—103

1-30- باززایی گیاهان کشت شده 34
1-31- مراحل ریزازدیادی از طریق کشت درون شیشه ای 35
1-32- استقرار در محیط کشت 35
1-33- ایجاد شاخساره و پرآوری و تکثیر انبوه از طریق کشت های متوالی 35
1-34- ریشه زایی گیاهچه های تولیدشده 35
1-35- تولید متابولیت های ثانویه در گیاهان در شرایط درون شیشه ای 36
1-36- روش کشت کالوس 36
1-37- روش کشت سوسپانسیون سلولی 37
1-38- اهداف تحقیق 38
فصل دوم: مروری بر منابع 39
2-1- سوابق استفاده از رازیانه در کشت بافت 40
2-2- تحقیقات کشت بافت بر روی گیاهان دیگر 43
فصل سوم: محل انجام آزمایش 46
3-1- مواد شیمیایی 47
3-2- تهیه بذر47
3-3- محیط کشت، ترکیبات و چگونگی آماده سازی آن . . 47
3-4- تهیه محلول مادری MS(غلظت x10) ……… …………… …………………… 47
3-5- مراحل سترون سازی51
3-5-1- سترون سازی بذرها51
3-5-2- سترون سازی محیط و وسایل کار 52
3-5-3- تولید گیاهان سترون جهت تیمارهای مختلف 52
3-6- کشت گیاه در محیط های تیماری به منظور کال زایی 54
3-7- باززایی57
3-8- کشت سوسپانسیون سلولی در محیط کشت MS مایع 58
3-9- جداسازی ترکیبات فرار 58
3-10- آنالیز آماری 59
فصل چهارم: نتایج و بحث
60
4-1- نتایج کالوس سازی ریزنمونه های گیاه رازیانه در محیط کشت حاوی ترکیبات هورمونی مختلف 61
4-2- نتایج باززایی ریزنمونه های گیاه رازیانه در محیط کشت حاوی ترکیبات هورمونی مختلف 65
4-3- نتایج حاصل از اثر غلظت های مختلف هورمون BAP بر اندازه ساقه و ریشه و تعداد برگ در گیاه رازیانه 70
4-4- بررسی ترکیبات شیمیایی گیاه رازیانه تحت تاثیر تیمارهای مختلف هورمونی از طریق
کشت سوسپانسیون سلولی 74………………………………………………………………………….
4-5- مقایسه درصد سطوح ترکیبات شیمیایی مشترک حاصل از کشت سوسپانسیونی گیاه رازیانه در تیمارهای مختلف هورمونی
75
4-6- اشکال طیف گاز کروماتورگراف در اسانس گیاه رازیانه تیمارشده با ترکیبات هورمونی مختلف.........................77
فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری کلی
81
بحث 82
پیشنهادات86
منابع 87

چکیده انگلیسی 98……………………………………………………………… ………………….

فهرست شکل ها
عنوان شکلصفحه
شکل 1-4- مراحل رشد جنین های جنسی و غیرجنسی...………………………………………………….……….29
شکل 4-1- کالوسهای بوجود آمده در محیط کشتهای غلظت 4میلی گرم بر لیتر و 1 میلی گرم بر لیتر.................................................................................................................................60
فهرست جدول ها
عنوان جدول صفحه
جدول 1-1- . مقایسه مقدار تولید برخی ترکیبات دارویی حاصل از کشت سوسپانسیون سلولی با گیاه کامل................33
جدول 3-1- ترکیب و غلظت‌های هورمونی مورد استفاده در القاء و رشد کالوس در محیط ……………….MS51
جدول 3-2- ترکیب و غلظت‌های هورمونی مورد استفاده در باززایی رازیانه در محیط MS2/1…………..……54
جدول 4-1- نتایج تجزیه واریانس حاصل از بررسی تاثیر ریزنمونه، ترکیبات هورمونی محیط‌کشت و اثرات متقابل این فاکتورها بر میزان کالوس‌زایی…………..……………………………………………………… 58
جدول 4-2- نتایج مقایسه میانگین حاصل از بررسی تاثیر ترکیبات مختلف هورمونی بر میزان درصد کالوس‌زایی به روش آزمون LSD در سطح پنج درصد……………………..………………………………………... 58
جدول 4-3- نتایج مقایسه میانگین حاصل از بررسی تاثیرریزنمونه‌های رازیانه بر میزان درصد کالوس‌زایی به روش آزمون LSD در سطح پنج درصد …………..…………………………………………………..60
جدول 4-4- نتایج مقایسه میانگین حاصل از بررسی اثرات متقابل ریزنمونه در ترکیبات مختلف هورمونی بر میزان کالوس‌زایی به روش آزمون LSD در سطح پنج درصد ............................................................................................................ 61
HYPERLINK l "_Toc302924107" جدول HYPERLINK l "_Toc302924106" 4-5- نتایج تجزیه واریانس حاصل از بررسی تاثیر ریزنمونه، ترکیبات هورمونی محیط‌کشت و اثرات متقابل این فاکتورها بر میزان باززایی...................................................................................................................................................................63

جدول 4-6- نتایج مقایسه میانگین حاصل از بررسی تاثیر ترکیبات مختلف هورمونی بر میزان درصد باززایی به روش آزمون LSD در سطح پنج درصد …...............................................................................................................................63جدول 4-7- نتایج مقایسه میانگین حاصل از بررسی تاثیرریزنمونه‌های رازیانه بر میزان درصد باززایی به روش آزمون LSD در سطح پنج درصد65… ………………………………………………………………
جدول4-8- نتایج مقایسه میانگین حاصل از بررسی اثرات متقابل ریزنمونه در ترکیبات مختلف هورمونی بر میزان باززایی به روش آزمون LSD در سطح پنج درصد ………………………………….. … …….. 66
جدول4-9- نتایج تجزیه واریانس اثر غلظت های مختلف هورمون BAP بر صفات اندازه ساقه و ریشه و تعداد برگ در گیاه رازیانه ...................................................................................................................... ..........................................................68
جدول4-10- مقایسه میانگین اثر غلظت های مختلف هورمون BAP بر صفات اندازه ساقه و ریشه و تعداد برگ در گیاه رازیانه ........................................................................................................................................................................................69
جدول 4-11- ترکیبات شیمیایی حاصل از اسانس گیاه رازیانه....................................................................................................71

TOC h z c "شکل"
فهرست نمودارها
عنوان نمودار صفحه
نمودار4-1- تاثیر ترکیبات مختلف هورمونی بر میزان درصد کالوس‌زایی………………..…………… ........59
نمودار4-2- تاثیرریزنمونه‌های رازیانه بر میزان درصد کالوس‌زایی61
نمودار4-3- اثرات متقابل ریزنمونه در ترکیبات مختلف هورمونی بر میزان کالوس‌زایی 62
نمودار4-4- تاثیر ترکیبات مختلف هورمونی بر میزان درصد باززایی64
نمودار4-5- تاثیرریزنمونه‌های رازیانه بر میزان درصد باززایی............................................................................................ 65
نمودار4-6- اثرات متقابل ریزنمونه در ترکیبات مختلف هورمونی بر میزان باززایی.... ...........................................................67
نمودار4-7- اثر غلظت های مختلف هورمون BAP بر میزان اندازه ساقه گیاه رازیانه69
نمودار4-8- اثر غلظت های مختلف هورمون BAP بر میزان اندازه ریشه گیاه رازیانه 70
نمودار4-9- اثر غلظت های مختلف هورمون BAP بر تعداد برگ ایجاد شده در گیاه رازیانه............................................70
نمودار 4-10- مقایسه درصد سطوح ترکیب شیمیایی (E,E) 2,4-Decadienal در گیاه رازیانه تیمار شده با غلظت های هورمونی مختلف...................................................................................................................................................72
نمودار 4-11 مقایسه درصد سطوح ترکیب شیمیایی D-(+)-fenchone در گیاه رازیانه تیمار شده با غلظت های هورمونی مختلف....................................................................................................................................................73

فصل اول
مقدمه
مقدمه
گل ها و گیاهان، خاموش ترین موجودات و در عین حال گویاترین مظهر قدرت و عظمت آفرینش هستد. هر برگی از این موجودات زیبا، کتاب بزرگی در وصف توحید است. گلها و گیاهان نه تنها با الوان و اشکال بدیع و بیبدیل خود سفرهی طبیعت را زینت میبخشند بلکه آن را چنان سرشاری از نیروی حیاتی میسازند که هیچ بساطی را یارای رقابت با آن نیست (امیدبیگی، 1377 .( با آن که امروزه درمان بیماریها بیشتر از طریق مصرف داروهایی صورت میگیرد که منشأ صنعتی دارند و اختصاصاً در آزمایشگاهها تهیه میشوند ولی مصرف بعضی از آنها زیانهایی به بدن میرساند و عوارض جانبی بسیاری از آنها ثابت شده است. در اوایل قرن حاضر پیشرفت علم شیمی و کشف سیستمهای پیچیدهی سنتز ارگانیک منجر به توسعهی صنعت داروسازی و جایگزینی شیمی درمانی شد. بدین طریق پزشکی مدرن توانست بسیاری از بیماریها غیرقابل علاج و غالباً مرگآور را درمان کند. با وجود این گیاهان دارویی و داروهایی که از آنها تهیه میشدند هرگز به طور کامل کنار گذاشته نشدند. طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی امروزه بیش از 80 درصد مردم جهان (نزدیک به 5 میلیارد نفر)، برای درمان بیماریها هنوز از داروهای گیاهی استفاده میکنند. تقریبا یک چهارم داروهای تهیه شدهی دنیا منشأ گیاهی داشته که یا مستقیماً از گیاهان عصارهگیری شده و یا براساس ترکیب گیاهی، سنتز شدهاند. واژه گیاهان دارویی تنها به تسکین دهنده آلام اطلاق نمیشود بلکه این گیاهان در زیر گروه غذا به عنوان طعم دهندهها، نوشیدنیها، شیرین کنندهها، رنگ طبیعی بوده همچنین به عنوان ماده اولیه محصولات آرایشی و بهداشتی نیز مورد استفاده قرار می گیرند (امیدبیگی، 1376).
درواقع گیاهانی که حداقل دارای صفات زیر باشند،گیاه دارویی نامیده میشوند:
1- در پیکر این گیاهان مواد ویژه ای به عنوان مواد مؤثر یا متابولیتهای ثانویه ساخته و ذخیره میشوند که برای مداوای برخی از بیماریها مورد استفاده قرار میگیرند. مواد مذکور طی فرآیندهای ویژه و پیچیده بیوشیمیایی و به مقدار بسیار کم (به طور معمول کمتر از یک درصد وزن خشک گیاه)، ساخته میشوند.
2- اغلب ممکن است اندام ویژهای چون ریشه، برگها، ساقه، گل، میوه و غیره بیشترین مواد مؤثر را داشته باشند، بنابراین همیشه نمیتوان کل اندام گیاه را منبع ماده دارویی ویژهای دانست.
3- اندام گیاهی برداشت شده، آماده سازی و فرآوری میشوند، یعنی تحت تأثیر عملیات ویژهای مانند جداسازی، خرد شدن، خشک کردن، تخمیر و غیره قرار گرفته و سپس استفاده میشوند. به طور معمول این اندامها به صورت سنتی و فقط با خشک کردن به عنوان کالای عطاری عرضه میشوند.
جایگاه اقتصادی گیاهان دارویی در جهان و ایران
رویکرد روز افزون استفاده از گیاهان دارویی و فرآوردههای حاصله از آن نقش این گیاهان را در چرخه اقتصاد جهانی پررنگتر کرده است. طوریکه مصرف روبه تزاید آن تنها به کشورهای در حال توسعه اختصاص نداشته، بلکه یکی از فاکتورهای مهم بهداشتی کشورهای پیشرفته نیز محسوب میگردد. در جهان 130 میلیون تن گیاه دارویی سالانه خرید و فروش میشود و حدود یک میلیون کارخانه دارویی در چند سال اخیر افزایش یافته است. طبق برآوردهای صورت گرفته در سالهای اخیر، ارزش بازارهای جهانی داروهای گیاهی که شامل گیاهان دارویی و فرآوردههای آنها است، رشد قابل توجهی داشته است. بخش اعظم بازار گیاهان دارویی دنیا، به تولید و عرضه متابولیتهای ثانویه مشتق از این گیاهان مربوط میشود. متابولیتهای ثانویه معمولاً از ارزش افزوده بسیار بالایی برخوردارند به طوریکه ارزش فروش برخی از این ترکیبات مانند شیکونین ، دیجیتوکسین و عطرهای همچون روغن جاسمین ، از چند دلار تا چند هزار دلار به ازای هر کیلوگرم تغییر می کند. همچنین قیمت هر گرم از داروهای ضد سرطان گیاهی مانند وین بلاستین ، وینکریستین ، آجمالیسین و تاکسول به چند هزار دلار میرسد. تاکسول یکی ازترکیبات دارویی است که از پوست درخت سرخدار به دست میآید و در درمان سرطانهای سینه و تخمدان مورد استفاده قرار میگیرد. ورود دارو بودجه زیادی را به خود تخصیص میدهد این در حالی است که ایران با داشتن خصوصیات اکولوژیکی و اقلیمی متنوع، یکی از کشوهای کم نظیر در تولید گیاهان مختلف میتواند باشد به طوری که ایران از 13 اقلیم موجود در جهان، 11 اقلیم را به خود اختصاص داده است. و به تقریب 8000 گونه گیاهی که معادل 2 برابر فلور کل اروپا است ازدیگر ویژگیهای کشورمان می باشد، که این بانک ژن اهمیت اقتصادی زیادی دارد. برای مثال کشور فلیپین حجم عظیمی از درآمد خود را از فروش گیاهان دارویی و گیاهان وحشی به دیگر کشورها بدست میآورد (میرجلیلی، 1382). بنابراین، اگرچه در زمینه توسعه صنعت گیاهان دارویی در ابتدای راه هستیم، ولی میتوانیم با برنامهریزی صحیح، بخش قابل توجهی از بازارهای جهانی را به خود اختصاص دهیم. شاید در ابتدای کار نتوانیم با کشورهایی که محصولات خود را به تولید انبوه رسانده اند، رقابت نماییم، اما به لحاظ تنوع گونهای و تولید طبیعی گونههایی دارویی رقبای چندانی در جهان نداریم و در مواردی حتی بیرقیب هستیم. همه اینها منوط به این نکته است که داراییهای کشور را بشناسیم و بتوانیم از آنها استفاده بهینه نماییم. در این صورت حتی می توان تا 5 درصد از تولید ناخالص ملی را از این طریق تأمین نمود (امیری،2006).


1-3- ضرورت توجه به پرورش گیاهان دارویی
با ظهور داروهای شیمیایی و بیولوژیک، نقش و اهمیت گیاهان دارویی در تأمین سلامت بشر، در معرض فراموشی قرار گرفت .اما با گذشت زمان، استقبال از گیاهان دارویی با رشد قابل توجهی روبرو شده است. به نظر میرسد مردم جهان از یک سری نارساییهای طب مدرن خسته شده اند و به طور روز افزون به سمت داروهای گیاهی روی میآورند به همین دلیل، امروزه حدود 50 درصد داروهای تولید شده در جهان منشاء طبیعی دارند که با تغییراتی به عنوان دارو مورد استفاده قرار میگیرند که نیمی از این مقدار از منابع معدنی، حیوانی و باکتریایی بهدست میآید و نیمی دیگر منشاء گیاهی دارد. برای مثال، تمام هورمونهای مصرفی گیاهی هستند و از گیاهان مختلفی نظیر سیب زمینی مکزیکی، شنبلیله و غیره به دست میآیند. هم چنیین ترکیباتی مثل وین بلاستین و وین کریستین که از داروهای ضد سرطان هستند از گیاه بدست میآیند و یا گلیکوزیدهای قلبی از جمله این گروه داروها محسوب میشوند (قاسمی دهکردی و طالب، 1380). گیاهان دارویی به دلیل ماهیت طبیعی و وجود ترکیبات همولوگ دارویی در کنار هم، با بدن سازگاری بهتری دارند و معمولا فاقد عوارض ناخواسته هستند لذا به خصوص در موارد مصرف طولانی و در بیماریهای مزمن، بسیار مناسب میباشند. به عنوان مثال، گیاهان دارویی در بسیاری از اختلالات اعصاب و روان به عنوان بهترین انتخاب خواهند بود.
ایرانیان از دیرباز و حتی پیش از دیگران در زمینه گیاهان دارویی و کاربرد درمانی آنها از دانش پیشرفتهای برخوردار بوده است. نمونه بارز آن کتاب باستانی اوستاست. در یکی از پنج کتاب تشکیل دهنده اوستا( که در مجموع دست کم 2500 سال پیشینه دارد)، بخش های پرشماری به گیاه درمانی، معرفی گیاهان دارویی و کاربرد آنها اختصاص یافته است. در قرن هشتم و نهم میلادی، اطباء ایرانی رونق خاصی به طبابت ایران و جهان بخشیدند بهطوریکه با پیدا شدن دانشمندان و نوابغی نظیر ابوعلی سینا و محمد زکریای رازی با انشار کتابهای معروف خود (قانون و الحاوی) پیشرفتهای زیادی نصیب ملت ایران و جهان گردید. این پیشرفتها همچنین در قرون بعد نیز ادامه یافت. در قرن 13 میلادی، ابن بیطار، اختصاصات متجاوز از 1400 گیاه را که خود شخصاً می شناخت را در کتابش شرح داد (دوازده امامی، 1386).
1-4- گیاه شناسی رازیانه:
رازیانه گیاهی است علفی، معطر و چند ساله از تیره چتریانUmbelliferae با نام علمی Foeniculum vulgare که ارتفاع آن حدود 2 متر، ساقههای آن قائم، استوانه ای، منشعب و سبز رنگ است. ریشه غدهای، دوکی شکل و مستقیم، برگهای این گیاه متناوب با پهنک منقسم به قطعات نازک و نخی شکل، گلها زرد رنگ و مجتمع کوچک و منظم به صورت چتر مرکب است. شاخکهای چترهای آن بلند و شامل پایههای نامساوی است؛ به طوریکه تعداد آنها به 15 نیز میرسد. پهنای گل آذین چتری آن در حدود 15 سانتی متر است. گلهای این گیاه عسل دهندههای خوبی محسوب میشوند. میوه آن کوچک، دو فندقه به طول 6 تا 12 و عرض2 تا 4 میلی متر و دارای بوی معطر است)کمالی و همکاران،1380).

