة فإن التنجستن تذوب بدرجة حرارة 3700كالفن).
كثافة البلازما تبدأ من أقل من جزيء بالمتر المكعب وتصل إلى كثافة أكثر من الرصاص
المجال واسع لخصائص البلازما من المعامل المتغير والترددات فهو موصل للكهرباء, وتأثره بالموجات الكهرومغناطيسية ذات التردد البسيط مشابه للمعادن, يعني ببساطة أنه يعكس إشعاع الموجات البسيطة الطارئة. والمهم باستخدام البلازما هو التحكم بالموجات الكهرومغناطيسية المرتدة من الجسم (التخفي البلازمي) وهو عملي جدا بالترددات العالية حيث قابلية البلازما بالتوصيل تسمح بالتفاعل بقوة مع موجات الراديو القادمة ولكن تلك الموجات ستمتص وتتحول إلى طاقة حرارية بدلا من انعكاسها.
بما أن البلازما يتماشى مع مجال واسع من الموجات, ففي حالة البلازما غير الممغنطة أكثر مايتصل بها هي البلازما المتذبذبة موجات لانجمير التي تتطابق مع الضغط الديناميكي للإلكترون. أما البلازما الممغنطة فهناك صيغ متعددة من الموجات ممكن اثارتها ممايمكنها من التفاعل مع اشعاع ترددات الرادار.
البلازما في الأسطح الدينامكية للطائرة
اهتم بطبقات البلازما المحيطة بالطائرة لأجل أغراض اخرى غير التخفي. هناك بحوث كثيرة على كيفية استخدام البلازما لتقليل المقاومة الديناميكية للهواء. مزاوجة ديناميكية الموائع الكهربائية electrohydrodynamic ممكن ان يستخدم لزيادة تسارع تيار الهواء بجوار السطح الديناميكي. هناك بحث اهتم باستخدام اطار البلازما للتحكم بطبقة القشرة الهوائية على الجناح في حالة السرعة المنخفضة بالنفق التجارب الهوائي, وهذا يظهر ان من الممكن انتاج بلازما على قشرة الطائرة ولكن لم يتم التعرف بعد ماإذا كانت تلك البلازما المنتجة من تجربة ديناميكية الهواء يمكن استخدامها لتقليل المقطع العرضي للرادار أو لأ؟.
امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي
عندما تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية كإشعاع الرادار في البلازما الموصلة فإن الأيونات والإلكترونات ستزاح من مكانها بسبب الفارق الزمني مابين المجال الكهربي والمغناطيسي, فالموجة تعطي طاقة للجزيء والجزيئ تلقائيا سيعيد بعض من الطاقة المعطاة إلى تلك الموجة ولكن باقي الطاقة سيمتص ويتحول إلى حرارة بعمليات تشبه التناثر أو تسارع الطنين (الصدى) وربما تتحول إلى شكل موجة أخرى أو تأثيرات اعوجاجية للموجة. تستطيع البلازما أن تمتص جميع طاقة الموجة وهذا هو سر التخفي للبلازما, بمعنى أن التخفي البلازمي يمكنه تقليل المقطع العرضي الراداري للطائرة وبشكل قوي مما يجعل من الصعوبة أو ربما استحالة التقاطها من الرادار, ولكن مجرد التقاط الطائرة بواسطة الرادار ليس معناه أنه يحتاج إلى الدقة بالهدف لكي يرسل إليه صاروخ أو طائرة اعتراضية .مع ذلك فإن تقليل المقطع العرضي سيقلل من مسافة الكشف الراداري مما يمكن الطائرة من الإقتراب من الهدف قبل اكتشاف أمرها.
المسألة المهمة هنا هو تردد الموجة القادمة, فالبلازما تعكس الموجات التي أقل من التردد المحدد (يعتمد على خصائص البلازما الموجودة هنا). وقد ساعد هذا الإتصالات ذات المدى البعيد لأن إشارة الموجات قصيرة التردد تُحجز مابين الأرض وطبقة الأيونوسفير(وهي نوع من البلازما) وهذا يساعدها للذهاب أبعد مايمكن, ويستخدمها رادارالإنذار المبكر الأفقي. أما الرادارات العسكرية المحمولة جوا ورادار الدفاع الجوي تعمل بحزمة الميكرويف حيث طبقة الأيونوسفير تمتص تلك الحزمة (استخدام اتصالات المكرويف مابين الأرض والقمر الصناعي يبين أن هناك بعض الموجات على الأقل تضيع داخل الأيونسفير).
كما راينا فالبلازما تجعل الطائرة غير مرئية بامتصاصها الإشعاع القادم إليها وتمنع أي إشارة تنعكس من الأجزاء المعدنية للطائرة, وقد تعدل الموجة المنعكسة منها حتى تربك أنظمة الرادار المضادة لها وذلك بطريقة إزاحة تردد الموجة المنعكسة مما يحبط فلترة رادار الدوبلر أو تجعل الموجة المنعكسة أشبه بالضوضاء فتصبح بلا فائدة منها.
من المهم التحكم بخصائص البلازما لسير عمل جهاز التخفي البلازمي, وذلك بعمل عيار يدوي لكثافة البلازما والحرارة والتكوين والمجال المغناطيسي حتى يمكن منع أنواع مختلفة من أنظمة الرادار من التقاطها, ولكن الرادارات التي عندها المرونة بتغيير تردداتها المرسلة قد تستطيع الإفلات من المنع البلازمي. بما أن هناك مواد تمتص اشعاع الرادار فتقنية التخفي البلازمي قد لايكون العلاج الناجع ضد الرادار.
لا تخلو تلك التقنية من مشاكل فنية عديدة مثل:
تنبعث من البلازما نفسها اشعاع كهرومغناطيسي.