فرمانرو: گیاهان
دسته: گیاهان گلداررده: دولپهای
راسته: آپیالس
تیره: چتریان
سرده: رازیانه
گونه: F.vulgare
نام علمی: Foeniculum vulgare
1-5- اندام داروئی:
تمام اجزای رازیانه قابل استفاده است. از آن جمله شکوفهها و دانههای آنرا بلافاصله بعد از رسیدن و برگهای آنرا در تیرماه چیده و در سایه خشک میکنند و همچنین ریشه رازیانه را میتوان در اواخر پائیز برداشت نموده و خشک کرد.(سیکوتی و همکاران، 2008)
1-6- نیازهای اکولوژیکی:
رازیانه بیشتر بر روی شیبهای صخرهای و کوهستانی خشک، آهکی، آفتابگیر، قابل نفوذ و فاقد رطوبت زیاد میروید.
1-7- پراکنش جغرافیائی:
رازیانه گیاهی است مدیترانه ای، هوای گرم برای رشد و نمو آن مطلوب می باشد. به طور کلی کشت این گیاه در مناطق با هوای گرم (تابستان طولانی و زمستان بیش از اندازه سرد نداشته باشد) موفقیت آمیز است (دامژانویک و همکاران، 2005). این گیاه بومی نواحی مدیترانه و آسیا بوده، امروزه در جنوب فرانسه ، ایتالیا و سایر نقاط جهان کشت میشود. در ایران رازیانه به صورت خودرو در مناطقی مثل شمال، تهران، کرمان، کردستان، اصفهان و ... می توان یافت و در اکثر نقاط ایران قابل کشت است. جوانه زنی بذور در دمای 6-8 درجه سانتیگراد انجام میگیرد ولی درجه حرارت مطلوب برای جوانه زنی 16-65 درجه سانتی گراد میباشد. pH مناسب برای این گیاه 8/4 تا 8 است. خاکهای لومی رسی با مواد و عناصر غذائی و ترکیبات هوموسی کافی خاکهای مناسبی برای رویش این گیاه می باشد. دمای مطلوب در طول رویش و در طول زمان تشکیل میوه 20-22 درجه سانتی گراد است. در زمستانهای طولانی و بسیار سرد ریشههای گیاه دچار سرمازدگی میشوند. آبیاری در مراحلی از رشد، رویش اولیه، مرحله تشکیل ساقه و مرحله نمو گلها، تأثیر قابل توجهی بر کمیت و کیفیت مواد مؤثره این گیاه دارد.(باقری و همکاران، 1376)
در شکل زیر قسمتهای آنالیز میکرسکپی پودر رازیانه نشان داده شده است .

Tracheids Vittae Endosperm Endocarp Mesocarp
گرد رازیانه را از میوه های خشک شده گیاهی به نام فینکولوم ولگا را از تیره چتریان بدست می آورند . گردی است سبز مایل به زرد با بوی تند شبیه بوی انتول (معطر) ، مزه آن ابتدا تند و کمی شیرین سپس تلخ و کافوری می شود . در زیر میکرسکوپ شامل قسمتهای زیر می باشد :
الف- تکه هائی از پارانشیم حفره ای (سلولهای دندانه ای شکل) از قسمت مزوکارب ، زیاد و اختصاصی می باشد.
ب- تکه هائی از اپیدرم پوشش داخلی با سلولهای کف پوشش مانند همراه با پارانشیم تحتانی که در طرف راست تصویر قرار دارد و باقیمانده هائی از لوله های روغنی (تکه هائی از لوله های ترشحی شیزوشس که اطراف آن را سلولهای مخاطی احاطه نموده است) ، زیاد و اختصاصی می باشد.
پ- تکه هائی از بافت کلانشیم نزدیک آوندهای هدایت کننده با دیواره های سلولی قرمز مایل به قهوه ای زیاد و اختصاصی می باشد.
ت- قطرات زرد رنگ روغنی ، زیاد و اختصاصی نمی باشد.
ث- تکه هائی از اندوسپرم همراه با بلورهای ریز ستاره ای شکل اکسالات کلسیم ، شفاف ، دیواره های سلولی ضخیم ، خیلی زیاد ولی اختصاصی نبوده و چون در دانه های دیگر گیاهان چتریان نیز دیده میشود.
ج- تکه های شکسته شده از فیبرهای اسکرانشیم شده از کارپوفور (1) کم و اختصاصی نمی باشد.
توجه : این گرد باید فاقد تارو آوندهای بیش از 10 میلی میگرون قطر باشد. امکان مخلوط با گرد زیره نیز مشاهده است. (یاسن و همکاران، 2009)
1-8 - آفات و بیماریها:
رازیانه یک گیاه شته دوست می باشد و در شرایط مناسب به گیاه حمله می کند. آفات در طول رویش ممکن است خسارات سنگینی به رازیانه وارد کنند. خسارت عموماً از جانب سنهای لکه دار(Cygaeus) که متعلق به خانواده میریده(Miridae) هستند وارد می شود. همچنین یکی دیگر از آفات مهم رازیانه شته است. این حشرات با مکیدن شیره گیاه سبب ضعف آن و کاهش عملکرد می گردند برای مبارزه با سنها می توان از سم دیتریفون(Ditrifon). و یا وفاتوکس (Wefatox) برای مبارزه با شته ها می توان از شکارگرهای طبیعی مثل کفشدوزکها و یا سموم شیمیائی سیستماتیک مثل متاسیتوکس استفاده شود)داس و همکاران 2008)
1-9- مهمترین خاصیت درمانی و داروهای ساخته شده:
تسکین دردهای قاعدگی و ضد سرفه از مهمترین خواص داروئی این گیاه است که فرآورده های تولید شده از رازیانه نیز با خواص فراوان دارویی، التیام بخش بسیاری از بیماری ها از جمله سرفه و سرماخوردگی است. رازیانه، نوعی گیاه دارویی است که مصارف مختلفی دارد . تمام بخش های مختلف این گیاه یعنی دانه، برگ و ریشه آن خوراکی است، ولی روغن حاصل از دانه های رازیانه، سمی بوده و حتی مصرف کم آن، می تواند منجر به ایجاد دانه های پوستی، مشکلات تنفسی وحالت تهوع گردد. این گیاه دارای طعم تند، تلخ و شیرین است و کمی به طعم نعنا شبیه است. مصرف رازیانه باعث افزایش شیرمادر و نیز کاهش وزن می شود. قابل توجه: مصرف بیش از اندازه این گیاه، ممکن است منجر به تشنج عضلانی و حتی توهم شود. رازیانه حاوی مقادیر فراوانی ویتامین و مواد معدنی است: فیبر، منگنز، پتاسیم، منیزیم، کلسیم، آهن، ویتامین C ، B3 و غیره ویتامین C موجود در پیاز رازیانه، ضد باکتری بوده و برای سیستم ایمنی بدن بسیار مفید است. علاوه برآن، این بخش از گیاه، دارای فیبر فراوانی بوده که برای کاهش کلسترول ، مفید است و از ابتلا به سرطان روده پیشگیری می کند. رازیانه همچنین دارای مقدار فراوانی پتاسیم است که باعث کاهش فشارخون می شود و به این ترتیب فرد، دچار حمله قلبی نمی شود.این گیاه دارویی،سموم بدن راپاک می کند و بیماری التهاب دهان رااز بین می برد و برای درمان سرماخوردگی و نیز سرفه، به خاطر خاصیت خلط آورش، مفید است. بخار حاصل از جوشاندن برگ های این گیاه در آب، بیماری آسم و برونشیت را تسکین می دهد.مصرف دانه های رازیانه، باعث تسکین دل درد می شود و عمل هضم را آسان تر می کند، کرم روده کودکان را از بین می برد، باعث تقویت چشم می شود، حساسیت های چشم را از بین می برد و دارای خواص فراوانی برای کبد، طحال و مثانه است.(سیپوریدیس و تومیریدیس، 2003)
تمام بخش ‌های مختلف این گیاه یعنی دانه، برگ و ریشه آن خوراکی است، ولی روغن حاصل از دانه‌ های رازیانه، سمی بوده و حتی مصرف کم آن، می‌ تواند منجر به ایجاد دانه ‌های پوستی، مشکلات تنفسی و حالت تهوع گردد.
اما توجه داشته باشید که مصرف بیش از اندازه این گیاه، ممکن است منجر به تشنج عضلانی و حتی توهم شود.
1-10- پیاز رازیانه
رازیانه حاوی مقادیر فراوانی ویتامین، مواد معدنی و فیبر است. منگنز، پتاسیم، منیزیم، کلسیم، آهن، ویتامین Cو B3 از این موارد می باشند.
این بخش از گیاه، دارای فیبر فراوانی بوده که برای کاهش کلسترول، مفید است و از ابتلا به سرطان روده پیشگیری می ‌کند .رازیانه همچنین دارای مقدار فراوانی پتاسیم است که باعث کاهش فشارخون می‌ شود و به این ترتیب برای افرادی که دچار حمله قلبی می‌ شوند، مفید است.
این گیاه دارویی، سموم بدن را پاک می ‌کند و بیماری‌ التهاب دهان را از بین می ‌برد و برای درمان سرماخوردگی و نیز سرفه، به خاطر خاصیت خلط‌ آورش، مفید است.(کوبوریس و واسیلاکاکیس، 2006)
1-11- دانه رازیانه
بخار حاصل از جوشاندن برگ‌ های این گیاه در آب، بیماری آسم و برونشیت را تسکین می ‌دهد. مصرف دانه‌ های رازیانه، باعث تسکین دل درد می‌ شود، عمل هضم را آسان ‌تر می ‌کند، کرم روده کودکان را از بین می ‌برد، باعث تقویت چشم می ‌شود، حساسیت ‌های چشم را از بین می‌برد و دارای خواص فراوانی برای کبد، طحال و مثانه است.(باقری و همکاران،1376 و دانشور حسینی،1387)

1-12- نقش کشت بافت در تکثیر گیاهان
کشت بافت سلول گیاهی، روشی است برای تکثیر گیاهان که از طریق آن میتوان تعداد زیادی گیاه تولید کرد. کشت بافت گیاهی گستره وسیعی را در بر میگیرد که شامل کشت پروتوپلاست، سلول، بافت و اندام گیاهی است. کشت بافت همچنین پیش نیاز مهندسی ژنتیک است زیرا از سلول تغییر یافته باید بتوان یک گیاه کامل به وجود آورد. کشت بافت بر مبنای سه توانایی اصلی گیاه استوار است :
*قدرت باززایی یا توانایی ارثی یک سلول گیاهی برای رشد و تبدیل شدن به گیاه کامل در صورت فراهم بودن شرایط محیطی و محرکهای مناسب، اگر چه به لحاظ تئوری توانایی باززایی در تمام سلولهای گیاهی وجود دارد ولی سلولهای مریستمی بهترین سلولهایی هستند که قادر به بروز این قدرت میباشند.
*عدم تمایز یا قابلیت برگشت سلولهای بالغ گیاهی به شرایط مریستمی و تولید یک نقطه رشد جدید که با تمایز مجدد یا قدرت سازماندهی و تشکیل اندام جدید ادامه مییابد.
* شایستگی یا قابلیت درون زاد یک سلول یا بافت مشخص، به رشد در مسیری ویژه (کانلی و تیان ، 2007 و تانگ و همکاران ، 2001).
کشت بافت به عنوان یک روش کاربردی در پیشرفت‌های کشاورزی نقش بارزی داشته است. مثلاً کشت تخمک منجر به تلاقی‌های بین گونه‌ها و حتی جنس‌های مختلف شده است و ریزازدیادی به افزایش سریع جمیعت از یک گیاه برتر منتهی گردیده است. از طرف دیگر، کشت بافت به تنهایی نمی‌تواند پیشرفت‌های سریع مورد نیاز برای اصلاح و بهبود محصولات را فراهم آورد. با این وجود، کشت‌بافت همراه با ژنتیک مولکولی، قابلیت بیشتری برای بهبود سریع محصولات را فراهم می‌آورد. در همان حال که تکنیک‌های ژنتیک مولکولی DNA ژن‌ها را دست‌ورزی می‌نماید، کشت سلول و بافت برای مهندسی ژنتیک ضروری خواهد بود زیرا اطلاعات ژنتیکی خارجی DNA به یک گیاه کامل وارد نمی‌شود بلکه به یک سلول وارد می‌شود. فناوری درون شیشه‌ای واسطه‌ای برای تبدیل تک سلول تغییریافته به یک گیاه کامل می‌باشد (توحید‌فر و کاویانی، 1389).
ریزازدیادی به عنوان یکی از روش های نوین افزایش انبوه گیاهان به ویژه پایههای درختان میوه در چند دهه اخیر بیشتر مورد توجه بوده است. پایههای رویشی تولیدی غالبا عاری از آلودگی ، دارای خلوص ژنتیکی و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه هستند که برای تولید و احداث باغات یکدست و متراکم استفاده میشوند. استفاده از دورگههای بین گونهای به خصوص برای درختان میوه هستهدار در کشورهای پیشرفته بیشتر معمول شده است. از آنجایی که اساس احداث باغهای مکانیزه بر تولید نهالهای رویشی و یکسان استوار است لذا بررسی روشهای تکثیر رویشی مناسب به خصوص ریز ازدیادی برای تولید انبوه پایهها حائز اهمیت است. (سولوسوگلا، 2002)
اهمیت استفاده از روش کشت بافت گیاهی برای تکثیر گیاهان دارویی در حال افزایش بوده و این روش برای تکثیر بسیاری از گیاهان دارویی استفاده می شود. از جمله مزایای مهم تکثیر از طریق کشت بافت نسبت به روشهای دیگر، ایجاد گیاهان سالم، تکثیر در طول سال، احتیاج به مکان کم و هزینه کمتر است. در مراحل مختلف کشت بافت گیاهی جهت رسیدن به هدف، ممکن است از دما، نور، نوع ریزنمونه، زمان و یا محیط کشتهای مختلف با ترکیبات متفاوت استفاده شود. همچنین مدیریت آلودگی و مواد بازدارنده نیز از مسایل مهم کشت بافت است. بنابراین بدست آوردن بهترین روش برای هر گیاه از اهداف آزمایشات در این علم می باشد و این امر با تغییر فاکتورهای موثر در کشت بافت امکان پذیر میگردد. بهبود حتی چند درصدی در تولید گیاهچه در هر بار کشت میتواند در مقیاس سال برای تولید کننده از اهمیت اقتصادی زیادی برخوردار باشد.(شریفی و همکاران، 1389)
1-13- تاریخچه کشت بافت
در طول قرن 19، ایده تولید کالوس از قطعات ساقه و انتهای ریشه به واقعیت پیوست. کالوس عبارت است از یک توده سلولی از سلولهای در حال تقسیم فعال که تمایز نیافتهاند. بعد کالوس از جوانهها، قطعات ریشه و شاخساره نیز تهیه شد. برای اولین بار هامبرلت در سال 1902 واژه کشت بافت سلول را بکار برد. او تلاش کرد که سلولهای گیاهی جدا شده را بطور درون شیشهای بر روی یک محیط غذایی مصنوعی حاوی محلول Knop (شامل پپتین، آسپارژین، و ساکاروز) کشت کند. واژه کشت بافت میتواند برای هر کشت چند سلولی بر روی محیط غذایی بکار برده شود (شریفی و همکاران، 1388). تکنولوژی کشت بافت گیاهی، کاربردهای متفاوت و فراوانی دارد از آن جمله میتوان از ریزازدیادی که اساس صنعت تولید انبوه گیاهان است نام برد. پیشرفت مطالعه جنبههای متفاوت رشد و تمایز گیاهان در دهه 1960 و 1970 بسیار سریع بوده است. به کمک تکنیک کشت گیاهان مطالعه و تحقیق در زمینههای مختلف از جمله مورفولوژی، فیزیولوژی، بیوشیمی، بیولوژی مولکولی و مهندسی ژنتیک فراهم شده است. تکثیر سریع ارکیده از طریق کشت کورم اولیه توسط مورل (1960) منجر به تاسیس اولین صنعت تکثیر سریع ارکیده بر اساس کشت بافت شد. کشت بافت گیاهی یا کشت درون شیشهای عبارت است از رشد سلول، بافت و یا اندام گیاهی در یک محیط غذایی مصنوعی استریل که به صورت جامد یا مایع تهیه میشود، این تکنیک به عنوان یکی از شاخههای زیست فناوری، کاربرد گسترده ای در کشاورزی دارد. در کشت بافت، قسمتی از گیاه به نام قلمه یا ریزنمونه که ممکن است بخشی از ساقه، برگ، جوانه و یا یک سلول باشد، در محیط کنترل شده کشت میشود. در این نوع کشت، شرایط به گونهای است که عاری از هرگونه میکروارگانیسم بوده و رژیم متعادلی از مواد شیمیایی و آلی مورد نیاز رشد گیاه فراهم است. در واقع در کشت درون شیشهای محیط کشت بستری برای رشد گیاه است و ترکیبی از مواد شیمیایی و آلی در یک ژل مغذی یا محیط مایع برای رشد سلولها و بافتها میباشد (شریفی و همکاران، 1389).
1-14- مراحل تکنیک کشت بافت
از زمان تهیه ریز نمونه تا به دست آوردن گیاه جدید مراحلی وجود دارد که ابتدا شامل چهار مرحله شروع و برقراری کشت ، تکثیر ، ریشه دهی و انتقال به خاک بود (موراشیگ ، 1974) . بعدا دبرگ و مین یک مرحله به نام مرحله صفر یعنی مرحله انتخاب گیاه مادری و آماده سازی را ارائه نمودند. در نهایت امروزه برای ریز ازدیادی مراحل زیر را در نظر می گیرند که شامل پنج مرحله ی آمادگی ، آغازی ، تکثیر ، ریشه دهی و انتقال است. در هر یک از این مراحل ، شرایط باید به گونه ای فراهم گردد که امکان دستکاری رشد گیاه در جهت مورد علاقه فراهم گردد. اکثر این عوامل هم آنهایی هستند که رشد و نمو طبیعی گیاهان را تنظیم می کنند. در مرحله صفر یا همان آمادگی هدف به دست آوردن گیاهانی است که به آب و مواد غذایی و شرایط محیطی نظیر نور و درجه حرارت و.. دسترسی داشته و از نظر سلامتی مشکلی نداشته باشند و بتوان از آنها جهت تهیه ریز نمونه استفاده کرد. در مرحله بعدی نیز که مرحله آغازی نام دارد هدف انجام کشت های بدون آلودگی است که ریز نمونه در محیط کشت مستقر می شود.
مرحلهی صفر: مرحله پیش ازدیادی یا انتخاب و پیش تیمار گیاهان مناسب
در این مرحله گیاهان مادری که در شرایط گلخانه ای با کمترین میزان آلودگی هستند انتخاب می شوند. قبل از جمع آوری نمونههای گیاهی برای به حداقل رساندن میزان آلودگی باید گیاهان مادری با قارچ کشها و حشرهکشها سمپاشی شوند تا میزان آلودگی در کشت درون شیشه ای به حداقل برسد، کاهش آلودگی باعث رشد بهتر و تکثیر سریع تر نمونهها در محیط کشت میشود. کنترل آلودگیها به طور معمول با پیش تیمار گیاهان مادری شروع میشود.(دبرگ و مین، 1981)
مرحله ی 1 : مرحله ضد عفونی سطحی و استقرار ریز نمونهها از درخت مادری
اولین مرحله در ریز ازدیادی ضد عفونی سطحی ریز نمونهها می باشد. وقتی نمونهای سالم در شرایط استریل قرار میگیرد، میتواند به سرعت تکثیر شود. این مرحله حساسترین مرحله در ریز ازدیادی است چرا که اغلب نمونهها در این مرحله در بیشتر موارد به علت آلودگیهای میکروبی از بین میروند. در این مرحله ریز نمونهها که به صورت قطعات کوچک تقسیم شده اند با مواد شیمیایی مانند هیپوکلریت سدیم و اتیل الکل ضدعفونی سطحی و بعد از آن چندین بار با آب مقطر استریل آبشویی میکنند. بعد از یک دوره کوتاه 3 تا 5 روزه آلودگی ریزنمونهها در محیط کشت مشخص میشود و نمونههای آلوده حذف شده و نمونههای سالم واکشت میشوند. در مرحله ضد عفونی ریز نمونهها باید دقت شود غلظت مواد ضدعفونی و مدت زمان استفاده از آنها به اندازهای نباشد که به بافت ریز نمونهها صدمه زده و مرگ سلولی را سبب شده و باعث قهوهای شدن و از بین رفتن آنها شود. (جورج، 2008 )
مرحله 2: تکثیر و پرآوری ریز نمونهها
این مرحله که فاز تکثیر است، گیاهچههای حاصل از استقرار در محیط کشت مخصوص تکثیر میشوند. هدف اولیه در این مرحله تکثیر ریز نمونهها بدون از دست دادن ثبات ژنتیکی آنها است. واکشت نمونهها که می توانند به صورت، جوانههای جانبی و انتهایی، جنینهای سوماتیکی و دیگر ارگانها باشند، در محیط مخصوص تکثیر باعث افزایش تعداد نمونهها میشود. گاهی اوقات ضروری است که شاخههای تکثیر شده به محیط کشت دیگری برای طویل شدن منتقل شوند . طی واکشتهای متوالی مقدار مورد نیاز از اندام گیاهی تولید میشود. (موراشیگ ، 1974)
مرحله 3: ریشه دهی زیر شاخهها
شاخههای به دست آمده از مرحله دوم، در این مرحله برای تکمیل فرایند ریز ازدیادی باید ریشهدار شوند. بیشتر گیاهان در مرحله ریشه دهی نیاز به محیط کشتی با نصف عناصر ماکرو دارند. در این مرحله معمولا از تنظیم کنندههای رشد متفاوت از مرحله پرآوری استفاده میشود. برای موفقیت مرحله سازگاری و انتقال به خاک ، گیاهچههای دارای ساختمان ریشه مناسب و قوی ضروری است. این مرحله نیاز به کار زیاد دارد و غالبا گران است. بطوری که محاسبه شده که حدود 35 تا 75 % از کل هزینههای تولید را شامل میشود.(جورج، 1993)
مرحله 4: مرحله سازگاری به شرایط طبیعی
این مرحله آخرین مرحله از کشت درون شیشه ای است که نمونههای تکثیر شده برای انتقال به گلخانه آماده میشوند. نمونههای تکثیر شده در شرایط درون شیشهای ، تمایل به رشد انفرادی و انجام عمل فتوسنتز دارند. نمونهها به تدریج از شرایطی با رطوبت زیاد به رطوبت کم و از شدت نور به شدت نور زیاد و دمای محیطی متغیر منتقل میشوند. اگر نمونهها در محیط کشت جامد باشند، قبل از انتقال باید آگار چسبیده به اندامهای گیاهچه به آرامی توسط آب شسته شود و سپس در خاک مناسب در گلدانهای کوچک کشت شوند. نمونهها به تدریج میتوانند بعد از 3 تا 6 روز به محیط جدید با شرایط نوری طبیعی وارد شوند و بعد از آن گیاهان به مخلوط ماسه، پیت و یا کمپوست منتقل میشوند و به تدریج سازگار میگردند. آبیاری مرتب نمونهها (روزهای اول انتقال به خاک با نصف غلظت محیط کشت) و مبارزه با عوامل بیماری زا و آفات از ضروریات انتقال موفق است (جورج، 1993؛.اهلووالا، 2002).
1-15- انواع ترکیبات محیط کشت
برای انجام موفقیت آمیز کشت بافت لازم است که یک محیط متناسب با رشد گیاه با توجه به نیازهای روزانه آن که عاری از هر گونه آلودگی است تهیه گردد. برای این کار لازم است پژوهشگر با انواع نیازهای یک گیاه آشنایی داشته و بتواند این مواد را با هم ترکیب کرده و یک محیط عالی برای رشد نمونه خود آماده کند. به طور کلی مواد مورد استفاده در محیطها شامل مواد معدنی، ترکیبات آلی، مواد طبیعی و مواد کمکی میباشد که در زیر به طور مختصر در مورد هر کدام توضیحاتی داده خواهد شد.
مواد معدنی
شامل دو گروه ماکروالمنتها (ازت ، فسفر ، پتاسیم ، کلسیم ، منیزیوم و گوگرد) و میکروالمنتها (مس، روی، آهن، منگنز، کبالت، بر و ید) میباشد که به صورت نمک به محیط اضافه می شوند.
منبع هیدرات کربن
چون ریز نمونهها فاقد هیدرات کربن هستند و یا اگر کلروفیل هم داشته باشند، به علت تاریکی و کمبود دی اکسید کربن در محیط قادر به انجام فتوسنتز نیستند، لذا لازم است که ساکارز به عنوان منبع هیدرات کربن به محیط اضافه گردد. شکر از عوامل مهم و ضروری در هر محیط کشت غذایی میباشد و برای رشد و نمو سلولها ، بافتها ، اندام-ها و گیاهچهها ضروری است. وقتی یک ریز نمونه روی محیط غذایی قرار داده می شود. در ابتدا رنگ سبز خود را از دست می دهد و بنابراین نمیتواند غذای خود را فراهم کند چون قادر به فتوسنتز نیست. پس این سلولها باید به نحوی که با منبع خارجی انرژی کربنی، تغذیه شوند. ساکارز معمول ترین منبع انرژی کربن در کشت بافت است. به جز ساکارز ، منو ساکاریدهایی مثل گلوکز و فروکتوز که منابع قابل سوخت و ساز انرژی کربنی هستند میتواند به طور معنیدار ، رشد سلولهای گیاهی را نسبت به ساکارز افزایش دهند. (پیری و نظریان 1380) .
1-16- ویتامینها
ویتامینها نقش کاتالیزوری داشته و در گیاهان سنتز میشوند. در کشت بافت بسیاری از ویتامینها توسط
سلولهای در حال رشد و نمو سنتز میشوند اما مقادیر ساخته شده کمتر از مقادیر مورد نیاز است. از اینرو لازم است ویتامینهای ضروری را به مقدار مورد نیاز به محیط کشت اضافه نمود. ویتامینهای گروه B مانند تیامین، اسید نیکوتینیک، پیریدوکسین، و میواینوزیتول نسبت به بقیه بیشتر مورد نیاز هستند. از بین آنها تیامین نقش مهمتری دارد )پیری و نظریان، 1380).
1-17- اسیدهای آمینه
اسیدهای آمینه و آمینها می توانند اهمیت زیادی در ریختزایی داشته باشند. تمام فرمولهای اسید آمینه، فرم های طبیعی موجود در گیاه هستند این مواد میتوانند شاخهزایی یا ریشهزایی را افزایش دهند. آمینواسیدها هنگام کاهش نیتروژن نقش خود را ایفا میکنند. در صورت ناکافی بودن نیتروژن، مکمل نیتروژن آلی کمپلکس مانند کازئین هیدرولیزات) 5/5گرم بر لیتر( ممکن است افزوده شود. سایر مکملهای آلی عبارتند از شیر نارگیل، عصاره مخمر، پپتون و عصاره جو. هرچند محیطهای کشت سنتتیک ترجیح داده میشوند و مکملهای آلی که طبیعت شیمیایی ناشناخته دارند فقط در مواقع ضروری بکار میروند) جورج و همکاران، 2008) .
1-18- تنظیم کنندههای رشد
هورمونها موادی هستند که در یک بخش گیاه ساخته شده و از خلال بافتها حرکت کرده تا به فعالیت سلولها در بخش دیگری تاثیر بگذارد برای مثال سایتوکنین ساخته شده در ریشه به ساقه منتقل شده و سبب رشد ساقه میگردد. حال اگر رشد متوقف شود تحویل سایتوکنین کاهش یافته و رشد اندامهای هوایی کاهش مییابد. این مقدمه اهمیت هورمونها را مشخص میسازد ولی در کشت بافت هورمونهای زیر بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. این گروه شامل اکسین طبیعی مثل ایندول استیک اسید (IAA) و اکسین های مصنوعی نظیر ایندول بوتریک اسید (IBA) ، نفتالین استیک اسید (NAA) هستند که اکسین های مصنوعی فعال تر از اکسین طبیعی هستند. همچنین اکسین های مصنوعی به وسیله آنزیم های موجود در بافت های گیاهی تجزیه نمی شوند. اکسین معمولا شروع ریشه دهی و رشد کالوس را تحریک می کند ولی رشد ریشه و جوانه های بالینی جلوگیری می کند ، سبب طویل شدن و رشد سلولی و تقسیم سلولی نیز می شوند. در غلظت بالا باعث رشد ریشه های نابجا می شود و در غلظت کم سبب تشکیل ساقه نابجا می شود. (اربنوا و همکاران، 2002)
1-19- سایتوکنین :
کشف سایتوکنینها رابطه نزدیکی با کشت بافت دارد. در مرحله شروع کشت بافت گیاهی مشاهده شد که مالت، عصارههای نارگیل و مخمر، رشد و القای جوانههای درون شیشهای را رونق میبخشند (مشایخی، 1387). سایتوکنینها شامل سایتوکنینهای طبیعی 2ip و زآتین و سایتوکنین مصنوعی نظیر بنزیل آمینو پورین (BAP ) و کینتین هستند. مزیت انواع مصنوعی این هورمون، فعالیت بیولوژیکی بالا و ارزان بودن آنها نسبت به انواع طبیعی است. این هورمون باعث تورم بافتها شده و ازدیاد شاخه و تقسیم سلولی را تحریک کرده ولی از شروع ریشهدهی جلوگیری میکند. این هورمون در تحریک نمو جوانههای جانبی از طریق کاهش غالبیت انتهایی بسیار اهمیت دارد. به علت پایدار بودن در برابر گرما این هورمون را میتوان قبل از اتوکلاو به محیط کشت اضافه کرد.(کرسا و همکاران، 2012)
1-20- اسید جیبر لیک :
این گروه تاکنون بیش از 100 ترکیب است که رایج ترین نوعی که در کشت بافت استفاده می شود ، GA3 است. ناپایدار در برابر گرما است بنابراین بعد از اتو کلاو و از طریق فیلتراسیون ضد عفونی شده و به محیط افزوده میشود. کاربرد این هورمون نیز طویل شدن ساقهها و رشد طولی میانگرهها است و از پدیده خواب جلوگیری کرده و آن را از بین میبرد. باید این نکته را یادآور شد که اگر میزان نسبت اکسین به سایتوکنین افزایش یابد ریشه زایی صورت میگیرد و اگر این نسبت کاهش یابد سبب ساقهزایی میشود و اگر بینابین باشد کالزایی افزایش پیدا می کند (معینی و کهریزی ، 1382).
1-21- آگار و دیگر مواد تولید کننده ژل
آگار از رایجترین عوامل تولید ژل است که در محیط کشت استفاده میشود. آگار پلی ساکارید پیچیدهای است که از برخی گونههای نوعی جلبک به دست میآید. غلظت مناسب آگار برای هر نوع محیط کشت و ریز نمونه باید تعیین شود. غلظت خیلی بالای آن منجر به تنش آب در محیط میشود و غلظتهای کم آن یک لایه مایع روی سطح ژله شده تشکیل خواهد داد و غرق شدن ریز نمونه در این لایه مایع مانع از مبادلات گازی شده و به کاهش رشد منجر میشود. به علاوه کشت ریز نمونه روی محیط کشت مایع میتواند باعث شیشهای شدن کشت شود. تصور میشود آگار دارای توانایی جذب مواد است که این توانایی میتواند در حذف مواد زاید سلولی از محیط کشت به روش مشابه زغال فعال عمل نماید. همچنین این خاصیت میتواند مانع از جذب برخی مواد شیمیایی به بافت کشت شده شود. یکی از موادی که به شدت توسط آگار جذب میشود سیتوکینین است. بنابراین غلظت بیشتر آگار ، جذب سیتوکینین از محیط کشت را برای بافت مشکل میکند. متداولترین جایگزین آگار، ژل رایت است. این ماده یک پلی ساکارید پیچیده خارج سلولی است که توسط باکتری Pseudomonas elodea تولید میشود . ژل رایت نسبت به آگار دارای مواد معدنی آزاد و ناخالصیهای آلی کمتری است. البته دارای غلظتهای بالای پتاسیم و منیزیم میباشد. تنها مشکل ژل رایت این است که بعضی از کشتها در ژل رایت سریع تر از آگار ، شیشهای میشوند. اغلب ژل رایت را همراه با آگار و با نصف غلظت های مورد نیاز هر کدام به کار میبرند. به این وسیله از مزایای هر دو ماده استفاده میشود و معایب آنها نیز کاهش مییابد (باقری و همکاران 1383).
1-22- ترکیبات مورد استفاده در ضد عفونی مواد گیاهی
ضد عفونی یا استریلیزاسیون شیمیایی میتواند به روشهای مختلف انجام شود : (باقری و همکاران 1383 و باقری و صفاری 1376)