مع مرور الوقت يعاد امتصاص تلك البلازما من جانب طبقة الجو مما يظهر جزء من الهواء المتأين خلف الطائرة عند طيرانها.
البلازما مثل اضاءة الفلورسنت تميل إلى انبعاث وهج مرئي وهي ليست بالضرورة متوافقة مع الملاحظة العامة.
من الصعوبة بمكان انتاج بلازما تمتص الرادار وتغطي جميع أجزاء الطائرة خلال السفر بسرعات عالية ولكن ممكن تقليل المقطع العرضي الراداري بقوة من خلال تغليف البلازما لأكثر الأسطح إنعكاسا مثل مراوح المحركات التوربينية turbojet engine fan blades ومدخل الهواء للمحرك engine air intakes والموازن العمودي للطائرة vertical stabilizers.
العمل بتلك النظرية مع القمر الصناعي السوفييتي sputnik
خلال معرفتنا في هذا الموضوع للقدرات العسكرية الواضحة, كان هناك بعض الدراسات التجريبية القليلة المتاحة لتأثير البلازما على المقطع العرضي الراداري للطائرة, لكن تفاعل البلازما مع تردد الميكرويف هو اكتشاف جيد في نطاق فيزياء البلازما. البداية تكون جيدة مع نصوص المراجع لفيزياء البلازما ونحتاج وقتا لمناقشة انتقال الموجة في البلازما.
من أهم المقالات المتعلقة بتأثير البلازما على المقطع العرضي الراداري نشر عام 1963بواسطة جمعية مهندسي الكهرباء و الإلكترونيات الأمريكية, والمقال كان بعنوان المقاطع العرضية الرادارية للعوازل أو الموصلات كروية الشكل المغطاة بالبلازما والإسطوانات الدائرية "Radar cross sections of dielectric or plasma coated conducting spheres and circular cylinders" وقبلها بست سنوات 1957 كان السوفييت قد أطلقوا أول قمر صناعي خلال البرنامج الفضائي المسمى سبوتنك-1, وعند المحاولة لتتبع مسار القمر الروسي لوحظ أن خصائص الإنتثار الكهرومغناطيسي تختلف عما كان متوقعا لمجال التوصيل كان ذلك خلال سفر القمر الصناعي داخل منطقة بلازمية.
الشكل المبسط لسبوتنك-1 القمر الروسي يساعد على توضيح مثالي لتأثير البلازما على المقطع العرضي للطائرة, طبيعيا شكل الطائرة تكون أكثر تفصيلا وأكثر تعددا للمواد المصنعة له ولكن التأثير الأساسي يبقى كما هو. في حالة السبوتنك الذي يطير خلال طبقة الأيونسفير بسرعات عالية ومحاط بقشرة من البلازما الطبيعية, سيكون هناك انعكاسين منفصلين للرادار: الأول يكون من الجسم الموصل للستالايت نفسه والآخر يكون من قشرة البلازما العازلة.
وقد اكتشف الباحثون أن القشرة العازلة البلازما قد تزيد أو تنقص نطاق الصدى للجسم, وإذا حالة من حالتي الإنعكاس المذكورتين سابقا ازدادت فإن الحالة الأخرى ستضعف مساهمتها بشكل عام. لذلك فإن الإشارة الكهرومغناطيسية التي تخترق قشرة البلازما ثم تنعكس من سطح الجسم ستنهار كثافتها خلال العودة كما شرحناها سابقا. التأثير المهم الملاحظ هو عندما يكون كلا الإنعكاسين متساويان, في بتلك الحالة سيكونان كطوران والمجال الناتج هو الذي يحدد المقطع العرضي الراداري. وعندما يكون الإنعكاسين مختلي التطاور سيحدث الإلغاء بين بعضهما البعض ، ومعنى ذلك عند حالات محددة سيصبح المقطع العرضي يساوي صفرا ويكون الجسم غير مرئي أمام شاشات الرادار.
التطبيقات البسيطة للتخفي البلازمي هو استخدام البلازما كهوائي: فسواري الهوائيات المعدنية يكون لها مقطع عرضي راداري كبير نوعا ما, ولكن عند وضع انبوب زجاجي مفرغ ممتلئ بالبلازما قليلة الضغط يمكن استخدامها كهوائي ويكون شفاف تماما على الرادار عند عدم استخدامه.
المصادر موقع شركة سوخوي www.sukhoi.org
البلاسما
من المعروف ان حالات المادة ثلاث وهى الغازية والسائلة والصلبة في درجات الحرارة العادية ولكن حينما تتعرض المادة لدرجة حرارة عالية جدا مثل باطن الشمس فان الالكترونات التى تدور حول النواة تكتسب طاقة هائلة فتتحرر من جذب النواة لها وتبقى النواة بدون بعض الكتروناتاته وتسمى المادة في هذة الحالة ب " البلاسما " اى ان حالات المادة اربعة وهى الغازية - والسائلة - الصلبة - البلاسما: التي تعتبر أحيانًا غاز أيوني. مع ملاحظة انه لكى يحدث تفاعل اندماجى نووى لابد اولا ان تكون الانوية عارية من الالكترنات حتى يسهل اندماجها اى تكون في حالة البلاسما ( كما يحدث في التفاعل الاندماجى في باطن الشمس بين انوية الهيدروجين ). وجود البلازما الطبيعي في الكون تحت درجات حرارة مرتفعة هو سبب تسميتها بالحالة الرابعة للمادة.فى عام 1879 اكتشف العالم السير وليام كروكس البلاسما و اطلق عليها انذاك المادة الإشعاعية . ودرس العالم طمسون خصائص و طبيعة البلاسما ، و يرجع الفضل في تسمية البلاسما إلى العالم ايرفنج في عام 1928 ربما لأنه رأى انها تشبة بلازما الدم .