1- الکل (اتانل): برای ضد عفونی مواد گیاهی از الکل 70 درصد استفاده میشود ، زیرا الکل 96 درصد باعث دهیدراته شدن بافتها میشود. از الکل 96 درصد اغلب برای ضد عفونی ابزار و میز کار استفاده میشود.
2- هیپوکلریت سدیم (وایتکس): دارای 5 درصد ماده فعال است. معمولا از هیپوکلریت سدیم 5/2 درصد استفاده می شود. چنانچه گیاهان به هیپوکلریت سدیم حساس باشند از هیپوکلریت کلسیم برای ضد عفونی استفاده میشود.
3- هیپو کلریت کلسیم: این ماده به صورت پودر است و میتوان آن را به خوبی در آب معمولی حل کرد و محلولی شفاف به دست آورد (اغلب صاف میشود). هیپوکلریت کلسیم نسبت به هیپوکلریت سدیم، آهستهتر وارد بافتهای گیاهی میشود.
4- کلرید جیوه: این ماده برای گیاه ، انسان و دام خیلی سمی است و غلظت 01/0 تا 05/0 درصد برای مدت 2 تا 12 دقیقه برای ضد عفونی به کار میرود.
1-23- استفاده از آنتی بیوتیکها در رفع آلودگیهای درون بافتی
آلودگیهای داخلی در کشت درون شیشهای درختان یکی از مشکلات بسیار جدی بوده و اغلب به علت وجود میکرو ارگانیسمهایی اتفاق میافتد که در داخل گیاه هستند و نمیتوان آنها را از طریق مواد ضد عفونی کننده خارجی از بین برد. اگر منشا آلودگی در داخل بافتهای گیاهی باشد، آلودگی معمولا هنگامی ظاهر میشود که محل آلودگی قطع شده و در هنگام واکشت امکان باز شدن و تماس با محیط کشت فراهم میشود. اغلب آلودگیهای داخلی بعد از چند واکشت آشکار میشوند. رشد ضعیف و یا نکروزه شدن بافتها، میتواند نشانه یک نوع آلودگی داخلی، مثلا به باکتری باشد به طور کلی دو راه برای مبارزه با این مسئله وجود دارد: (باقری و صفاری، 1376 و ذوالفقاری نسب، 1382).
1- کشت مریستم (چون سلول های ناحیه مریستم عاری از عوامل بیماریزا هستند)
2- اضافه کردن آنتی بیوتیک به محیط کشت
اغلب پاتوژنهایی که برای گیاه مادری خطری ندارند وقتی در محیط کشت درون شیشهای قرار میگیرند، باعث ایجاد خسارت جدید و از بین رفتن مواد گیاهی میشوند. در رفع آلودگیهای داخلی گاهی استفاده از آنتیبیوتیکها مهمترین راهکار میباشد. اتوکلاو کردن آنتیبیوتیک و یا اضافه کردن آن در دمای بالا به محیط کشت باعث کاهش اثر آنتیبیوتیک میشود (الیویرا و همکاران، 2010(.
1-24- ضد عفونی محیط کشت
در بیشتر موارد محیطهای کشت با استفاده از اتو کلاو استریل میشوند و استریل در اتو کلاو توسط بخار آب انجام میشود. با قرار دادن اشیا یا مواد در معرض بخار تحت فشار در دمای 121 درجه سانتی گراد و در مدت 10 تا 30 دقیقه کلیه میکروارگانیسمها از بین میروند. موادی که امکان استریل خشک آنها وجود دارد (مثل لولههای آزمایش، فلاسکها، پتریدیشهای خالی ، کاغذ و ابزارکار) به مدت 2 تا 3 ساعت در دمای 180 درجه سانتیگراد به صورت خشک در آون استریل میشوند. برای استریل موادی که در ضمن اتو کلاو کردن به دلیل حساسیت به گرما ، خاصیت خود را از دست میدهند ، از فیلترهای غشایی استفاده می شود که از جنس استات سلولز یا نیترات سلولز ، با منافذی به قطر 22/0 تا 45/0 میکرون بوده و با به کار بردن آنها، میکروارگانیسمهایی که بزرگتر از قطر منافذ هستند، حذف میشوند (باقری و صفاری 1376 ؛ امین و همکاران 2009 ).
1-25- قهوهای شدن بافتهای گیاهی
قهوهای شدن بافتهای گیاهی و در نتیجه آن محیط کشت، از جمله مشکلاتی است که در اغلب کشتهای تک جوانهای در درختان میوه دیده میشود. این پدیده ارتباط با نوع رقم گونه گیاهی دارد و میزان قهوهای شدن در یک رقم، در فصول مختلف و بسته به سن گیاه مادری میتواند متفاوت باشد. قهوهای شدن اغلب در گونههای گیاهی که دارای مقدار زیادی تانن و یا دیگر انواع هیدروکسی فنلها هستند، رخ میدهد. ایجاد زخم در اثر جدا کردن بافتها باعث ایجاد پلی فنل اکسیداز میشود که این عامل اصلی اکسیداسیون ترکیبات فنلی است. آزاد شدن مواد فنلی موجب قهوهای شدن ریز نمونه و محیط کشت شده و باعث توقف رشد ریز نمونهها و یا مرگ آنها میشود. این قهوهای شدن بافتها یک پدیده خود کاتالیزوری است. بطوریکه ترکیبات فنلی آزاد شده باعث صدمه به بافت شده که این عمل باعث افزایش آزاد شدن ترکیبات فنلی میشوند (ایزد پناه، 1380 ؛ سیدهو، 2010).
قهوهای شدن و نکروزه شدن در ریز نمونهها ارتباط معنی داری با روشهای ضد عفونی دارد. نمونههای برگ دار به خاطر حساسیت زیاد به غلظتهای بالاتر مواد ضدعفونی، بیشتر از نمونههای بدون برگ قهوهای و نکروزه میشوند. در این میان دو ماده کلرید جیوه و نیترات نقره از بقیه مواد قویتر میباشند چرا که هر دو از فلزات سنگین بوده و دارای قدرت بالایی در واکنش با پروتئین دارند که سبب تقویت متابولیسم سلولی می شوند. در حالی که هیپو کلرید سدیم و کلسیم به خاطر درجه فعالیت کمتر، میزان خسارت وارد شده به ریز نمونهها در آن کمتر است. البته غلظتهای بالای این دو ماده نیز میتوانند باعث قهوهای شدن و نکروزه در ریز نمونهها شوند ) کمالی، 1378).
میری و همکاران (1382) در مطالعهای که بر روی بررسی کاهش اکسیداسیون فنلی و پرآوری پایههای پا کوتاه سیب انجام دادند، پیشنهاد کردند که نمونههای تازه کشت شده به مدت 6 روز در یخچال نگهداری شوند که این کار در جلوگیری از فنلی شدن بسیار موثر بود. در مرحله پر آوری ترکیب 2ip با کینتین نیز بهتر از بقیه تیمارها جواب داد:
راه حلهایی که برای کاهش فنلی شدن میتوان ارایه داد شامل :
-گرفتن ریز نمونه در زمانهای خاص که میزان ترکیبات فنلی حداقل باشد.
- در مورد سن ریز نمونه، ریز نمونههای حاصل از گیاهان نونهال کمتر از گیاهان بالغ قهوهای میشوند.
-قرار دادن ریز نمونهها در آب مقطر به مدت 3 ساعت قبل از کشت باعث کاهش مواد فنلی میشوند.
- استفاده از تیمارهای ضد اکسیداسیونی
- تکرار واکشتها در فاصله زمانی کوتاه باعث جلوگیری از انتقال مواد فنلی به سلولهای سالم میشود. حذف بخشهای قهوهای و یا تجدید محیط کشت باعث کاهش تجمع مواد فنلی میشوند که علاوه بر سمیت به دلیل خاصیت خود کاتالیزوری باعث ترشح بیشتر مواد فنلی میشوند (کمالی، 1374 ؛ میری و همکاران، 1382).
ذوالفقار نسب (1382) با بررسی بر روی کلروزه و نکروزه شدن بافتها نشان داد که نوع محیط کشت عامل مهمی در ایجاد نکروزه شدن و کلروزه شدن است. عواملی مثل رشد سریع گیاهچهها در محیطی مثل MS به دلیل وجود مقادیر زیادی از نیترات، تماس نوک برگها با دیواره ظروف کشت ، تجمع رطوبت به صورت قطره در انتهای برخی از برگها و واکشت کردن با فواصل طولانی و در نتیجه کمبود برخی عناصر غذایی از جمله عوامل موثر در کلروزه و نکروزه شدن انتهای برگها است. این در حالی است که در محیط WPM این مشکلات کمتر دیده شده است. کلسیم به عنوان عنصر مهمی در دیواره سلولی از تحرک کمتری در بافتهای گیاهی برخوردار است و حرکت آن تابع تعرق گیاه است. در شرایط درون شیشهای ، وقتی میزان رطوبت بالا باشد به علت تعرق کم ، جذب کلسیم پایین میآید و در نتیجه قهوهای شدن و مرده شدن بافتها به علت تخریب سلولها اتفاق میافتد.(حسین و همکاران، 2003)
1-26- روشهای ریزازدیادی
ریزازدیادی عبارت است از تکثیر درون شیشهای گیاه با استفاده از اندامها، بافتها، سلولها، پروتوپلاسم و غیره. اگر چه برخی منابع بیان داشتهاند که جهت ریزازدیادی میتوان از تکنیکهای کشت جوانه، نوک ریشه، برگها، رویان، پرچم و حتی سلول استفاده کرد ولی شناخته شدهترین معنی ریزازدیادی کشت جوانههای منفرد و شاخساره میباشد. از این رو معمولاً کشت شاخساره و ریزازدیادی مترادف هم بکاربرده میشود. کشت نوک شاخساره بطور وسیعی در کشاورزی، باغبانی و جنگل کاری استفاده میشود. (شریفی و همکاران، 1388). در این تحقیق با توجه به اینکه روش جنینزایی غیرجنسی و کشت جوانه انتخاب شده است به توضیح آنها خواهیم پرداخت:
1-27- جنین زایی غیر جنسی
جنینهای غیرجنسی یا مستقیما بر روی ریزنمونه ظاهر میشوند(جنین زایی مستقیم) یا غالبا از کشت کالوسها بوجود میآیند (جنین زایی غیرمستقیم). این روش از نظر حفظ ثبات ژنتیکی صددرصد تایید شده نیست، هر چند جنینزایی غیرجنسی در کشت سلولی جهت توسعه و پیشرفت تکنولوژی تولید انبوه بوسیله راکتورها و همچنین در تولید بذر سنتزی از طریق کپسوله کردن بسیار مفید واقع می شود. بنابراین، این روش زمانی که استاندارد خیلی بالایی در ثبات ژنتیکی مد نظر نیست میتواند مورد استفاده قرار بگیرد. سلولهای گیاهی دارای خاصیت توتی پوتنسی هستند یعنی میتوانند یک گیاه کامل جدید را تحت شرایط مطلوب تولید کنند. استوارد و همکارانش در امریکا و رینرت در آلمان تقریبا بطور همزمان برای اولین بار تشکیل جنین غیرجنسی در کشت سوسپانسیون سلولی هویج را در سال 59- 1958 گزارش کردند. این جنین های غیرجنسی در رشد و ساختار مشابه جنین های جنسی بودند(شکل 1-4).
755650top
شکل 1-4 مراحل رشد جنینهای جنسی و غیرجنسی
این جنینهای غیرجنسی از نظر مورفولوژیکی به ترتیب مراحل زیر را طی میکنند: کروی، قلبی و اژدری. از ظهور لپهها میتوان به تفاوت مرحله لپهای بالغ و جنین مرحله قلبی/ اژدری پی برد. در مرحله اژدری تمایز سلولی منجر به تشکیل مریستم ساقه و ریشه میشود. جنینزایی یک روند دو مرحلهای میباشد. اولین مرحله، القا جنینزایی و دومین مرحله رشد جنین میباشد که در نهایت منجر به جوانه زدن میشود. نیازهای القا جنین و رشد جنین متفاوت هستند بنابراین محیطهای متفاوتی برای هر مرحله بهکار میرود (مارتینز رویز و همکاران، 2002 ). چهار مرحله را توصیف می کند: القا، رشد اولیه، بلوغ جنین و جوانه زدن. این مراحل از نظر ساختار مورفولوژیکی و همچنین در نیازهای فیزیکی- شیمیایی تفاوت دارند.
1-28- کشت مریستم
مریستمها را بر اساس خصوصیاتی از جمله محل استقرار، منشاء، نوع بافتی که ایجاد میکنند، ساختمان سیتولوژیکی و سرانجام رشد و تمایز، تقسیم بندی میکنند. براساس محل استقرار، مریستمها را به سه گروه تقسیم بندی میکنند:
مریستمهای انتهائی که در رأس ساقه و یا نوک ریشه قرار دارند.
مریستمهای جانبی که به موازات سطح اندامِ محل استقرار خود، تمرکز مییابند.
مریستمهای بین سلولی یا مریستمهای بینابینی که در پهنه بافتهای دیگر مستقر میشوند (نجاحی، 1370).1-29- باززایی
باززایی گیاهان از یک سلول یا اندام گیاهی از قابلیت های کشت بافت است که با کشف هورمونهای گیاهی امکانپذیر گردید. توانایی باززایی گیاه از یک سلول منفرد برای دستورزی ژنتیکی موجودات حائز اهمیت است. در گیاهان امکان باززایی یک گیاه کامل از یک سلول منفرد وجود دارد و این نوعی تکثیر غیر جنسی در گیاهان محسوب میشود. علاوه بر این، کشت بافت برای مطالعات پایهای در سلولهای حیوانی و گیاهی و دستورزی میکروارگانیسمها حائز اهمیت میباشد.(شارما و همکاران، 2000)
1-30- باززایی گیاهان کشت شده
اغلب هدف نهایی هر نوع کشت سلولی، باززایی گیاهان مورد نظر است، برخی گیاهان به خوبی در شرایط درون شیشهای باززایی میشوند و برخی دیگر مشکل دارند. درصد باززایی در گیاهان بسته به گونه گیاه، شرایط محیط و ترکیبات هورمونی متفاوت است. باززایی به دو روش مستقیم و غیر مستقیم صورت میگیرد. در روش مستقیم ابتدا بافتهای مریستمی کشت شده و سپس از اندامزایی مستقیم (شاخهزایی و ریشهزایی) برای باززایی گیاهان استفاده میشود. در این نوع کشت، شاخههای فراوانی از بافت ریزنمونه بدون واسطه کالوس تولید میشود. در روش باززایی غیر مستقیم عموماً تولید گیاهان با واسطه کالوس صورت میگیرد. یعنی ابتدا بافت ریزنمونه وادار به تشکیل کالوس میشود و سپس از کالوس اندامزایی صورت میگیرد. مسیر دیگری برای باززایی گیاهان از کالوس، تولید اجسام شبه جنینی در بافت کالوس است که این فرایند جنینزایی سوماتیکی نامیده میشود. در صورتی که هورمون اکسین از محیط کشت حذف شود، برخی سلولهای کالوس به حالت مریستمی در آمده و تولید اجسام شبه جنینی را میکنند. این جنینها به علت اینکه از بافتهای سوماتیکی منشاء میگیرند، به عنوان جنینهای سوماتیکی شناخته میشوند. این جنینهای نابجا قابل انتقال به محیط مناسب بوده و گیاه کامل را تولید میکنند(شریفی و همکاران، 1389).
1-31- مراحل ریزازدیادی از طریق کشت درون شیشهای
به طور معمول 4 مرحله جهت تکثیر درون شیشهای گیاهان مدنظر است که شامل استقرار در محیط کشت، ایجاد شاخساره و پرآوری و تکثیر انبوه از طریق واکشتهای متوالی و در نهایت ریشهزایی گیاهچههای تولید شده و سازگار کردن آنها با شرایط گلخانه و بیرون می باشد
1-32- استقرار در محیط کشت
مرحله استقرار از مهمترین مراحل در طی ریزازدیادی می باشددر طی این مرحله، ریزنمونه ها گندزدایی شده و در محیط کشت های استریل و در شرایطی عاری از بیماری زا، کشت می شوند. از اهداف اولیه مرحله استقرار تولید درصد بالایی از ریزنمونههای عاری از آلودگی سطحی است. آلودگیهای درونی و ترشح ترکیبات فنلی از ریزنمونه ها،مرحله استقرار را مشکلساز می کند(استیکلن و اورابی،2005).
1-33- ایجاد شاخساره و پرآوری و تکثیر انبوه از طریق واکشتهای متوالی
دومین مرحله از ریزازدیادی محسوب می شود که در آن ریزنمونهها تکثیر یافته و بر تعداد آنها افزوده می شود. بعد از عبور از مرحله استقرار، ریزنمونه ها باید به سمت شاخه زایی هدایت شوند، بنابراین با تغییرات هورمونی می توان به این امر نزدیک شد. همچنین محیط کشت می توان به همان صورت قبل باقی بماند یا اینکه تغییر کند که به نوع گیاه بستگی دارد ( سعادت و هنرتی ، 2002).
1-34- ریشهزایی گیاهچههای تولید شده
مرحله ریشهزایی بستگی زیادی به مرحله پرآوری دارد زیرا نمونه ها بایستی از نظر طول شاخه ها، سطح برگ و توانایی لازم برای شروع یک زندگی اتوتروف مناسب باشند، چرا که شاخساره هایی که در این مرحله ریشه دار می شوند به محیط بیرون انتقال داده خواهند شد. این مرحله نیز با ترکیبات هورمونی متفاوتی همراه است و معمولاً از غلظت سیتوکنین ها کاسته می شود(پراکسی و همکاران، 2005). همچنین ریشه زایی در شرایط درون شیشه ای دارای چندین مزیت است: از جمله این که در مدت ریشه زایی کمتر در معرض بیماری ها و تنشهای محیطی قرار می گیرد و در نتیجه ریشه هایی استریل و گیاهان عاری از بیماری تولید می شود. از معایب این روش می توان از زیادتر بودن قیمت نهال ها برای تولید در سطح تجاری و محدود بودن رشد ریشه ها به فضای داخل شیشه نام برد. در رابطه با فاز ریشهزایی، سعادت و هنری(2001) بالاترین درصد ریزشاخسارهای ریشهدار شده را با IBA در مقایسه با NAA بدست آوردند. آنها همچنـین پیشنهاد کردند که القاء ریشهزایی تحت شرایـط تاریکی(به مدت 9 روز) در حضور اکسین صـورت بگیرد، این عمـل ریشـهدار شدن ریز شاخـسارهها را تا 83% امکانپذیر مـیساخت. از طرف دیگر، سانچز-اولت (1996) نشان داد که راندمان ریشهزایی 85 درصدی از القاء ریزشاخسارهها در محیط کشت MS با عناصر اصلی رقیق شده تا 25% در تاریکی مطلق حاصل میشود. زمان القاء به غلظت اکسین بکار رفته بستگی دارد. برای غلظت 3 میلی گرم بر لیتر فاز القاء باید حداقل 7 روز، در حالی که برای غلظت 5 میلی گرم بر لیتر فاز القاء باید 3 روز بطول بی انجامد. وحدتی و همکاران (2004) نشان دادند که اختلاف سرعت ریشهزایی وابسته به نوع رقم استفاده شده است.
1-35- تولید متابولیت‌های ثانویه در گیاهان در شرایط درون‌ شیشه‌ای
با ظهور بیوتکنولوژی، شاخه جدیدی از تحقیقات در عرصه متابولیت‌های ثانویه گیاهی شکل گرفته است که به بیوتکنولوژی متابولیت‌های ثانویه معروف است. این شاخه بیوتکنولوژی به تولید درون شیشه‌ای متابولیت‌های ثانویه گیاهی و همچنین دست‌ورزی مسیرهای بیوسنتزی متابولیت‌های ثانویه برای تغییر الگوی تولید متابولیت در یک گیاه و یا تولید یک فرآورده ثانویه جدید در آن می‌پردازد. از اواخر دهه 60 میلادی، فناوری کشت ‌بافت به عنوان ابزاری در جهت مطالعه و تولید متابولیت‌های ثانویه گیاهی معرفی شده است. برخی مزیت‎های تولید متابولیت‎های ثانویه از طریق کشت بافت شامل کنترل بهینه شرایط کشت، افزودن پیشسازهای مورد نیاز برای افزایش بازده و تولید متابولیت‎های ثانویه خاص می‎باشد ( HYPERLINK "file:///D:\Users\User\Desktop\New%20folder%20(2)\بچه%20ها\PAIAN%20NAMEHA\yasini\فصل%20اول%20یاسینی.docx" l "Ramachadra2002" راماچادرا و راویشانکر، 2002). در این رابطه از روش‌های زیر برای تولید متابولیت‌های ثانویه استفاده شده است:
1-36- روش کشت کالوس
تولید متابولیت‌های با ارزش اغلب به بافت‌های تمایزیافته نظیر کرک‌های غده‌ای و مجاری رزینی بستگی دارد. این قبیل ترکیبات را به طور معمول نمی‌توان در کشت‌های سوسپانسیون سلولی القاء کرد. استفاده از کشت‌های کالوس به جای سوسپانسیون سلولی درختان در برخی موارد منجر به تشکیل مجاری و غده‌هایی می‌شود که فرآورده‌هایی چون ترپن‌ها و روغن‌های فرار در آنها تولید می‌شود. البته این کشت‌های کالوس دارای پتانسیل قابل توجهی در راستای تولید متابولیت‌های ثانویه هستند ( HYPERLINK "file:///D:\Users\User\Desktop\New%20folder%20(2)\بچه%20ها\PAIAN%20NAMEHA\yasini\فصل%20اول%20یاسینی.docx" l "Yeoman1987" یومان، 1987).
1-37- روش کشت سوسپانسیون سلولی
استفاده از سیستم‌های کشت سلول گیاهی برای تولید متابولیت‌های ارزشمند، خصوصاً در صنعت مواد دارویی و غذایی ( HYPERLINK "file:///D:\Users\User\Desktop\New%20folder%20(2)\بچه%20ها\PAIAN%20NAMEHA\yasini\فصل%20اول%20یاسینی.docx" l "Nickel1990" نیکل، 1990) ، عموماً یک فناوری مناسب محسوب شده و به سرعت در حال گسترش است (جدول 1-1). پیشرفت در زمینه کشت سلولی با استقرار موفق لاین‎های سلولی برخی از گیاهان دارویی که منتهی ‎به تولید درصد بالایی از ترکیبات ثانویه در شرایط کشت‎های سوسپانسیون سلولی می‌شوند، محقق می‌گردد، که این امر توسط برخی از محققان گزارش شده است ( HYPERLINK "file:///D:\Users\User\Desktop\New%20folder%20(2)\بچه%20ها\PAIAN%20NAMEHA\yasini\فصل%20اول%20یاسینی.docx" l "Tripathi2003" تریپادی، 2003).
جدول 1-1. مقایسه مقدار تولید برخی ترکیبات دارویی حاصل از کشت سوسپانسیون سلولی با گیاه کامل
(اقتباس از HYPERLINK "file:///D:\Users\User\Desktop\New%20folder%20(2)\بچه%20ها\PAIAN%20NAMEHA\yasini\فصل%20اول%20یاسینی.docx" l "Misawa1997" میساوا، 1997)
گونه گیاهی نام فارسی گیاه ترکیب دارویی عملکرد (وزن خشک بر حسب درصد)
گیاه کشت سلولی
Lithospermum erythrorhizon سنگ دانه شیکونین 500/1 000/20
Morinda citrifolia توت هندی آنتراکینون‌ها 300/0 000/18
Catharanthus roseus پریوش آجمالیسین 300/0 000/1