تشكل البلاسما نسبة 99% من المادة الكونية بين النجوم و المجرات و بعض الكواكب تشكل البلاسما اغلب مادتها حيث يعتبر كوكب المشترى كتلة هائلة من البلاسما. وتوجد البلاسما في اشكال اخرى ففى الصناعة تستخدم في شاشات التليفزيون ، وفى لمبات النيون, و في الابحاث الخاصة بطاقة الانصهار ، و كذلك في اللحام ، و العديد من المجالات الصناعية و توجد البلاسما كذلك في الغلاف الجوى في طبقة الايونوسفير و ايضا في ظاهرة الشفق القطبى
خصائص و معاملات البلاسما
يعتمد تكون البلاسما على بعض العوامل الأساسيةو هى : معامل درجة التأين ، معامل درجة الحرارة ، كثافة البلاسما و كذلك المجال المغناطيسى و سوف نتناولهم بالشرح.
البلاسما 0000 الحالة الرابعة للمادة
إعداد : عبدالرحمن العنزي
1) البلاسما Plasma : (التسمية مشتقة من الكلمة اليونانية plassein ويعني يشكل أو يصوغ أو يقولب ) الحالة الرابعة للمادة . وهي غاز متأين ( متشارد ) جزئياً أو كلياً تتساوى فيه تقريباً كثافة الشحنات الموجبة والشحنات السالبة . ويوجد القسم الأعظم من الكون في حالة البلازما (النجوم والأجواء المحيطة بها، الغيوم السديمية، والفضاء الكائن بين النجوم ) . توجد البلاسما حول الأرض على شكل ريح شمسية تملأ الغلاف الأيوني (الأيونوسفير) والغلاف المغناطيسي (المغنطوسفير) للأرض. يتم الحصول على البلاسما في المختبرات والمصانع أثناء التفريغ الكهربائي كما أنها تتكون في عمليات الاحتراق والانفجار .
2) طبقات الغلاف الجوي Atmosphere layers: دلت الأبحاث والدراسات العلمية على أن الغلاف الجوي يختلف في تجانسه وخصائصه باختلاف الارتفاع بحيث يمكن تقسيمه إلى عدة مناطق أو طبقات. وسنحاول فيما يأتي إلقاء الضوء على خصائص كل طبقة بدءاً من الأسفل إلى الأعلى.
التربوسفير Troposphere :
تمتد هذه المنطقة (الطبقة) من سطح الأرض إلى حوالي 12 كم في المتوسط أعلى من سطح الأرض. تتميز هذه المنطقة بكثافتها العالية و بوجود غاز ثنائي أوكسيد الكربون CO2 وبخار الماء H2O بنسبٍ عالية. كما تنخفض فيها درجة الحرارة مع الارتفاع إلى حوالي 6.5 ◦س لكل كيلو متر. وتعد هذه المنطقة مسئولة عن الظواهر والتقلبات الجوية التي تتحكم في المناخ على سطح الأرض.
5)المادة في حالة البلاسما : ولادة البلاسما the deliver plasma: إن مصطلح البلاسما باللغة الألمانية plasmen zuzustand وضع لأول مرة عام 1939 من قبل عالمين ألمانيين. وكان هذا المصطلح ناجحاً من حيث التسمية حيث أن البلاسما بالفعل ليس صلباً ولا سائلاً ولا غازاً. إنها حالة خاصة من حالات المادة ناتجة عن التأين الحراري للغازات أي انفصال الالكترونات عن الذرّات وتحطم الجزيئات المتعادلة وتشاردها إلى أيونات موجبة وأخرى سالبة يبدأ عند درجات حرارة تزيد عن (5000–6000) درجة مئوية. إذن هل هناك ما يدعو إلى بحث هذه المسألة؟ ذلك لعدم وجود أية مادة يمكنها البقاء في درجة حرارة تزيد عن تلك. بلا شك هناك ما يدعو إلى بحث المسألة (البلاسما)! إن الغالبية العظمى (كما ذكرت) من الأجرام السماوية تقع في حالة البلاسما ومن المعلوم أن درجة تأين الغاز لا تعتمد على درجة الحرارة وحدها بل وعلى الضغط أيضاً.
مثال : نجد أن الهيدروجين عند ضغط ( 1 ) مم زئبقي يتأيّن تماماً من الناحية العملية في الدرجة (30000) م. وفي مثل هذه الظروف نجد أن كل ذرة متعادلة واحدة يقابلها (20000) جسيم مشحون. إن الهيدروجين في حالة البلاسما خليط من جسيمات غازين مختلفين تتحرك حركة عشوائية وتتصادم مع بعضها البعض هما "غاز" البروتونات H و"غاز" الالكترونات e.
البلازما الباردة: تلك الواقعة في درجات حرارة قدرها عشرات ومئات الآلاف من الدرجات المئوية . البلازما الحارة: تلك الواقعة في درجات حرارة قدرها ملايين الدرجات المئوية. تحدد درجة الحرارة بمدلول واحد وهو الطاقة الحركية للجسيمات ويتم التوازن الحراري في الغاز المؤلف من جسيمات ثقيلة وأخرى خفيفة فقط في حالة واحدة عندما تكتسب الجسيمات الثقيلة والخفيفة معدلاً متساوياً من الطاقة الحركية. أي أن الغاز الذي يبقى مدة طويلة من الزمن في ظروف مستقرة تكون فيه سرعة حركة الجسيمات الثقيلة أبطأ من سرعة الجسيمات الخفيفة وهذا ما يحدث في البلاسما. ذلك أن كتلة الإلكترون في نواة من النويّات أقل (أخف) ألفي مرة (تقريبا) من كتلة أصغر نواة من النويّات. كتلة البروتون = 1836 مرة كتلة الإلكترون وعند كل تصادم يقدم الإلكترون إلى النواة أو الأيون " قسماً " صغيراً فقط من طاقته وبعد عدد كبير من التصادمات تتساوى معدلات الطاقات الحركية لكافة جسيمات البلازما التي تسمى (البلاسما في درجة الحرارة الثابتة) وهي تلك الواقعة في الشمس والنجوم.