—d1926

1-در بین دو فرد متفاوت باشد (چند شکلی)
2-به توارث برسد (2).
1-3 انواع نشان‌گرهای ژنتیکینشان‌گرهای ژنتیکی عبارتند از:
1-نشان‌گرهای مورفولوژیک
2-نشان‌گرهای پروتئینی
3-نشان‌گرهای مولکولی در سطح DNA و RNA
1-3-1 نشان‌گرهای مورفولوژیک
کاربرد نشان‌گرهای مورفولوژیک به ده‏ها سال پیش از کشف DNA مربوط می‏شود. نشان‌گرهای مورفولوژیکی که پیامد جهش‏های قابل رویت در مورفولوژی هسته، از ابتدای این سده مورد استفاده قرار گرفتند. صفات مورفولوژیکی که عمدتا توسط یک ژن کنترل می‏شوند، می‏توانند به عنوان نشان‌گر مورد استفاده قرار گیرند. این نشان‌گرها شامل دامنه وسیعی از ژن‏های کنترل‌کننده صفات فنوتیپی هستند و جز نخستین نشان‌گرها به شمار می‌آیند و از زمان‏های بسیار دور یعنی از زمانی که محل ژن‏ها روی کروموزوم مشخص شد، مورد استفاده قرار می‏گرفتند (2).
معایب نشان‌گرهای مورفولوژیک
اغلب دارای توارث غالب و مغلوب بوده و اثرات اپیستازی و پلیوتروپی دارند.
تحت تاثیر شرایط محیطی و مرحله رشد موجود قرار می‏گیرند.
فراوانی و تنوع کمی دارند.
گاهی برای مشاهده و ثبت آنها باید منتظر ظهور آنها ماند.
اساس ژنتیک بسیاری از نشان‌گرهای مورفولوژیک هنوز مشخص نشده است‌(2).
1-3-2 نشان‌گرهای پروتئینی
در دهه‌ی 1950، نشان‌گرهای پروتئینی قابل مشاهده توسط الکتروفورز پروتئین‏ها تحول شگرفی را ایجاد نمودند. برخی از تفاوت‏های موجود در ردیفDNA بین دو موجود ممکن است به صورت پروتئین‏هایی با اندازه‏های مختلف تجلی کنند، که به روش‏های مختلف بیوشیمیایی قابل ثبت و مطالعه می‏گردند. این قبیل نشان‌گرها را نشان‌گرهای مولکولی در سطح پروتئین می‏نامند که از آن جمله می‏توان به سیستم آیزوزایم/آلوزایم اشاره کرد. معمول‏ترین نوع نشان‌گرهای پروتئینی آیزوزایم‏ها هستند که فرم‏های مختلف یک آنزیم را نشان می‏دهند. آیزوزایم‏ها به‏ طور گسترده در بررسی تنوع ژنتیکی به‌کار گرفته‌شدند. نشان‌گرهای پروتئینی تغییرات را در سطح ردیف و عمل ژن به صورت نشان‌گرهای هم‌بارز نشان می‏دهند. اما این دسته از نشان‌گرها هم دارای معایبی هستند. برخی از معایب آن‏ها عبارت‌اند از:
محدود بودن فراوانی این نوع نشان‌گرها؛
تعداد آیزوزایم‏های قابل ثبت و مشاهده که می‏توان از آنها به عنوان نشان‌گر استفاده کرد به یکصد عدد نمی‏رسد؛
محدود بودن تنوع ژنتیکی قابل ثبت در آیزوزایم‏ها‌(نداشتن چند شکلی)؛
پیچیدگی فنوتیپ‏های الکتروفورزی آیزوزایم‏ها به دلیل دخیل بودن آنزیم‏های مرکب از چند پلی‌پپتید مستقل در ترکیب برخی از آیزوزایم‏ها‌(3).
اما پیشرفت‏هایی که در زمینه‏ی الکتروفورز دو‏بعدی با قدرت تفکیک زیاد پدید آمده، تجزیه تحلیل هم‌زمان هزاران پروتئین را میسر ساخته و مجددا به‌عنوان فناوری پیشتاز در عرصه نشان‌گر‏های مولکولی مطرح شده‏اند. تاثیرپذیری نشان‌گرها از محیط که به‌طور معمول به‌عنوان یکی از محدودیت‏ها و نکات منفی نشان‌گرهای مولکولی یاد می‏شود، در مورد این نشان‌گر‏ها تبدیل به برتری شده و جایگاه متمایزی را در بین سایر نشان‌گرها به ارمغان آورده است. پروتئومیکس‌(مطالعه سراسری کل پروتئین‏های موجود در یک سلول یا یک ارگانیسم) می‏تواند به‌طور هم‌زمان برای مطالعه بیان ژن و هم‌چنین برای شناسایی پروتئین‏های واکنش دهنده به شرایط محیطی مورد استفاده قرار گیرد(3).
1-3-3 نشان‌گرهای مولکولیDNA وRNA
دسته‌ای دیگر از تفاوت‏های موجود در سطح DNA هیچ تظاهری ندارند. نه صفت خاصی را کنترل می‏کنند و نه در ردیف اسید‏های آمینه پروتئین‏ها تاثیری برجای می‌گذارند. این دسته از تفاوت‏ها را می‏توان با روش‏های مختلف شناسایی، قابل دیدن و ردیابی کرد و به عنوان نشان‌گر مورد استفاده قرار داد. این نشان‌گر‏ها که تعدادشان تقریبا نا‏محدود است، فقط از راه تجزیه و تحلیل مستقیم DNA قابل ثبت هستند. بنابراین به آنها نشان‌گرهای مولکولی در سطح DNA گفته می‏شود. نشان‌گرهای مولکولی فراوان و در هر موجود زنده‌ای می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. تاکنون تعداد زیادی از نشان‌گرهای DNA معرفی شده‌اند. این نشان‌گرها از نظر بسیاری از ویژگی‏ها مانند درجه‏ی چندشکلی، غالب یا هم‌بارز بودن، تعداد جایگاه‏های تجزیه شده در هر آزمایش DNA، توزیع در سطح کروموزوم، تکرار‌پذیری، نیاز یا عدم نیاز به توالی‏یابی DNA الگو و هزینه‏ی مورد نیاز با همدیگر متفاوت‌اند. انتخاب بهترین نشان‌گر به هدف مطالعه (انگشت نگاری، تهیه نقشه پیوستگی، ژنتیک جمعیت و روابط تکاملی) و سطح پلوئیدی موجود مورد مطالعه بستگی دارد‌(4).
مزایای کاربرد نشان‌گرهای مولکولی
عدم تاثیرپذیری آنها از شرایط محیطی خارجی و داخلی موجود؛
امکان به‌کارگیری آنها در مراحل نخستین رشد جنینی حیوانات و مراحل نخستین رشد موجودات؛
فراهم نمودن امکان مطالعه موجودات در خارج از فصل و محیط کشت؛
دقت و قابلیت مطلوب تفسیر نتایج؛
هم‌بارز بودن بسیاری از این نشان‌گرها؛
امکان استفاده از آنها در مورد گونه‏های منقرض شده؛
سهولت تشخیص افراد ناخالص از خالص؛
سهولت امتیازدهی و تجزیه و تحلیل نتایج؛
دسترسی به برنامه‏های رایانه‏ای قوی برای تجزیه و تحلیل و تفسیر سریع نتایج‌(4)
انواع نشان‌گرهای مولکولی
نشان‌گرهای DNA گروه بزرگی از نشان‌گرها را تشکیل می‏دهند. این نشان‌گرها سیر تحول و تکامل خود را به پایان نرسانده‏اند و ابداع و معرفی روش‏های متنوع و جدیدتر ثبت و مشاهده‏ی تفاوت‏های ژنتیک بین موجودات از طریق مطالعه‏ی مستقیم تفاوت‏های موجود در بین ردیف‏های DNA هم‌چنان ادامه دارد. نشان‌گر‏های DNA در مدت یک دهه تکاملی شگرف و تحسین‌برانگیز داشته‏اند‌(5).
ابداع و معرفی واکنش زنجیره‌ای پلی‌مراز یا PCR یک روش سریع تکثیر آزمایشگاهی قطعه یا قطعه‌های مورد نظر DNA است. در واقع PCR روشی بسیار قوی است که تکثیر ردیف منتخبی از مولکول یک ژنوم را تا چندین میلیون در کم‌تر از نیم‌روز امکان‌پذیر می‏سازد. اما این فرایند هنگامی امکان‌پذیر است که دست‌کم ردیف کوتاهی از دو انتهای قطعه DNA مورد نظر معلوم باشد. در این فرایند که تقلیدی از فرایند همانندسازی DNAدر طبیعت است، الیگونوکلئوتیدهای مصنوعی که مکمل ردیف شناخته شده دو انتهای قطعه‏ی مورد‌نظرDNA هستند، به‌عنوان آغازگر مورد استفاده قرار می‏گیرند تا واکنش آنزیمی همانندسازی DNA درون لوله‌ی آزمایش امکان‌پذیر شود. این همانند‏سازی فرایندی آنزیمی است و توسط انواع مختلفی از آنزیم‏های پلی‌مراز صورت می‏گیرد. امروزه تعداد زیادی از این نوع آنزیم‏ها به صورت تجاری دردسترس هستند‌(6).
واکنش زنجیره‏ای پلی‌مراز (PCR) در سال 1983 توسط کری‌مولیس در حالیکه در یک نیمه شب تابستانی در حال رانندگی بود، ابداع گردید و سبب انقلاب عظیمی در زیست شناسی مولکولی شد(6).
همان‌گونه که در شکل 1-1 نشان داده شده است، نشان‌گرهای DNAبه دو دسته‏ی کلی طبقه‌بندی می‏شوند.
نشان‌گرهای DNAمبتنی بر PCR
نشان‌گرهای DNA غیر مبتنی PCR(6).