وإن سرعة حدوث التوازن في البلاسما الساخنة تتراوح بين أجزاء من الثانية وعدة ثوان وتختلف عن بلاسما التفريغ الغازي (الشرارة الكهربائية، القوس الكهربائي .... ) إذ أنه في هذه الحالة لا تتحرك الجسيمات حركة عشوائية فحسب بل تولد تياراً كهربائياً أيضاً. حيث تكون سرعة حركة الإلكترونات في التفريغ الغازي أكبر بكثير مما هي عليه بالنسبة للأيونات (البلاسما في درجة الحرارة غير الثابتة).
البروتون proton تسمية يونانية تعني الأول جسيم عنصري له شحنة كهربائية موجبة تساوي واحد. وهو أثقل من الإلكترون بـ 1836 مرة. حصل عليه (رذرفورد) عام 1919 بقذف غاز الآزوت بدقائق ألفا (نوى الهليوم) حيث اكتشف أول تفاعل نووي صناعي. إن التصادم بين دقيقة ألفا ونواة ذرة الآزوت تؤدي إلى انطلاق بروتون بسرعة كبيرة وتشكل أحد نظائر الاوكسيجين N + He O + H + طاقة حرارية. هليوم+ آزوت(نتروجين) نظير الأوكسجين +البروتون + طاقة حرارية.
الإلكترون electron جسيم عنصري ثابت ذو شحنة كهربائية سالبة وهو أحد المكونات الرئيسية في ذرات المادة كتلته m =1.9*10 kg شحنته الكهربائية e=1.6*10 كولوم اكتشفه طومسون عام 1897 (كان أول من تعرف على طبيعة الأشعة المهبطيّة وشحنتها).
يمكن وصف سلوك الجسيمات في البلاسما باستخدام النظرية الحركية للغازات:
تتحرك جزيئات الغاز حركة عشوائية دائمة في كل الاتجاهات وفي مسارات مستقيمة بسرعة كبيرة.
تصطدم الجزيئات بعضها ببعض وبجدران الوعاء الذي يحتويها وبذلك يتغير اتجاه حركتها باستمرار.
تزداد سرعة الجزيئات بازدياد درجة حرارتها وتنقص بنقصانها . وتبقى نفسها في درجة حرارة معينة.
الحجم الحقيقي لجزيئات الغاز صغير جداً إذا ما قورن بحجم الغاز الكلي أي إن المسافات بين الجزيئات كبيرة بحيث تكون قوة التجاذب بينها معدومة.
ينشأ ضغط الغاز نتيجة لاصطدام جزيئاته بجدران الوعاء الذي فيه.
البلاسما ..... الحالة الرابعة للمادة
1- البلاسما. 2- طبقات الغلاف الجوي. 3- تركيب المادة. 4- حالات المادة. 5- ولادة البلاسما. 6- سلوك الجسيمات في البلاسما. 7- خاتمة.
تعريف البلاسما
يعتبر وصف البلاسما على انها وسط متعادل من الجسيمات السالبة و الموجبة الشحنة، هو وصف فقير تعوزه الدقة وذلك ان تعريف البلازما لابد ان يتضمن ثلاثة معايير مما يعطى دقة أكثر وهى:-
تقارب الجسيمات المشحونة في البلازما في صورة قوية يعمل على التأثير فيما بين هذه الجسيمات. ولا يحدث هذا التأثير الا اذا توافر عدد كبير من الالكترونات مشكلة مايعرف بكرة ديبى Debye (او كرة الالكترونات). نصف قطرها هو طول ديبى Deby length. متوسط عددالجسيمات المشحونة في هذة الكرة هو عامل البلاسما.
حجم التفاعلات في البلاسما. حيث ان نصف قطر ديبى Debye صغير بالمقارنة بالحجم الطبيعى للبلاسما الموجودة في الكون. وهذا يعنى ان مقدار التفاعلات الحادثة في قلب كتلة البلاسما لها اهمية كبيرة عنها على حواف البلاسما اخذين في الاعتبار تأثير ما يحيط بالبلاسما من الوسط المحيط بها.
تردد البلاسما: تردد الالكترونات في البلاسما هو كبير بالمقارنة بتردد الالكترون في حالتة المتعادلة.
البلاسما وتسمى في أغلب الأحيان "الحالة الرابعة للمادة، الحالات الأخرى الثلاثة هي الصلبة، السائلة والغازية. البلاسما هي حالة متميّزة للمادة تحتوي على عدد هام من الجزيئات المشحونة كهربائيا بصورة كافية للتأثير على خواصه الكهربائية. بالأضافة إلى كونها مهمة في العديد من مظاهر حياتنا اليومية، ويقدر ان البلاسما تشكل أكثر من 99 % من الكون المرئي.
في الغاز العادي كل ذرة تحتوي عدد مساوي من الشحنات الموجبة والسالبة؛ الشحنات الموجبة في النواة محاطة بعدد مساوي من الألكترونات السالبة، وكل ذرة بشكل كهربائي محايدة. يصبح الغاز بلاسما عند إضافة الحرارة أو أية مصدر طاقة الأخرى لعدد هام من الذرات لإطلاق سراح بعض أو كل ألكتروناتها. الأجزاء الباقية من تلك الذرات تترك بشحنة موجبة، والألكترونات السالبة التي انفصلت تكون حرة الحركة. هذه الذرات وناتج الغاز المشحون كهربائيا يقال بأنه غاز مؤين، عندما تؤين الذرات بما فيه الكفاية للتأثير على الخصائص الكهربائية للغاز، فهو في هذه الحالة يكون حالة بلاسما.