شکل 1-1 انواع نشان‌گرهای ژنتیکی‌(10)
1-3-3-1 نشان‌گرهای غیر مبتنی بر PCRاین دسته از نشان‌گرهای DNA بدون استفاده از روشPCR تولید می‌شوند و مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انواع نشان‌گرهای غیر مبتنی بر PCR به شرح زیر است:
تفاوت طول قطعات حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‏های محدودگر(RFLP)
پویش ژنومی نشانه‏های هضم (RLGS)
ماهوارک‏ها
1-3-3-1-1 تفاوت طول قطعات حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‌های محدودگر( (RFLPسرگروه نشان‌گرهای غیر‌مبتنی برPCR ، همان تفاوت طول قطعه‏های حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‏های محدودگر یا RFLP است. از بین نشان‌گرهای مولکولی DNA، RFLP ها اولین نشان‌گرهایی بودند که برای نقشه‌یابی ژنوم انسان توسط بوتستین و همکاران در سال 1980 و پس از آن برای نقشه‌یابی ژنوم گیاهان توسط بر و همکاران در سال 1983 مورد استفاده قرار گرفتند. در اوایل دهه 1980 بوتستین و همکاران استفاده از تفاوت طول قطعه‏های حاصل از هضم یا RFLP را برای مطالعه‏ی مستقیم DNA و یافتن نشان‌گر‏های ژنتیک جدید معرفی کردند. این تحول از پیامد‏های منطقی کشف آنزیم‏های محدودگر بود. این آنزیم‏ها که بسیار اختصاصی‏ هستند، ردیف‏های ویژه‏ای را روی مولکولDNA شناسایی کرده و آنها را از محل خاصی (نقطه‏ی برش) برش می‏دهند‌(7).
RFLP الزاما مختص ژن‏های خاص نیست، بلکه در کل ژنوم پراکنده است. ازاین رو، از نشان‌گرهای RFLP برای نقشه‌یابی تمام ژن‌ها در ژنوم انسان استفاده می‏شد(5). علاوه برRFLP که هنوز هم از قدرتمندترین و معتبرترین نشان‌گرهایDNA است، انواع مختلف نشان‌گرهایDNA با تفاوت‌های زیادی از نظر تکنیکی و روش تولید، نحوه‌ی کاربرد، امتیاز‌بندی، تجزیه و تحلیل و تفسیر نتایج به سرعت ابداع ومعرفی شده‌اند‌(7).
مهم‌ترین مزایای RFLP
تکرارپذریری، دقت و قابلیت اعتماد این نشان‌گر فوق‌العاده زیاد است؛
این نشان‌گر هم‌بارز است و امکان تشخیص افراد خالص را از افراد ناخالص فراهم می‏آورد؛
فراوانی این نشان‌گر در حد بالایی است؛
RFLP تحت تاثیر عوامل محیطی داخلی و خارجی نبوده و صد در صد ژنتیکی است(8).
برخی معایب RFLP
دشواری، پیچیدگی و وقت‌گیر بودن؛
RFLP ژنوم‌های بزرگ نیازمند کاربرد مواد پرتوزا یا روش‌های پیچیده‏تر و گران‏تر بیوشیمیایی است؛
RFLP نیازمند نگه‌داری میکروارگانیسم‌ها به‌منظور تهیه‏ی کاوشگر است که خود بر پیچیدگی این روش می‏افزاید؛
هزینه‏ی اولیه و نگه‏داری کاوشگر‏ها و کاربرد آنها بسیار زیاد است؛
نیازمندی به مقدار نسبتا زیاد DNA از محدودیت‏های دیگر روش RFLPاست به‌طوری که ده‏ها میکروگرم از DNAبرای هر فرد به منظور تجزیه‏ی ژنوم مورد نیاز است؛
از دیگر محدودیت‏های این نشان‌گر آن است که در گونه‏های بسیار نزدیک به یکدیگر این نوع نشان‌گر‏ها آلل‏های مشابهی را نشان می‏دهند(8).
1-3-3-1-2 پویش ژنومی نشانه‏های هضم (RLGS)در سال1991، هاتادا و همکاران روشی را برای شناسایی و انگشت‌نگاری موجودات عالی ابداع و معرفی کردند. پیش از ابداع این روش که بر مبنای نشان‌دار کردن هم‌زمان انتهای هضم شده‏ی هزاران قطعه‌ی DNA است، ردیابی و ثبت موجودات عالی با روش نشان‌دار کردن انتهای هضم شده غیر ممکن می‌نمود. دو دلیل اصلی برای این تصور ذکر شده است:
ژنوم موجودات عالی بسیار بزرگ و پیچیده است برای مثال ژنوم انسان 109×3 جفت باز دارد و در نتیجه‏ی هضم آن با آنزیمی مانند EcoRI بیش از یک میلیون قطعه‌ی DNA به وجود می‌آید. تفکیک این تعداد مولکولDNA حتی با الکتروفورز دو بعدی نیز غیر ممکن است.
معمولا DNA ژنومی در هنگام استخراج به صورت تصادفی و غیر‌اختصاصی شکسته می‌شود و ایجاد مولکول‏هایی با انتهای تصادفی می‏کند. این امر سبب ایجاد پس‌زمینه‌ی ناشی از نشان‌دار شدن این انتهاها طی فرایند نشان‌دارکردن می‏شود‌(9).
برای رفع این دو نقص تدابیری پیش‏بینی شد و روش RLGS ابداع گردید. این روش جدید که برای تجزیه و تحلیلDNA ژنومی به‌کار می‌رود، بر مبنای این فرضیه است که نقاط برش اختصاصی آنزیم‏های محدودگر می‌توانند به‌عنوان نشانه و وجهه تمایز ارقام و افراد به کار گرفته‌شوند.
در این روش انتهای آزاد مولکول‌های DNA که در اثر صدمات مکانیکی در طی استخراج به وجود آمده‏اند، مسدود می‏شود. سپس برای کاهش پیچیدگی، DNA ژنومی توسط آنزیم‏های محدودگر، با محل برش نادر، هضم و نقاط برش به‌طور مستقیم با فسفر پرتوزا نشان‌دار می‏شوند. آنزیم‏های با محل برش نادر معمولا هزاران قطعه DNA به وجود می‏آورند. سپس با الکتروفورز دو‌بعدی، قطعه‏های هضم‌شده‏یDNA از هم جدا شده و خودپرتونگاری صورت می‏گیرد. این روش یک الگوی دو بعدی با هزاران نقطه‏ی پراکنده (قطعه‏های نشان‌دارDNA) ایجاد می‏کند که هر یک می‏توانند به عنوان یک نشان‌گر به کار گرفته شوند(10)
برخی از مزایای روشRLGS
در هر آزمایش هزاران نشان‌گر به‌دست می‌آید؛
مقدار کمی DNAمورد نیاز است؛
در صورت استفاده از آنزیم‌های محدودگر متفاوت، تفاوت‏های بیشتری ظاهر و ثبت خواهند شد[10].
برخی از معایب روش RLGS
DNA مورد نیاز برای این روش باید از کیفیت مطلوبی برخوردار باشد؛
هضم ناقص DNA توسط آنزیم‏های محدودگر نتایج تکرار ناپذیر و گمراه کننده‏ای خواهد داشت؛
این روش پیچیدگی فوق العاده‏ای داشته و تفسیر نتایج حاصل از آن دشوار است(10).
1-3-3-1-3 ماهوارک‏ها
ماهوارک‏ها نخستین بار در سال 1985 توسط جفری و همکاران گزارش شدند. پس از آن در سال 1988 تکثیر جایگاه‏های ژنی خاص نواحی تکرارشونده، روی ماهوارک‏ها در ژنوم انسان انجام شد.
این دسته از نشان‌گرها از نظر تکنیکی مبتنی بر استفاده از کاوشگرهای مصنوعی و کاربرد مواد پرتوزا و روش ساترن هستند.
ماهوارک‌ها واحدهایی 10 تا 100 جفت بازی هستند که ممکن است صدها بار تکرار شده باشند. آنها معمولا یک هسته مشترک 10 تا 15 جفت بازی دارند که احتمالا در تنوع‌پذیری ماهوارک‌ها موثرند. ماهوارک‌ها بیش‌تر در نواحی یوکروماتین ژنوم پستانداران، قارچ‌ها و گیاهان متمرکز‌ند. تنوع‌پذیری ماهوارک‌ها در حدی است که گاهی در انگشت‌نگاریDNA انسان مورد استفاده قرار می‏گیرند. از جمله‌ی ماهوارک‌ها می‏توان به تکرارهای پشت سر هم با فراوانی بالا (VNTR) اشاره کرد[11]. VNTR ها به دو دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند: VNTR تک مکانی و VNTR چند مکانی.
دسته‏ی نخست، تعداد متفاوت ردیف‌های تکراری در یک جایگاه ژنی و دسته‏ی دوم تعداد متفاوت ردیف‌های تکرار‌شونده در چندین جایگاه ژنی را نشان می‌دهند. الگوی بانددهی به‌دست آمده با استفاده از کاوشگر‌های VNTR تک مکانی ساده‏تر و قابل فهم‌تر است، زیرا هر فرد تعداد کمی باند واضح را نشان می‏دهد. در حالی‌که تعداد باندهای به دست آمده از کاوشگرهای مخصوص VNTRچند‌مکانی بیش‌تر است، به‌طوری که به‌طور هم‌زمان تا بیش از 30 باند به دست می‏آید(12).
در نخستین نشان‌گرهای مبتنی بر ماهوارک‌ها، از الیگونوکلئوتید‏های حاوی ریزماهواره به عنوان کاوشگر استفاده گردید و توسط علی و همکاران انگشت‌نگاری الیگونوکلئوتیدی نام‌گذاری شد.
از کاوشگرهای الیگونوکلئوتیدی نشان‏دار‌شده مکمل با موتیف‌های کوتاه تکرار‌شونده در هیبریداسیون در ژل، با به کارگیری DNAژنومی برش داده شده با آنزیم‌های برشی خاص و الکتروفورز ژل آگارز استفاده شده است. گوبتا و وارشنی در سال2000 طی تحقیقات خود مراحل زیر را برای انگشت‌نگاری الیگونوکلئوتیدی مطرح کردند:
جداسازیDNA ژنومی با وزن مولکولی زیاد
هضم DNAژنومی با یک آنزیم محدودگر مناسب
تفکیک قطعه‌های حاصل از هضم روی ژل آگارز
انتقال ساترن قطعه ها به غشا
دو ‏رگ‏گیری غشا با کاوشگر‏های(نشاندار با مواد پرتوزا یا غیر پرتوزا) الیگونوکلئوتیدی دربردارنده‏ی ردیف‌های دو یا سه تایی تکراری
خودپرتونگاری یا رنگ آمیزی برای مشاهده‏ی قطعه‌های دو رگ‌شده.
به‌کمک این روش می‌توان تنوع نواحی تکرار‌شونده‏ی مورد نظر را آشکار کرد. قطعه‌هایی از DNA که با الیگونوکلئوتیدها دو ‌رگ می‌شوند، در دامنه‌ای از اندازه‏ی چند صد جفت تا ده کیلو جفت باز قرار می‏گیرند. هم‌چنین گاهی بیش از یک نوع ماهواره در داخل یک قطعه‏ی برش داده شده قرار می‌گیرد. تفاوت‏هایی که این نوع نشان‌گرها نشان می‏دهند، به دلیل تفاوت در طول قطعه‌های برش داده‌شده‌ای است که در بردارنده‏ی ماهوارک‌ها هستند. از این روش برای شناسایی ژنوتیپ‌ها و همچنین در ژنتیک جمعیت استفاده می‌شود(12).
پس از مدتی، لیت و لوتی و سه گروه دیگر همین روش را برای ریزماهواره‏ها(عمدتا از نوع (CA)n) به‌کار بردند و دریافتند که ریز ماهواره‏ها به دو دلیل به مراتب آسانتر از ماهوارک‌ها با روش PCR تکثیر می‏شوند:
1-ریزماهواره‏ها کوچکتر از ماهوارک‏ها هستند؛
2-ردیف‌های تکرار‌شونده ریز ماهواره‏ای فراوانتر و توزیع آنها در کل ژنوم یکنواخت‌تر ازماهوارک‏هاست(13).
1-3-3-2 نشان‌گرهای مبتنی بر PCRنشان‌گرهای مبتنی بر PCR نشان‌گرهایی هستند که از توالی الیگونوکلئوتیدی به عنوان آغازگر برای تکثیر قطعه‏ی خاصی از DNA استفاده می‌کنند. روش‏های مختلف در این گروه، در طول و توالی آغازگرها، سختی شرایط PCR و روش‏های جداسازی و آشکار کردن قطعات با همدیگر فرق دارند.
انواع نشان‌گرهای مبتنی بر PCR به شرح زیر است:
تفاوت طول قطعه‌های حاصل از تکثیر(AFLP)
DNA چند شکل تکثیر‌شده‏ی تصادفی(RAPD)
تفاوت تک نوکلئوتیدی(SNP)
نشان‌گرهای مبتنی برنقاط نشانمند از ردیف (STS)
1-3-3-2-1 تفاوت طول قطعه‌های حاصل از تکثیر (AFLP)
در سال 1995 نشان‌گرهای جدیدی ابداع و معرفی شدند که به نظر می‌رسد بسیاری از محدودیت‌های نشان‌گر‌های پیشین را نداشته باشند. در این روش که AFLP نامیده می‏شود نشان‌گرهایی تولید می‏شوند که علاوه بر دارا بودن مزایایRFLP مانند دقت و تکرار‌پذیری ویژگی‌های مثبت روش‌های مبتنی بر واکنش زنجیره‌ای پلی‌مراز را نیز دارند. پایه‌ی این روش تکثیر انتخابی برخی قطعه‌ها از بین تمام قطعه‌های هضم شده‌ی DNA است و سه مرحله‌ی مجزا دارد:
هضمDNA با یه جفت آنزیم محدودگر و اتصال آنها به آداپتور‌های اولیگونوکلئوتیدی؛
طراحی، ساخت آغازگر و تکثیر انتخابی دسته‌ای از قطعه‌های حاصل از هضم .با استفاده از ردیف بازی آداپتور‌ها و نیز ردیف بازی نقاط برش، طراحی و ساخت آغازگر انجام می‌شود، اما برای تکثیر انتخابی قطعه‌های حاصل از هضم دو، سه یا چند نوکلئوتید به انتهای’3 ردیف آغازگر اضافه می‌شود که موجب می‌گردد فقط قطعه‌هایی تکثیر‌شوند که ردیف بلافصل آنها در مجاورت نقطه‌ی برش ،مکمل نوکلئوتیدهای یاد شده باشد؛
جداسازی قطعه‌های حاصل از تکثیر روی ژل‌های توالی‌یابی(پلی‌اکریل‌آمید) و خودپرتونگاری یا رنگ‌آمیزی نقره برای ثبت نتیجه‌ها.
با استفاده از این روش تعداد زیادی از قطعه‌های حاصل از هضم، تکثیر و قابل رویت می‌شوند. این در حالی است که نیازی به دانش اولیه در مورد توالی‌بازی قطعه‌هایی که تکثیر می‌شوند، وجود ندارند. هر یک از این قطعه‌هایی که به صورت باند روی ژل ظاهر می‌شوند، می‌توانند به عنوان یک نشان‌گر ژنتیک مورد استفاده قرار گیرند.
تعداد قطعه‌هایی که با این روش تکثیر می‌شوند، به دقت و توانمندی روش‌های جداسازی (الکتروفورز)، ثبت نتایج و تعداد نوکلئوتید اضافه شده به انتهای آغازگر بستگی دارد. معمولا در این روش بین پنجاه تا صد قطعه‌ی حاصل از هضم تکثیر و با استفاده از ژل‌های پلی‌اکریل‌امید واسرشت ساز ثبت می‏شوند(19)
مزایای AFLP
این روش در مقایسه یا سایر روش‌ها بیشترین تعدا نشان‌گر‌ها به ازای هر ژل را ایجاد می‌کند؛
در این روش نیازی به تهیه و تدارک و نگه‌داری کاوشگر نیست .دقت و تکرار‌پذیری این نشان‌گر به دلیل انتخاب دمای زیاد هم رشته‌سازی و اتصال آغازگر به DNA الگو بیشتر از RAPD است(20).
معایب AFLP
پیچیدگی نسبی این روش در مقایسه با سایر روش‌های میتنی برPCR ؛
عدم اطلاع از جایگاه ژنی نشان‌گر‌ها؛
غالب بودن این نشان‌گر موجب عدم امکان تشخیص افراد خالص از ناخالص می‏گردد؛
تکثیر قطعه‌های غیر‌واقعی در AFLP موجب کاهش قابلیت اعتماد این روش می‏گردد(20).
1-3-3-2-2 DNA چندشکل تکثیرشده‏ی تصادفی(RAPD)در این روش از تک آغازگرهایی به طول هشت تا ده نوکلئوتید که ردیف بازی آن به طور قراردادی تعیین می‌گردد، استفاده می‏شود. در این واکنش یک آغازگر منفرد نقاط مکمل خود را روی دو رشته‏ی DNA ژنومی می‌یابد و در آن نقاط به رشته‌های DNAمتصل می‌شود. چنانچه محل اتصال آغازگرها در روی دو رشته‏ی مقابل به هم نزدیک باشند(فاصله‏ای که DNA قابل تکثیر باشد)، ردیف بین آن دو نقطه طی واکنش PCR تکثیر خواهد شد. فراورده‌های واکنش PCRروی ژل آگارز از هم جدا می‏شوند. تولید هر باند بیانگر وجود شباهت زیاد بین ردیف بازی آغازگرها و ردیف بازی محل اتصال درDNA ژنوم است. به طور معمول هر آغازگر تکثیر چندین جایگاه مختلف را درDNA ژنومی هدایت خواهد کرد. وجود یا عدم وجود یک باند واحد در ژل های RAPD بیانگر جهش نقطه‌ای در محل اتصال آغازگرها و یا حذف یا (اضافه) شدن در ناحیه قابل تکثیر است. بنابراین چند شکلی در RAPDمعمولا به شکل حضور و غیاب یک باند پدیدار می‏شود. بدین معنی که نشان‌گرهای RAPD از نوع غالب‌اند و افرادی که دو نسخه از یک آلل دارند، به طور کمی از افرادی که یک نسخه از آن آلل را دارند، قابل تشخیص نیستند. تفاوت طول قطعه‏ها در RAPD از طریق تکثیر قطعه‌های DNA مکمل با ردیف‌های آغازگرهای اختیاری (ردیف مشخص ولی تصادفی) به‌دست می‌آیند. قطعه‏های تکثیر شده به صورت نوارهایی با وزن مولکولی متفاوت به‌طور مستقیم روی ژل قابل مشاهده‌اند (15).
مزایای RAPD
عدم نیاز به کاوشگر، مواد پرتوزا و غیره؛
امکان بررسی هم زمان چندین جایگاه در ژنوم؛
عدم نیاز به اطلاعات اولیه در مورد ریف DNA برای ساخت آغازگر(16).
معایب RAPD
عدم تکرار پذیری؛
حساسیت بسیار به آلودگی؛
در صورت تغییر شرایط محیطی ظهور باندهای جدید؛
نامعلوم بودن جایگاه نشان‌گر RAPD روی نقشه‌ی ژنتیکی(16).
1-3-3-2-3 تفاوت تک نوکلئوتیدی(SNP)تنوع‌ها و تفاوت‌هایی که به واسطه‏ی اختلاف در یک جایگاه نوکلئوتیدی(به علت جایگزینی، حذف یا ازدیاد) اتفاق می‌افتند، با عنوان تفاوت تک نوکلئوتیدی نامیده می‏شوند. این نوع از تنوع به‌وفور در ژنوم انسان اتفاق می‏افتد به طوری که مطالعات انجام گرفته توسط کاتانو-آنولز و گرس هوف (1998) در ژنوم انسان و اسب نشان می‏دهد که در فاصله‏ی هر دویست و پنجاه تا چهارصد نوکلئوتید یک SNP وجود دارد(17).
با اینکه‌SNP ها به وفور در ژنوم انسان یافت می‌شوند، ولی ایجاد و توسعه‌ی نشان‌گرهای SNP چندان آسان نیست. تهیه نشان‌گر‏های SNP شامل مراحل زیر است:
تعیین ردیف DNA اطراف SNP؛
تکثیر قطعه‌ای منحصر به فرد از DNA به کمک PCR به منظور غربال SNP؛
شناسایی SNP که شامل مشاهده‌ی دو آلل در افراد مختلف می‌باشد؛
مکان‌یابی نشان‌گر SNP و تعیین جایکاه خاص کروموزومی آن؛
تعیین فراوانی دو آلل در جمعیت؛
بررسی SNP در افراد و ژنوتیپ‌های مختلف(17).
برخی از معایب نشاگرهای SNP
SNPها به دلیل داشتن فقط دو آلل در یک جایگاه ژنی نسبت به نشان‌گر‌های چند آللی، اطلاعات کمتری را در نقشه‌های پیوستگی نشان می‌دهند؛
شناسایی نشان‌گرSNP بسیار پر‌هزینه و هم‌چنین زمان‌بر است(17).
1-3-3-2-4 نشان‌گرهای مبتنی برنقاط نشانمند از ردیف(STS)هر نشان‌گری که مبتنی بر واکنش PCR باشد و با استفاده از آغازگرهای اختصاصی (معمولا بیش از بیست نوکلئوتید) ایجاد شود، یک نقطه‌ی نشانمند از ردیف نامیده می‏شود، زیرا پیش از طراحی آغازگر، بی‏شک در یک مرحله ردیف‌یابی صورت گرفته است. نشان‌گرهایی همچون تفاوت طول قطعه‌های قابل تکثیر (ALP) و ریزماهواره‏ها از آن جهت که مستلزم ردیف‏یابی برای طراحی آغازگر به منظور تکثیر DNA در یک نقطه‌ی خاص هستند، ذیل STS دسته‌بندی می‌شوند:
-تفاوت طول قطعه‏های قابل تکثیر(ALP)
-ریز ماهواره‌ها (18).
1-3-3-2-4-1 تفاوت طول قطعه‏های قابل تکثیر(ALP)
ALP یکی از ساده‏ترین و سریع‏ترین نشان‌گرهای مبتنی بر PCR است. اگر ردیف باز‏های قطعه‏ای از DNA در یک موجود مشخص باشد (یا دست کم بخشی از دو انتهای آن قطعه معلوم باشد)، براساس آن می‏توان به طراحی و ساخت مصنوعی آغازگرهایی به طول بیست تا سی نوکلئوتید اقدام کرد. چنان‌چه نمونه‏های مختلف DNA توسط این آغازگرها و از طریق واکنش زنجیره‏ای پلی‌مراز تکثیر و سپس روی ژل الکتروفورز از هم جدا شوند، در صورت وجود اختلاف در طول قطعه‏ی قابل تکثیر، باندهایی به اندازه‏های مختلف تولید خواهند شد که بیانگر وقوع پدیده‏ی حذف یا اضافه در بین نمونه‏های مورد مطالعه است. این تفاوت در اندازه‏ی قطعه‏های قابل تکثیر که جهش‏های ژنتیک را نشان می‏دهد به عنوان نشان‌گرهای ژنتیک مورد استفاده قرار می‏گیرد(14).
مزایای ALP
از نظر کاربردی در بین نشان‌گرهای DNA،یکی از سریع ترین و ارزان‌ترین‌ها است؛
به‌کاربرد مواد پرتوزا یا بیوشیمیایی پیچیده نیاز ندارد؛
به‌تدارک، نگهداری و کاربرد کاوشگرها نیاز ندارد؛
بسیار اختصاصی عمل می‌کند، تکرار پذیری آن خوب است و تا حد بسیار زیادی می‌توان به نتایج آن اعتماد داشت؛
به‌مقدار خیلی کمی از DNA نیاز است؛
هم‌بارز بودن این نشان‌گر امکان تشخیص افراد خالص از هر یک از انواع افراد ناخالص را فراهم می‌آورد(14).
معایب ALP
طراحی و ساخت آغازگرها، به اطلاعات اولیه در مورد ردیف DNAژنوم مورد مطالعه نیاز دارد که با توجه به اینکه ژنوم بسیاری از موجودات به طور کامل در دسترس نیست این روش استفاده بسیار کمی دارد؛
هزینه‌ی اولیه مورد نیاز به منظور تولید تعداد کافی نشان‌گر ژنتیک با توزیع مناسب در سرتاسر ژنوم بسیار زیاد و مستلزم صرف وقت است(14).
1-3-3-2-4-2 ریزماهواره‌هاریزماهواره‏ها شامل واحدهای یک الی شش تایی تکرار شونده هستند که در ژنوم بیشتر یوکاریوت‏ها پراکنده‏شده‏اند. به طوری که در هر ده کیلو جفت باز از ردیف DNA دست کم یک ردیف ریزماهواره‏ای دیده می‏شود. طول ریز‌ماهواره‏ها معمولا کمتر از 100 جفت باز بوده و توسط دو ردیف منحصر به فرد در دو طرف محدود شده‏اند. ریزماهواره‏ها به سه گروه عمده‌ی تکرارهای کامل، تکرارهای ناکامل (معمولا توسط بازهای غیرتکرارشونده قطع می‌شوند) و تکرارهای مرکب(دو یا تعداد بیشتری از واحدهای مجاور یکدیگر) تقسیم می‏شوند. تعداد تکرارها در هر واحد بسیار متفاوت است. حداقل تعداد واحد تکرار‌شونده برای ریز ماهواره‏های دو نوکلئوتیدی به ترتیب ده و هفت بار تکرار تعیین شده است(21).
مزایای ریزماهواره‏ها
کاربرد آنها و تفسیر نتایج نسبتا ساده است؛
سیستم چند آللی(تا 11 آلل) از ویژگی‌های بارز این نوع نشان‌گر است؛
ریزماهواره‌ها بسیار متنوعند؛
به وفور در ژنوم یوکاریوت‏ها یافت می‏شوند؛
بیشتر ریزماهواره‏ها غیر‏عملکردی هستند؛
همبارز هستند [22].
1-4 فراوانی، توزیع و سازماندهی ریزماهواره‏ها در داخل ژنومریزماهواره‌ها بسیار فراوان بوده و در کل ژنوم موجودات به صورت تصادفی پراکنده اند. فراوانی ریزماهواره ها در بین موجودات زنده متفاوت است. برای مثال تخمین زده شده است که ژنوم انسان به طور میانگین ده برابر بیشتر از گیاهان ریزماهواره دارد. علاوه برDNA کروموزومی تعداد زیادی ریزماهواره در DNA کلروپلاست ها نیز گزارش شده است. به کمک روش‏هایی از قبیل دورگه‏گیری در ژل، نقشه‏یابی ژنتیکی و فیزیکی و هم چنین دورگه‏گیری در محل فلورسنت، ثابت شده است که ریزماهواره ها به طور یکنواخت در ژنوم پراکنده‏اند. اگرچه در برخی موارد می توانند به صورت مجتمع قرار گرفته باشند(12).
1-5 مکانیسم ایجاد تنوع در طول توالی‏های تکراریچنین فرض می‏شود که جهش در تعداد واحدهای تکرار شونده در هر یک ازDNA های تکرار شونده با یکی از دو سازوکار کراسینگ آور نامساوی(uco) یا جفت نشدن ناشی از سرخوردن در طول رشته (خطای همانندسازی DNA ) صورت می‏گیرد. بیشتر عقیده بر این است که ریزماهواره‏ها و ماهواره‏ها توسط سازوکار کراسینگ آور نامساوی ایجاد می‏شوند، ولی در مورد ریزماهواره‏ها برخی افراد یکی از دو سازوکار و برخی دیگر هر دو سازوکار را موثر می‏دانند(23).
1-5-1 کراسینگ اور نابرابرگاهی کراسینگ اور نابرابر در داخل تکرارهای ریزماهواره‏ای بین کروموزوم های مشابه یا خواهری اتفاق می‏افتد و سبب تغییر در تعداد واحدهای تکرار شونده می‏شود.(شکل 1-2).کراسینگ اور نابرابر می‏تواند هم در میوز و هم میتوز اتفاق بیفتد. چنین توجیه می‏شود که وجود نواحی تکرارشونده احتمالا مانع از ردیف شدن کامل در همولوگ یا کروموزوم‏های خواهری می‏شود. به نظرمی‏رسد که این نوترکیبی مکانیزم اصلی ایجاد تنوع مینی‏ستلایتی است(23).