في العديد من الحالات التفاعلات بين الجزيئات المشحونة والجزيئات المحايدة مهمة في تقرير سلوك وفائدة البلاسما. نوع الذرّات في البلاسما، نسبة الجزيئات المؤينة إلى الجزيئات المحايدة وطاقة الجزيء تؤثر في طيف واسع من انواع البلاسما ، وخصائصها وسلوكها. هذا السلوك يجعل من البلاسما كونها مفيدة في كثير وفي عدد متزايد من التطبيقات المهمة في حياتنا وفي العالم من حولنا.
خصائص البلاسما
البلاسما تتكون من جزيئات مشحونة تتحرك بحرية، بمعنى آخر، إلكترونات وآيونات، تشكلت في درجات حرارة عالية عندما انتزعت الألكترونات من الذرات المحايدة، البلاسما شائعة في الطبيعة. على سبيل المثال، النجوم بالدرجة الأولى هي بلاسما. البلاسما "حالة رابعة من المادة" بسبب صفاتها وطبيعتها الفريدة، المتميزة عن المواد الصلبة والسوائل والغازات. تتفاوت كثافة ودرجات حرارة البلاسما على نحو واسع.
تطبيقات البلاسما
شكل البلاسما اساسا قويا لمجموعة من تطبيقات وأدوات التقنية المهمة بالإضافة إلى فهمنا وادراكنا لمعظم الكون من حولنا.
فهي تزود الاساس والدعامة للتطبيقات الحالية مثل معالجة بلاسما أشباه الموصلات، تعقيم بعض المنتجات الطبية، المصابيح، الليزر، مايكرويف كهربائي عالي المصدر. وكذلك التطبيقات المحتملة المهمة مثل جيل الطاقة الكهربائية من الانشطار والسيطرة على التلوث وإزالة المواد الكيميائية الخطرة.
علم البلازما يستثمر تشكيلة متنوعة من مجالات العلم تتراوح من فيزياء البلازما إلى التطبيقات الكيميائية، الفيزياء الذرية والجزيئية، وعلم المادة. انتشارها وطبيعة تنوع حقول الدراسة تميّز طبيعة تكون البلازما، التي تتضمن الغازات المؤينة التي تتراوح من مؤين ضعيف إلى المؤين إلى حد كبير، ومن الاصطدامية إلى الثبات، ومن البرودة إلى الحرارة. هذه الشروط تميز تراوح البلازما المختلف من الغازات عالية الضغط نسبيا مع جزء صغير من الذرات المؤينة ومستوى قليل نسبيا من الجزئيات المشحونة بدرجات حرارة، على سبيل المثال، البلازما الستعملة في معالجة رقائق الحاسوب والاضاءة، إلى تلك الغازات ذات الكثافة المنخفضة جدا مع جزء كبير من ذرات الغاز المتأين والمشحونة بدرجة حرارة عالية جدا، على سبيل المثال، بلازما الإنشطار.
الأنواع المختلفة للبلازما تشكل اساس التطبيقات المتنوعة والظواهر الطبيعية المختلفة. على كل حال، العديد من الاعتبارات الاساسية لتنوع المجالات الواسعة التي تميز العديد من البلازما سواء الطبيعية منها او الصناعية والتي هي مهمة في حياتنا.
إن التنوع الذي يتضمن "علم بلازما" يجعل الموضوع صعب التمييز. على أية حال، هو ذلك التنوع نفسه الذي يجعله المساهم المهم في تشكيلة واسعة من التطبيقات والتطور التكنولوجي. تحت قائمة العديد من التطبيقات التقنية للبلازما.
بعض التطبيقات التجارية والصناعية للبلازما
معالجة الإشعاع مثل:-
• تنقية المياه
• نمو النباتات
المعالجة الحجمية مثل:-
• معالجة الغاز المسال
• معالجة النفايات
المعالجة الكيميائية مثل:-
• ترسيب رقائق الماس
• بودرة السيراميك
مصادر الضوء مثل:-
• مصابيح الكثافة العالية
• مصابيح الضغط المنخفض
• مصادر إضاءة خاصة
في الطب مثل:-
• معالجة السطوح
• تعقيم الآلات الطبية
إضاءة الفلورسنت وإشارات النيون
إثنان من نطبيقات البلازما الأكثر شيوعا على كوكبنا هو مصباح الفلورسنت، وإشارات النيون. فمنذ تطويرهم في الاربعنيات من القرن السابق اصبحت اللمبات الفلورسنت الاوسع إنتشارا في الإضاءة في كل مكان تقريبا في المكاتب والمصانع والمدارس، وفي البيوت أيضا. وتعمل إشارات النيون بنفس المبدء، وتقريبا اصبحت شائعة الاستخدام.
في هذا البحث سنلخص طبيعة تلك الأدوات الموجودة في كل مكان تقريبا، تركيزا على الانارة بالفلورسنت. بدء من الضوء الذي يمكن أن نراه من خارج اللمبة، وطريقة عملها.