شکل 1-2 کراسینگ آور و مبادلات نابرابر بین کروماتیدهای خواهری سبب ایجاد حذف شدگی یا الحاق می‌شود(23.)
1-5-2 عدم جفت شدن ناشی از سرخوردن DNA در طول رشته(خطاهای همانند سازی)گاهی DNA پلی‌مراز در طول همانند سازی در نواحی تکرار شونده‏ی ریز ماهواره‏ای سر می‏خورد و موجب تغییر در تعداد واحد تکرار شونده می‏شود. در حقیقت سر خوردن پلی‌مراز در طول نواحی تکراری موجب عدم جفت شدن کامل دو رشته‏ی DNA شده و در نهایت حلقه‌هایی در رشته‌ی الگو یا رشته‏ی جدید ایجاد می‏شود(شکل1-3). این امر مکانیسم اصلی به وجود آورنده‏ی چندشکلی در میکروستلایت‌هاست(23).

شکل 1-3 متزلزل بودن پلی‌مراز حین همانندسازی DNA می‏تواند طول تکرار را به اندازه یک یا دو واحد تغییر دهد(23).اگر نتیجه‏ی همانند سازی ایجاد واحد های تکرار شونده‏ی اضافی باشد، حلقه در رشته ی جدید و اگر نتیجه‌ی همانند سازی کاهش در تعداد واحد‏های تکرار شونده باشد، حلقه در رشته‏ی الگو تشکیل خواهد شد(23).
گلدستین و شلوترر فرضیه‏ی عدم جفت شدن ناشی از سر‏خوردن در طول رشته را نسبت به فرضیه کراسینگ آور نامساوی به دلایل زیر به واقعیت نزدیکتر دانسته‏اند:
الف)‌در انسان بسیاری از تغییرات ریز ماهواره‏ای موجب تغییر در نشان‌گر های مجاور ناحیه ی ریز ماهواره‏ای نمی‌شود. بنابراین در ایجاد چنین تغییراتی نوترکیبی بی‏تاثیر است. از آنجا که جهش در فرضیه کراسینگ اور نامساوی، وابسته به نوترکیبی است، تغییرات ریز ماهواره ای و عدم تغییر نقاط مجاور با این فرضیه قابل توجیه نیست.
ب)‌نقصان در ژن‏هایی که در نوترکیبی نقش اساسی دارند تاثیری در پایداری ریز ماهواره‏ها ندارد.
ج)‌مطالعات انجام گرفته در ساکارومایسزسرویزیه نشان می‏دهد که پایداری ریز ماهواره‏ها در سلول‏هایی که تقسیم میوز را انجام می‏دهند مشابه با یاخته ها در تقسیم میتوز است. با توجه به اینکه نوترکیبی در میوز بیشتر از میتوز است، پس اگر فرضیه‏ی کراسینگ اور نامساوی صادق باشد، باید ریز ماهواره‏ها در میوز ناپایدارتر از میتوز باشد(23).
1-6 دامنه تنوع واحدهای تکرارشوندهدو مدل متفاوت برای توصیف دامنه‏ی تنوع تعداد واحدهای تکرار شونده‏ی ریز ماهواره‏ای وجود دارد:
1.مدل جهش گام به گام
2. مدل آللی نا محدود
1-6-1 مدل جهش گام به گاماگر فرض کنیم در ریزماهواره‏ها یک گام معادل تغییر در یک واحد تکرار شونده باشد، بنابر این مدل ریز ماهواره‏ها از نظر اندازه فقط در تعداد محدودی گام تفاوت دارند، به‌طوری که هر گام از گام بعدی به وسیله‏ی یک واحد تکرار شونده جدا می‏شود. در این مدل چنین فرض می‏شود که بسیاری از جهش‏های با فراوانی زیاد، فقط ریزماهواره‏ها را در یک گام یا دو گام‌(در یک زمان) تغییر می‏دهند. طرفداران این نظریه معتقدند که در بیشتر آزمایش‏ها، بیشترین تغییر در ساختار ریزماهواره‏ها مربوط به افزایش یا کاهش در یک واحد تکرار شونده بوده است(10).
1-6-2 مدل آللی نا‏محدودبر اساس این مدل هیچگونه محدودیتی در اندازه‏ی پتانسیل ریزماهواره‏ها وجود ندارد. از این رو تعداد نا محدودی از انتخاب‏ها می‌توانند اتفاق بیفتند که تمامی آنها احتمال یکسان را داشته باشند.
بسیاری از پژوهشگران معتقدند که ترکیبی از این دو مدل(عموما تغییر در یک یا دو واحد تکرار شونده و به مقدار کمتر تغییرات بزرگتر) بهتر می‌تواند تغییرات جهشی در ریزماهواره‏ها را توضیح دهد(10).
1-7 مارکرهای STRتوالی‏های تکراری کوتاه پشت سر هم(STRS) ، توالی‏های تکرارشونده کوتاه با طول 1-13 نوکلئوتید هستند که به شکل سر به دم قرار می‏گیرند. در ژنوم انسان، معمول‏ترینSTR ، توالی دو نوکلئوتیدی [CA]n است،که در این فرمول n تعداد تکرارهاست که معمولا بین 5 تا 20 بار متغیر است(24).
1-8 کاربرد مارکرهای STRمارکرهایSTR کاربردهای فراوانی دارد که از مهمترین آنها تعیین هویت افراد است(25). تعیین هویت در موارد بسیاری کاربرد دارد که از جمله‏ی آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- مطالعات شجره‏ای و روابط فامیلی
2- شناسایی هویت قربانیان حوادث
3- تعیین هویت در موارد جنایی
4- ردیابی تاریخ بشر و مطالعات جمعیتی(26).
1-8-1 مطالعات شجره‏ای و روابط فامیلیاز مارکرهایSTR می توان برای بررسی خویشاوندی دو یا چند نفر استفاده کرد. این نوع مطالعه را آنالیز فامیلی می‌گویند و کاربرد متداول آن در بررسی رابطه والدین ـ فرزندی است(27).
هرساله بیش از 300000 مورد تست ابویت به منظور تعیین رابطه پدر فرزندی در ایالات متحده انجام می‏شود. این تست‏ها معمولا شامل یک مادر، یک کودک و یک یا چند پدر مدعی است. همانطور که می‏دانیم هر فرد دارای دو سری آلل می‏باشد که یک سری آن را از پدر و سری دیگر را از مادر دریافت کرده است. بدین منظور آلل‏های پدر و فرزند برای یافتن تعدادی از جایگاه‏هایSTR مورد بررسی قرار می‏گیرند. اساس این تست بر این است که در فقدان جهش، آلل‏های کودک باید مطابقت کاملی با آلل‏های پدری و مادری داشته باشد(28-29-30).

شکل 1-4 آلل‏های فرزندان مجموعه‏ای از آلل‏های والدین آنها می‏باشد(26).علاوه بر این بسیاری از افراد برای شناسایی اقوام خود از مارکرهایSTR استفاده می‏کنند. برای مثال با آنالیز STR های کروموزومY می توان نسبت فامیلی میان مردان یک خانواده را مشخص کرد. زیرا همان‌طور که می‏دانید کروموزومY توارث پدری دارد و از پدر به تمام پسران به ارث می‌رسد. پس طبیعی است که تمام پسران خانواده در همه‏ی نسل‌هاSTR های یکسانی روی کروموزوم Y خود داشته باشند. آزمایشی که بدین منظور انجام می‏گیرد آزمایش Y-filer نامیده می‏شود. به کمک این آزمایش می‏توان روابط میان برادرها، عمو و برادرزاده و... را مشخص نمود(27-31).
1-8-2 شناسایی هویت قربانیان حوادثفجایع بزرگ، طبیعی یا بدست بشر، می‌تواند جان افراد بسیاری را بگیرد، تست‏‏‏هایی که برای شناسایی قربانیان حادثه انجام می‏شود، تست تعیین هویت قربانیان حادثه نامیده می‏شود. از این تست در مواردی مانند سقوط هواپیما ،آتش سوزی‏های بزرگ و حوادث تروریستی استفاده می‏شود. در این قبیل حوادث با استفاده از اسامی افراد، خانواده‏های آنها شناسایی می‏شوند و پس از مراجعه‏ی خانواده‌ها، از اعضای خانواده شامل پدر، مادر، فرزند، خواهر و برادر نمونه‏ی DNA گرفته می‏شود و نواحی STR آنها بررسی می‏شود. پس از این مرحله با استفاده از DNAبه دست آمده از بقایای اجساد پروفایل ژنتیکی آنها تهیه می‏شود و در نهایت با مقایسه‏ی پروفایل‏های تهیه شده هویت قربانیان شناسایی می‏شود(32).
1-8-3 تعیین هویت در موارد جناییتعیین هویت در موارد جنایی شامل دو بخش می‏باشد:
شناسایی افراد مجهول الهویه
ردیابی مجرمین(25).
1-8-3-1 شناسایی افراد مجهول الهویههر ساله میلیون‏ها نفر در سراسر جهان تحت شرایط مشکوکی مفقود می‏شوند. بسیاری از این افراد قربانی فعالیت‏های مجرمانه از قبیل تجاوز و قتل می‏شوند و هویت آنها ناشناس باقی می‏ماند. در این موارد هم می‏توان از مارکرهای ژنتیکی موجود در DNA افراد برای تعیین هویت آنها استفاده کرد(33).
سه دسته نمونه در مورد افراد قربانی وجود دارد:
1-نمونه مستقیم از فرد قربانی
2-نمونه خانواده قربانی
3-نمونه‌های ناشناس باقی مانده از انسان در صحنه‏ی جرم
این نمونه‏ی باقی مانده می‏تواند استخوان، دندان، بافت، تار مو، لکه ی خون و یا هر چیز دیگری باشد(34).
1-8-3-2 ردیابی مجرمینعلاوه بر این می‏توان از آنالیز DNA برای ردیابی و شناسایی مجرمین استفاده کرد. این که فردی مرتکب جرم و جنایتی بشود و نمونه‌ای از DNA خود را به جا نگذارد، تقریبا غیرممکن است. مو، لکه‌های خون و حتی اثر انگشت، مقادیر بسیار جزئی از DNA را دارند که برای مطالعه با PCR کافی هستند. این بررسی‌ها لازم نیست که بلافاصله انجام شوند، زیرا در سال‌های اخیر، با آزمایش DNA روی مواد بایگانی شده، تعدادی از جنایات گذشته ـ با عنوان پرونده‌های مختومه ـ نیز روشن شده است(35).
باید به خاطر داشته باشیم که یک پروفایل DNA به تنهایی فاقد اعتبار است و کاربردی ندارد. همیشه برای بررسی یک پروفایل DNA نیاز است که یک مقایسه‏ای انجام شود:
1-نمونه ی مورد بررسی که با Q مشخص می شود
2-نمونه شناخته شده که با K نمایش داده می شود
در موارد جنایی، نمونه ی صحنه ی جرم (Q) با نمونه ی فرد مظنون (K) و یا مظانین (K1,K2,K3,K...) مقایسه می شود . در یک مورد بدون مظنون، نمونه ی صحنه ی جرم با نمونه هایی که در اطلاعات کامپیوتری از افراد سابقه دار وجود دارد، بررسی می شود . (K1,K….,KN)(34).