الضوء
إن الضوء المنبعث من لمبة الفلورسنت يبدو أبيض في معظم الحالات، ذلك اللون الأبيض هو مجموعة (كما هو ضوء الشمس) من كل الوان الطيف المرئي. في حالة اللمبة الفلورسنت، المادة التي تعمل التوهج في الحقيقة هي مسحوق أبيض تغلف الزجاج الداخلي للمبة. هذا المسحوق (عموما يسمى phosphor، بالرغم من أنه لا يوجد أي فسفور فيه) هو الذي يبعث الضوء الأبيض الذي نراه خلال المصباح الفلورسنت ويسمى التالق الاشعاعي. يحدث هذا التألق الاشعاعي عندما تمتص ذرّة (أو جزئ) طاقة من المصدر (مثل فوتون الضوء، أو إصطدام بذرة اخرى) وبعد ذلك تصدر تلك الطاقة على شكل ضوء في خطوتان أو أكثر متتالية. في المصباح الفلورسنت، الضوء فوق البنفسجي الغني بالطاقة ومن خلال الإنبوب المشبع بالفوسفور، ثم يعاد اشعاع الطاقة بإرسال اثنان او ثلاثة موجات إضاءة ذات طاقة اقل. ولكون الطيف المرئي الذي تحسة أعيننا عند مستوى طاقة اقل من الاشعاع فوق البنفسجي، نحن يمكن أن نستعمل الإستشعاع الفوسفوري كمصدر ضوء.
من أين تصدر الاشعة فوق البنفسجي؟
لكي يتوهج بضوئه الأبيض المألوف، نحتاج إلى الفوسفور لكي يقصف بالضوء الفوق بنفسجي خلال المصباح. هذا الضوء الفوق بنفسجي انبعث من ذرات الزئبق الموجودة في الإنبوب المفرغ جزئيا. عندما يمتصّ الزئبق طاقة داخل المصباح (تعمل عادة كنتيجة للتأثر بالألكترونات الحرة السريعة جدا الموجودة في الإنبوب)، ويبعث بكفاءة في المنطقة فوق البنفسجية من الطيف، في الغالب طول موجة من 253.7 nm (وبمعنى آخر: 253.7 بليون متر). جزء صغير جدا من الغاز خلال المصباح هو زئبق؛ ذرات غاز الأرجون تفوق عدد ذرات الزئبق حوالي 300 إلى 1. كلتا النوعين من الذرات مشتركة فقط في أجمالي حوالي 1/100 من الضغط الجوّي خلال المصباح
أين تحصل الألكترونات الحرة على الطاقة؟
الألكترونات الحرّة التي تصطدم بذرّات الزئبق وتثيرهم كانوا أساسا منزوعين من ذرات الزئبق نفسها. ليستول الطريق للطرف الاخر، وإذا كانت طاقته عالية بما فيه الكفاية، يمكن أن يحرر إلكترون من ذرة اخرى ويخلق إلكترون حر إضافي. اما إذا كانت طاقته ليست عالية بما فيه الكفاية عندما تصطدم بذرة زئبق، يمكن أن يثير الزئبق بطريقة معينة بحيث أن الزئبق سيبعث اشعة فوق بنفسجية عندما يتخلى عن طاقته. تصنف هذه المجموعة من الألكترونات الحرة وآيونات الزئبق المتبقية مزيج الزئبق والأرجون كبلازما.
البلازما والفضاء
يعتقد العديد من الناس الفضاء بين الشمس وكواكبها فارغة لا تحتوي على شئ, فراغ مجرد من الطاقة أو المادة. لكن الفضاء ليس خاليا. تبعث شمسنا البلازما بشكل ثابت, المادة في حالة ساخنة بشدة، التي تنتقل بكل الإتجاهات في سرعات عالية المستوى جدا لتملئ كامل النظام الشمسي وما بعده.
بدراسة العمليات التي تحدث في غلاف الأرض المغناطيسي (حيث حقل الأرض المغناطيسي له تأثير أعظم من حقل الشمس الواسع بين الكواكب)، في الفضاء الواسع بين الكواكب، وحول كواكب أخرى، نحن قادرون بشكل أفضل على تقدير الدور المهم للبلازما في كافة أنحاء الكون البلازمي. يعتبر هذا المختبر الفضائي البلازمي نافذتنا إلى النجوم.
إن الغلاف المغناطيسي للارض مختفي عادة بسبب أن الهيدروجين المسيطر وآيونات الهليوم التي تصل في خلال الريح الشمسية لا تبعثر الضوء إلى أطوال الموجة المرئية. على أية حال، تبعث المذنبات آيونات أثقل تكون مرئية والتي ينشأ عنها ذيل من البلازما الرائع الشكل . صور غلاف الأرض المغناطيسي تظهر كأنها منطقة تفاعل مذنب كبيرة جدا.
إن الشمس هو نجم متغير، خصوصا في نواتجه من الإشعاع فوق البنفسجي والأشعة السينية والجزيئات والحقول المغناطيسية. الإختلافات الكبيرة المرسلة يحدث في كافة الأنحاء التي تقع داخل نطاق تأثير الشمس، وتدعى هيلوسفير Heliosphere والتي تتضمن الرياح الشمسية وكل غلاف النظام الشمسي المغناطيسي. ويعتبر الطقس الفضائي هو دراسة لكيفية ومدى تأثير بيئة الفضاء على رواد الفضاء وعمليات الاقمار الصناعية وأنظمة الإتصال وشبكات الكهرباء الأرضية. على المدى البعيد، الطقس الفضائي يمكن أن يساهم في تغيير مناخ عالمي بصفة أولية من خلال التغير البطئ في الإشعاع الشمسي.
بينما تتدفق الرياح الشمسية أمام غلاف الأرض المغناطيسي، يتفاعل مع الحقل الجيومغناطيسي ويعمل كمولد كوني الذي ينتج ملايين الأمبيرات من التيار الكهربائي. بعض هذا التيار الكهربائي يصب في الغلاف الجوي العلوي للأرض الذي يضيئ مثل إنبوب نيون لخلق الشفق القطبي الجميل. إن الشفق دائما موجودا ذلك لأن مصدر الريح الشمسية متواجد دائما، وهم يشكلون حلقة من الإشعاعات ضمن الأيونوسفير تتمركز على كلا القطبين المغناطيسي في خط عرض عالي. على أية حال، عادة ما يروا ماعدا في الليل وأثناء العواصف الجيومغناطيسية. في منتصف الشتاء، سكّان فيربانكس وهي منطقة في الاسكا، يتمتعون بعرضين للشفق كل ثلاث ليالي
اخي تكدر تكتب بالكوكل (موجة في البلازما)
اشكرك جزيل الشكر وأنا ممنون لك جدا ً جدا ً وبارك الله فيكي ووفقك يا رب لعمل الخير .
جزاك الله خير الجزاء بحق محمد وال محمد .
أذا أمكن لو سمحت بحث عن نفس الموضوع ولكن باللغة ألأنكليزية فأنا لست متقن اللغة ألأنكليزية ولذلك عندما أبحث باكوكل لا أعرف شيئا ً بصراحة لعدم معرفتي باللغة ألأنكليزية فأذا تكرمت وأعطيتيني بحثا ً فأكون ممنونا ً لك وشاكرا ً وأنشاء الله في ميزان حسناتك يا رب فلم تقصري أرجو أن لا أثقل عليك . بارك الله فيك.
اخي انه حاضرة لكل محتاج واخذ البحث من عيوني
Riding the Plasma Wave of the Future
by Matthew Early Wright A creative group of trailblazers is reinventing particle acceleration by making electrons and positrons surf a wave of plasma.
Particle accelerators have a history of getting larger. Using current technology, it seems the easiest way to produce more powerful machines is to increase their size. But can physicists afford to continue building these enormous machines, or does accelerator technology need a fundamental revision?
Caolionn O'Connell of Stanford Linear Accelerator Center thinks so. "We're working on something that can revolutionize the way accelerators work," she says.
O'Connell is among a handful of physicists pioneering the field of "plasma wakefield" acceleration: coaxing electrons and positrons to surf a wave of ionized plasma created in the wake of a laser burst or electron beam. The technology might one day make compact, tabletop-sized accelerators a reality, and dramatically increase the rate of acceleration possible with traditional radiofrequency machines.
But tabletop accelerators won't appear soon. "There's still some fundamental physics we don't know about," warns Chris Barnes, O'Connell's colleague at SLAC. "We still have some basic engineering questions to answer."
اخي هاي صورة افتحهه اوكي مهمة بالموضوع
http://www.symmetrymagazine.org/images/200504/riding1.gif
We have demonstrated this to be an amazing technology," O'Connell says. "But we have a lot of little steps to take before it's ready for use."
The next, next generation
The radiofrequency (rf) technology driving existing particle accelerators is showing its age. The rf-generated electric fields that traditionally accelerate particles are constrained by an absolute upper limit, beyond which the fields become unstable. Worse yet, pushing past this limit may even melt the accelerator's cavity. As O'Connell puts it, "that would be very, very bad."
Plasma wakefield accelerators can subvert this problem by filling the accelerator cavity with plasma—a "soup" of ionized gas in which electrons are stripped from atoms. Plasma can handle heavier energy flows, enabling these accelerators to dodge the issue of structural failure.
The acceleration rate of a modern particle accelerator is often measured in MeV (millions of electron volts) per meter. That is, electrons typically feel millions of volts of electric fields accelerating them through every meter of the machine. Most rf machines are pushing up against the hard ceiling on acceleration rate, which tops out at around a few tens of MeV per meter. So the only way to generate more powerful collisions using rf is to make longer, more expensive accelerators.
But by some estimates, plasma acceleration technology could potentially achieve rates in the GeV (billions of electron volts) per meter range. If plasma accelerators deliver on this promise, huge rf accelerators like the Large Hadron Collider (LHC) and the proposed International Linear Collider (ILC) might be the last of their kind.
The improved performance of plasma technology translates to more acceleration in less space. This can mean one of two things. On one hand, plasma machines may one day make the vaunted "tabletop" accelerator a reality. Lengths measured in meters rather than kilometers could bring accelerator labs within the reach of any university or industrial lab.
On the other hand, O'Connell envisions plasma "afterburners" that could be used to upgrade existing rf accelerators. If this application materializes, particle physicists might be able to use facilities like LHC and ILC to perform experiments beyond their imaginings.
If large, superconducting accelerators like LHC and ILC are the "next generation," then plasma technology offers promise for the "next, next generation." O'Connell estimates that practical, commercially feasible plasma machines are at least 10 to 20 years away.
"We have demonstrated this to be an amazing technology," O'Connell says. "But we have a lot of little steps to take before it's ready for use."
http://www.symmetrymagazine.org/images/200504/riding2.gif
http://www.symmetrymagazine.org/images/200504/riding2.gif
http://www.symmetrymagazine.org/images/200504/riding2.gif
http://www.symmetrymagazine.org/images/200504/riding2.gif
Surf's up
For O'Connell and Barnes, thinking about surfing is part of their work. And for good reason: it's a fitting analogy to use in describing plasma accelerators. More accurately, plasma acceleration is a lot like "wake surfing." Unlike catching natural waves at the beach, wake surfing depends on a specially designed, rear-ballasted boat to make waves large enough to surf. As the boat speeds across the surface of a lake with its bow tilted skyward, it leaves a powerful, rippling wake behind it. The surfer, initially towed by a rope, can eventually let go and free-surf in the wake.
To extend the metaphor to plasma accelerators, imagine a mass of plasma as the lake. A driving force, such as an electron pulse or a laser pulse, acts as the boat. The particle bunch is the surfer, gaining energy as it is pushed along by the plasma wake.
The two types of "boats" used to generate the plasma wake—either electrons or lasers—involve different physics. Accelerator physicists tend to specialize in one form or another, partly because they require access to very different facilities. O'Connell and Barnes perform electron-beam driven experiments at SLAC.
The system they have developed uses a single electron bunch as both the boat and the surfer. "The leading electrons drive a wave in the plasma that's analogous to the wake behind any boat," Barnes explains. "The trailing electrons then surf on the wake, gaining substantial amounts of energy at the expense of the first particles." But this method requires a pre-existing beam source, much like the one at SLAC, to provide the energy needed to drive the process. The presence of the plasma increases the efficiency of the acceleration and prevents overloading of the beam cavity.
"Basically, the system acts as a transformer where we take energy from the head of the beam, and give it to the tail," says O'Connell. This one-bunch system is effective, but O'Connell believes it can be improved upon. Eventually, their research group plans to transition to a two-bunch system, with a leading bunch used exclusively to drive the wake.
Laser driven acceleration is similar in principle to beam driven acceleration. But instead of depending on the leading electrons in the bunch to generate the plasma wake, a short, 10 femtosecond pulse (10 quadrillionths of a second) from a high-energy laser is used instead. A recent set of publications describes the results of three separate groups working on laser acceleration.
Unlike in beam accelerators, for which the electron bunch is also the accelerating force, injecting the electron bunch into the plasma wake at the right time and place has been a challenge for laser accelerators. Zulfikar Najmudin, who works with laser accelerators at Imperial College, London, explains that "like the surfer, the particles must have some velocity in the direction of the wave, otherwise the wave will just wash over them." But each of the research groups independently demonstrated that if the wave is large enough, electrons can be caught up in the wave "just like the froth that is sometimes carried forward on the crest of breaking ocean waves."
Building a better surfboard
While the underlying principle is the same for laser- and beam-driven accelerators, the technical challenges of each are very different. Najmudin thinks part of this is due to a historical gap. "Electron beam facilities have more than 60 years of development, whilst the first laser beam was only demonstrated 40 years ago," he explains. For now, this means that electron beam accelerators are more reliable and reproducible than laser accelerators, he says.
Csaba Toth of Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) believes this will improve as lasers become more compact and efficient. "The current systems are still multi-tabletop, complex arrangements," he says. "We expect major changes in the next five to six years on this front as diode-pumped and high-efficiency lasers become more widespread and economical."
The nature of the physical interaction between a laser pulse and a mass of plasma also presents a problem. Unlike an electron pulse, which tends to stay focused in plasma, a laser pulse will spread out as it travels farther, spreading the wake with it. The longer the plasma chamber, the more of a problem this becomes. The introduction of more efficient lasers will help, but there is still a limit beyond which the problem must be attacked from other angles.
Toth and principal investigator Wim Leemans, with the rest of their group at LBNL, have devised a possible solution. They used a preformed channel of dense plasma to guide the laser beam, in much the same way an optical fiber can guide light. This strategy extended the length of the tightly focused plasma wake by an order of magnitude.
Even with such modifications, laser acceleration is so far only possible over minuscule distances. Laser-driven setups such as those at LBNL and Imperial College function on the millimeter scale. In contrast, the beam-driven plasma chambers O'Connell and Barnes use in their work are 10-30 centimeters long. To extend the acceleration distance of laser machines, Toth believes the answer lies in linking together, or "staging" several laser units.
Barnes enjoys the advantages in working with beam-driven systems. "The problem is lasers don't stay focused, so the net energy gain is very small," he says. "Electron bunches want to stay focused, so we can exploit the plasma, rather than fight against it."
This is one reason why O'Connell chose to do her doctoral work at Stanford. "SLAC has a unique combination of a high-energy facility and a high-quality beam," she says. "Both of these are absolutely necessary. This is an experiment that has to happen at SLAC."
If rf-boosting "afterburners" become a reality, these will almost certainly be of the beam-driven type. Since these units depend on preformed electron bunches produced by standard rf acceleration, relatively short plasma units could be inserted directly into the beamline to give a substantial boost. O'Connell estimates that this strategy could double the energy of a facility like SLAC.
"For the time being, we're still in the proof-of-principle stage," Barnes says. "Just proving that we've substantially accelerated particles for a macroscopic distance is our major result."
"This work requires some wildly disparate skills—we need to know a little about a lot of different things."
Over the horizon
Everyone working in the field agrees that it will be decades until either beam- or laser-driven plasma wakefield accelerators are used to probe the nature of matter. But other applications may be just around the corner, comparatively speaking.
"Beams with energy on the GeV scale are expected to be generated in the next few years," says Leemans. This could open up a number of uses for plasma acceleration, such as generating light sources for fine-scale imaging, producing radioactive isotopes for medical use, and creating gamma-ray and terahertz radiation for materials testing.
Eventually, the laser and electron beam camps may not be divided along such distinct lines. Laser-driven machines offer compact size, standalone capability, and higher energy outputs. On the other hand, beam-driven systems are reliable, tightly focused, and can generate a plasma wake over substantial distances.
Leemans believes that the two approaches are equally important to pursue. "Developing both technologies and understanding the similar physics between both beam- and laser-driven systems is important and complementary," he says.
Barnes agrees: "It might be that a hybrid is more effective. But that's a 'pie-in-the-sky' scenario, way off in the future."
For now, the plasma researchers all seem to enjoy being one of a handful of surfers on a particularly choice wave. "This work requires some wildly disparate skills—we need to know a little about a lot of different things," says Barnes. "But I like being way in front of theory."
O'Connell knows a transition is coming, from proof-of-principle to practical application and meeting the needs of particle physicists. "But for now the field is so new, we can publish every piece of data we get," O'Connell says with a satisfied grin. "It's so fringe, and so cool, with so many possibilities. How could you not love it?"
ارجو ان اكون قد وفقت في نقل البحث اليك اخي الحلاق وانشاء الله تستفاد
والله ماقصرتي معي واللهم ربي يجازيكي كل خير بحق محمد وال محمد .
يا رب يوفقك في الدنيا والاخرة بحق الحبيب المصطفى صلى الله عليه واله وسلم .
اخي انه انشاء افيد كل محتاج