شکل 1-5 شناسائی مجرمین به کمک مارکرهای STR(26).1-8-4 ردیابی تاریخ بشر و مطالعات جمعیتیباستان شناسان با بررسی و مقایسه توالی DNA انسان‌های امروزی با افراد مرده، به کشف منشأ تکاملی انسان امروزی و مسیرهای استقرار انسان در کره زمین می‌پردازند. این زمینه تحقیقاتی آرکئوژنتیک نامیده می‌شود(35).
ردیابی مهاجرت انسانی در طول تاریخ با استفاده از آنالیز DNA روش نوینی است. هدف از این کار تخمین ارتباط میان جمعیت ها بر اساس شباهت‏ها و تفاوت‏هایDNA آنها است. به همین منظور پروژه‏ی عظیمی در سال2005 به منظور ردیابی تاریخ بشر انجام شد که در آن از ده ها هزار نفر از افراد در سراسر جهان آزمایش به عمل آمد. اساس کار بر این مطلب است که اگر تکامل ژنوم‏ها به دلیل انباشتگی جهش ها رخ داده باشد، بنابراین میزان اختلاف در توالی نوکلئوتید های دو ژنوم می تواند زمان حضور جد مشترک آنها را مشخص نماید. انتظار می رود دو ژنومی که اخیرا از یکدیگر جدا شده اند در مقایسه با دو ژنومی که جد مشترک آنها قدیمی‏تر است، اختلاف کمتری داشته باشند(36).
در مطالعه روی یافتن مبدا انسان‏های امروزی و الگوی جغرافیایی مهاجرت‏های بشر از مطالعه‏ی ژن‏ها در جمعیت‏ها می‏توان استفاده کرد. بدین منظور ژن‏های انتخابی جهت بررسی باید دارای گوناگونی باشند. در صورت فقدان گوناگونی ژن‏ها، اطلاعات فیلوژنتیکی بدست نمی‏آید، زیرا همه‏ی افراد حتی اگر به جمعیت‏های مجزایی تقسیم شده باشند که تنها به صورت متناوب با یکدیگر آمیزش داشته‏اند، همچنان دارای همانندی‏های بسیاری خواهند بود. بدین معنی که توالی DNA مورد استفاده در آنالیز فیلوژنتیکی باید از متنوع ترین توالی‏های متغیر باشد(36).
در انسان از سه نوع توالی استفاده می‏شود :
ژن های چند آللی مانند اعضای خانواده‏ی HLA، که اشکال بسیار متفاوتی دارند .
ریز ماهواره‏ها که STR ها نیز جز این گروه به حساب می‏آیند .
DNA میتوکندریایی که به دلیل فقدان سیستم‏های ترمیمی موجود در هسته‌های سلول انسان که نسبتا به سرعت دچار انباشتگی نوکلئوتیدی می‏شوند. انواع مختلف DNA میتوکندریایی موجود در یک گونه را هاپلوگروه می‏نامند(36).
باید توجه نمود که آلل‌ها و هاپلوگروه‌های مختلف به طور هم‌زمان در جمعیت‌ها وجود دارند. به این ترتیب این لوکوس‏ها چند شکلی بوده و به کمک مقایسه ترکیب آلل‌ها و یا هاپلوگروه‌های آنها می‌توان اطلاعات مربوط به وابستگی بین افراد مختلف را بدست آورد. به دلیل جهش‌های ایجاد شده در سلول‏های تولید مثلی هر یک از موجودات، آلل‏ها و هاپلوگروه‏های جدیدی در جمعیت ظاهر می‏شوند. هر یک از آلل‏ها، فراوانی آللی خود را دارند که در طول زمان به دلیل انتخاب طبیعی و تغییر ژنتیکی اتفاقی تغییر می‌کند. انتخاب طبیعی به دلیل تغییر در تناسب (توانائی یک موجود جهت بقا و تولید نسل) رخ می‌دهد و بنابر نظریه‌ی داروین منجر به حفظ انواع مناسب و از بین رفتن انواع زیان آور می‏گردد. به این ترتیب انتخاب طبیعی، فراوانی آلل‏های کاهنده‏ی تناسب را کم کرده و فراوانی آلل‏های افزاینده‌‌ی تناسب را افزایش می‏دهد. در حقیقت در یک جمعیت آلل‏های اندکی ایجاد می‏شوند که تاثیر قابل توجهی بر تناسب موجود داشته باشند، اما هم‌چنان فراوانی آنها به دلیل تغییر ژنتیکی اتفاقی که جز جدا نشدنی طبیعت تولد،تولید مثل و مرگ است در حال تغییر می‏باشد. به دلیل انتخاب طبیعی یا تغییر ژنتیکی اتفاقی ممکن است یک آلل در جمعیت غالب شده و فراوانی آن به صد در صد نیز برسد، به طوریکه این آلل در جمعیت تثبیت شود. اگر یک گونه به دو جمعیت تقسیم شود به طوریکه آمیزش‌های فراوانی بین دو جمعیت رخ ندهد، فراوانی آلل در دو جمعیت به طور مختلف تغییر می‌کند. بنابراین پس از چند ده نسل این دو جمعیت ویژگی‏های ژنتیکی مجزایی را کسب می‏کنند. سرانجام جایگزینی ژنی متفاوتی در این دو جمعیت اتفاق می‏افتد ولی حتی قبل از آن نیز می‏توان از روی اختلاف فراوانی آللی در دو جمعیت، آن دو را از هم باز شناخت(36).
محققان طی سال‏ها تحقیقات در سراسر جهان با استفاده از اصول تئوری اطلاعات، پارامترهای عمومی برای هر جمعیت را به منظور تعیین مقدار اطلاعاتی که مارکرهای STR در جمعیت‏ها به ما می‏دهند، تعریف کردند. در یک نمونه‏گیری از مارکرهای افراد از سراسر جهان، مارکرهایی که بیشترین چندشکلی را در میان جمعیت‏های مختلف داشتند و منحصر به جمعیت‏های خاص بودند، انتخاب شدند .امروزه از این مارکرها برای بررسی تنوع و تفاوت میان جمعیت‏ها استفاده می‏شود(37).
1-9 سایر کاربردهای مارکرهای STRمارکرهای مختلف STR تحت عنوان کیت های تجاری مختلف در کنار تست‏های تعیین هویت کاربردهای گسترده‏ی دیگری دارند که از مهم ترین آنها می‏توان به موارد زیر اشاره کرد:
جمع آوری سلول های جنینی از خون مادر؛
بیماری های نقشه‏ی ژنومی؛
مشخص نمودن خطوط سلولی؛
تعیین هویت افراد استفاده کننده‏ی سرنگ مشترک؛
تشخیص کلون‏های موفق؛
بررسی و نظارت بر روی پیوند عضو؛
تشخیص کایمرهای ژنتیکی؛
تشخیص تومورهای سرطانی(26).
1-9-1 جمع آوری سلول های جنینی از خون مادرهنگامی که یک خانم باردار است تعدادی از سلول‌های جنینی می‏توانند از راه جفت وارد جریان خون مادر شوند. جمع‌آوری این سلول ها که تحت عنوان micro chimerism خوانده می‏شود و بررسی آنها با مارکرهای STR یک روش غیر تهاجمی برای تعیین رابطه‌ی پدر فرزندی است. همچنین با استفاده از این روش می‏توان جنسیت جنین را نیز تعیین نمود(26).
1-9-2 نقشه‏ی ژنوم بیماری‏ها
اسکن ژنوم انسان برای شناسایی نقشه ژنوم بیماری‏ها به طور معمول با استفاده از حدود چهارصد نشان‌گر STR در سراسر ژنوم در فواصل 10 سانتی مورگان انجام می‏شود. مرکز تحقیقات بیماری‏های ارثی در طول سال ها مطالعات و آزمایشات بسیاری را روی صدها نفر با استفاده از مارکرهای STR انجام داده است. هدف از این آزمایشات یافتن ارتباط میان فراوانی آللی در جمعیت های مختلف و بیماری های ژنتیکی بود. در پژوهش‌های صورت یافته ارتباط میان برخی مارکرها و بیماری‏ها مشخص شد. پس از آن از مارکر‏های مذکور می‏توان برای شناسایی تعیین دقیق محل ناشناخته‏ی ژن بیماری استفاده کرد(26).
1-9-3 تعیین هویت افراد استفاده کننده از سرنگ مشترکیکی دیگر از کاربردهای مارکرهایSTR نشان دادن به اشتراک گذاری سرنگ در میان مصرف کنندگان مواد مخدر است. با این روش و با استفاده ازجایگاه D8 آزمایشگاه قادر به تشخیص هویت فرد و یا افرادی است که از یک سرنگ مشترک برای تزریق مواد مخدر استفاده کرده‏اند. با این روش می‏توان هویت شخصی را که منشا انتقال بیماری عفونی بوده و از سرنگ مشترک با سایر افراد استفاده می‏کرده تعیین نمود(26).
1-9-4 تشخیص کلون‏های موفقهنگامی که یک موجود کلون می‏شود ازSTR Typing برای آزمایش آن موجود استفاده می‏شود. برای مثال در کلون کردن موجوداتی مانند سگ و گربه. این روش برای آزمودن میزان موفقیت در کلون کردن به کار می‏رود. اگر یک پروفایل STR یکسان میان موجود کلون شده و سلول‎های مادری اولیه مشاهده نشود، در این صورت کلون کردن موفقیت آمیز نبوده(26).
1-9-5 بررسی و نظارت روی پیوند عضواز کاربردهای دیگر مارکرهای STR، نظارت پیوند سلول‏های پیوند شده بعد از پیوند مغز استخوان است، آزمایش STR از فردی که پیوند گرفته می‏تواند در تشخیص نارسایی پیوند مفید واقع شود(26).
1-9-6 تشخیص کایمرهای ژنتیکیChimerism حضور دو خط سلولی ژنتیکی متفاوت در یک ارگانیسم است که می‏تواند از طریق پیوند سلول‏های بنیادی خونی و یا انتقال خون و یا به طور ارثی در شخص اتفاق بیفتد. در سال 2004 آزمایشی روی افراد دهنده و گیرنده‏ی پیوند انجام شد که توانایی بالای 27 نشان‌گر STR به کار گرفته شده، ازجمله نشان‌گرهای CODIS در تشخیص کایمرها شگفت انگیز بود(26).
1-9-7 مشخص نمودن خطوط سلولیدر آزمایشگاه خطوط سلولی می‏توانند با سایر خطوط سلولی آلوده شوند. در نتیجه ممکن است با هم مخلوط و یا به یکدیگر تبدیل شوند احراز هویت خط سلولی انسان در حال حاضر به وسیله ی سازمانی در آمریکا انجام شده است. به کمک مارکرهای STR می‏توان آلودگی متقاطع بین خطوط سلولی مختلف را به سرعت کشف کرد و همچنین می‏توان برای مشخص کردن خطوط سلولی انسان به عنوان یک مرجع جهانی سود جست. در طول چند سال گذشته بیش از 500 خط سلولی از انسان به کمک این روش و با استفاده از 8 جایگاه STR بدست آمده است(26).
1-9-8 تشخیص تومورهای سرطانیفقدان هتروزیگوسیتی (LOH) پدیده‏ای است که در آن حذف در یک ناحیه‏ی لوکوس منجر به عدم تکثیر در PCR می‏شود، به طوری که یک هتروزیگوت واقعی به عنوان یک هموزیگوت به نظر می رسد. این پدیده در بسیاری از افراد مبتلا به تومورهای سرطانی دیده می‏شود. بررسی روی بافت های سرطانی با بافت نرمال با استفاده از STR نشان می‏دهد که جایگاه های مختلف در بافت سالم ارتفاع بلندتری نسبت به بافت های سرطانی نشان می دهند؛چرا که LOH سبب حذف در آن ناحیه شده است(26).
1-10 روش‏های کلی شناسایی هویت افراد در سطح مولکولیدو روش کلی برای شناسایی هویت افراد در سطح مولکولی عبارتند از:
اثر انگشت ژنتیکی از طریق هیبرید کردن با DNA جستجوگر
تعیین الگوی DNA با PCR توالی‌های کوتاه تکراری(38).
1-10-1 روش انگشت‌نگاری ژنتیکی از طریق هیبرید کردن با DNA جستجوگراولین روشی که در آنالیز DNA با هدف شناسایی افراد به کار رفت، روشی بود که در اواسط دهه 1980 توسط سر آلک جفری از دانشگاه لیستر ارائه شد . این روش براساس نوع دیگری از تنوع ژنوم انسان، موسوم به توالی تکراری بسیار متغیر پراکنده بود. همانگونه که از نام این توالی‌ها بر می‌آید، این توالی‌ها عبارتند از یک توالی تکراری که در جایگاه مختلفی‌(به‌طور پراکنده) از ژنوم انسان وجود دارد. نکته کلیدی این توالی‌ها این است که جایگاه ژنتیکی آنها متنوع است و در افراد مختلف در جایگاه‌های مختلفی از ژنوم قرار دارند(38).
توالی که در ابتدا برای انگشت‌نگاری ژنتیکی بکار رفت، توالی GGGCAGGANG (N: هریک از چهار نوکلئوتید) بود. برای تهیه اثر انگشت یک نمونه، DNA آن را با آنزیم محدودگر برش می‌دهند و قطعات حاصل را با استفاده از الکتروفورز ژل آگارز از هم تفکیک کرده و با آزمون ساترن بلات مورد بررسی قرار می‌دهند. هیبریداسیون با جستجوگری که دارای این توالی بود چند سری از نوارها را مشخص کرد. هریک از این نوارها مربوط به قطعه‌ای از DNA هضم شده بود که دارای این توالی تکراری بود. به دلیل تنوع جایگاه‌های این توالی اگر این آزمون با نمونه DNA فرد دیگری تکرار شود، نتیجه متفاوتی به دست می‌آید و می‌توان نتایج حاصل را انگشت‌نگاری ژنتیک این افراد محسوب نمود . در شکل 1-6 مراحل انگشت نگاری ژنتیکی نشان داده شده است(38).

شکل 1-6 مراحل انگشت نگاری ژنتیکی(38)
1-10-1-1 محدودیت‏های روش انگشت نگاریاین روش در کارهای جنایی خود را بسیار ارزشمند نشان داد اما سه محدودیت داشت:
مقادیر بالایی از DNA برای انجام آزمون مورد نیاز است، زیرا این روش نیازمند آنالیز هیبریداسیون است. برای انگشت‌نگاری نمی‌توان از مقادیر اندک DNA موجود در مو و لکه‌های خون استفاده کرد.
بحث کردن در مورد الگوهای حاصل از انگشت‌نگاری مشکل است، زیرا نوارهای حاصل شدت و ضعف‌های متفاوتی دارند. از نظر قانونی، کوچک‌ترین اختلاف شدت در انگشت‌نگاری ژنتیکی یک متهم برای برائت او کافی است.
با وجود اینکه جایگاه‌های تکراری پراکنده بسیار متنوع هستند، اما اندک احتمالی نیز برای یکسان بودن یا حداقل تشابه الگوی حاصل از دو فرد وجود دارد. این موضوع می‌تواند منجر به برائت یک متهم شود(38).
1-10-2 روش پروفایلینگ
روش قدرتمند پروفایلینگ DNA چنین مشکلاتی را ندارد. در پروفایلینگ از توالی‌های معروف به توالی‌های چند شکلی STR استفاده می‌شود. در این روش، به وسیله PCR با پرایمرهایی که به توالی‌های جانبی STR می‌چسبند، به سرعت می‌توان مقادیر بسیار اندک DNA را افزایش داد. بعد از PCR، محصولات از نظر اندازه نوارها یا وجود نوارهایی که الل‌ یا آلل‌های موجود در نمونه DNAی مورد آزمون هستند، با الکتروفورز ژل آگارز بررسی می‌شوند. روش پروفایلینگ DNA، به دلیل استفاده از PCR بسیار حساس است و امکان انجام آزمون روی مو و دیگر نمونه‌هایی که مقادیر اندکی DNA دارند، فراهم می‌آورد. در نتایج حاصل نیز شکی وجود ندارد و مقایسه میان پروفایل‌های DNA معمولا به عنوان یک مدرک پذیرفته می‌شود. با استفاده از این روش امکان اینکه دو نفر، البته بجز دوقلوهای یکسان، دارای پروفایل‌ مشابهی باشند برابر یک در 1015 می‌باشد. با توجه به جمعیت کره زمین که حدود 109×6 می‌باشد، امکان تشابه آماری پروفایل مربوطه در دو نفر به قدری اندک است که می‌تواند غیرممکن تلقی گردد. نوع هر STR با PCR بوسیله پرایمرهایی که با فلورسنت نشاندار شده‌اند و به دو طرف نواحی تکرار شونده متصل می‌گردند، تعیین می‌شود. سپس الل‌های موجود در STRها با تعیین اندازه به وسیله ژل الکتروفورز موئینه‌ای مشخص می‌شوند. دو یا چند STR می‌تواند با PCR چندگانه مشخص گردد، مشروط به اینکه محصولات از لحاظ اندازه همپوشانی نداشته باشند یا هر جفت پرایمر با فلورسانت متفاوتی نشاندار شده باشند تا امکان تشخیص در ژل الکتروفورز موئینه را داشته باشند. در شکل 1-7 مراحل روش پروفایلینگ نشان داده شده است‌(38).

شکل 1-7 مراحل پروفایلینگ ‌DNA(36).1-11 تاریخچه استفاده از مارکرهایSTR


مارکرهای STRبرای اولین بار به عنوان ابزاری قوی در تست تعیین هویت انسانی در سال 1990 به‌کار گرفته شدند. دستگاه پزشکی قانونی ((FSS مطالعه برای شناسایی جایگاه‌های جدید و ارتباط جایگاه های شناخته شده با تنوع در جمعیت‏ها را آغاز کرد. پس از آن پلیس سلطنتی کانادا (RCMP) به همراه تعدادی از آزمایشگاه‌های اروپا تلاش‌های اولیه را در رابطه با جایگاه های STR آغاز کردند. اولین جایگاه‏های مورد استفاده شامل چهار جایگاه TH01،VWA ، FES/FPS و.F13A1 نسل دوم کیت‌ها ((SGM شامل جایگاه‌های TH01، VWA‌، FGA ،D8S1179 ،D18S51 و D21S11 بود. پایگاه داده‌های ملی DNA انگلستان ((NDNAD در سال 1995 جایگاه ژن آمیلوژنین (برای تعیین جنسیت) را به کیت SGM اضافه کرد. با توجه به تکنولوژی STR Typingو موفقیت‏هایی که در این زمینه در انگلستان به‌دست آمد، FBI درصدد برآمد که با استفاده از لوکوس‌های STR، بنیان CODIS را شکل دهد(41).
1-12 CODIS چیست؟سیستم شاخص اندیس‌دهی ترکیبی CODISشامل سیزده جایگاه STRاست. در شکل 1-8 محل قرارگیری این جایگاه‌ها روی کروموزوم‌های انسان نشان داده شده‌اند. نرم افزار CODIS در سال 1990 به عنوان نرم افزاری برای FBI تاسیس گردید. این نرم افزار در صورت اولیه برای آنالیز پروفایل‏های RFLP مورد استفاده قرار می‏گرفت که در بانک اطلاعاتی قابل جستجو بود. تکنولوژی DNA پزشکی قانونی و تکنولوژی کامپیوتری با یکدیگر ادغام گردیدند و باعث بهبود این نرم افزار شدند و این بهبود در جهت نیاز‌های پزشکی قانونی صورت گرفت. در سال 1997نرم افزار CODIS بر اساس مارکرهای STR طراحی شد. سیزده جایگاه STRکه امروزه تحت عنوان CODIS خوانده می‏شوند، عبارتند‌از:
D8S2179
D21S11
D7S820
CSF1PO
D3S1358
TH01
D13S317
D16S539
VWA
TPOX
D18S51
D5S818
FGA (42).

شکل 1-8 جایگاه‌های CODIS روی کروموزوم های انسان(25).1-13 کیت مورد استفاده در تعیین هویت
برای تعیین هویت از کیتAmp FI STR Identifiler PCR Amplification استفاده می‌شود، که حاوی 15 جایگاه تترانوکلئوتید STRبه همراه مارکر آمیلوژنین که برای تشخیص جنسیت به کار می‏رود می‏باشد. از این پانزده جایگاه، سیزده جایگاه، جایگاه‌های شناخته شده‏ی سیستم اندیس دهی ترکیبی‌(CODIS) هستند، اما علاوه بر آنها دو جایگاه دیگر هم در این کیت گنجانده شده است. جدول(۱-1) نشان دهنده‌ی نام جایگاه‏های موجود در CODIS، به همراه موقعیت کروموزومی هر یک از جایگاه‏ها و آلل‏های موجود در هر جایگاه است(43).
جدول 1-1 جایگاه‏های موجود در کیت ABIآلل‌های موجود در هر جایگاه موقعیت کروموزومی نام جایگاه
8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 8 D8S2179
24,24.2,25,26,27,28,28.2,29,29.2,
30,30.2,31,31.2,32,32.2,33,33.2,
34,34.2,35,35.2,36,37,38 21q11.2-q21 D21S11
6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 7q11.21-22 D7S820
6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 5q33.3-34 CSF1PO
12,13,14,15.16,17,18,19 3p D3S1358
4,5,6,7,8,9,9.3,10,11,13.3 11p15.5 TH01
8,9,10,11,12,13,14,15 13q22-31 D13S317
5,8,9,10,11,12,13,14,15 16q24-qter D16S539
15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,
26,27,28 2q35-37.1 D2S1338
9,10,11,12,12.2,13,13.2,14,14.2,15,
15.2,16,16.2,17,17.2 19q12-13.1 D19S433
11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,
22,23,24 12p12-pter VWA
6,7,8,9,10,11,12,13 2p23-2per TPOX
7,9,10,10.2,11,12,13,13.2,14,14.2,
15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25
26,27 18q21.3 D18S51
X,Y Amelogenin
7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 5q21-31 D5S818
17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,26.2
27,28,29,30,30.2,31.2,32.2,33.2,
42.2,43.2,44.2,45.2,46.2,47.2,48.2
50.2,51.2 4q28 FGA
1-14 معرفی استان‏ها1-14-1 استان کرمانشاه
کرمانشاه یکی از باستانی‌ترین شهرهای ایران است و بر اساس افسانه ها توسط طهمورث دیوبند - پادشاه افسانه‌ای پیشدادیان ساخته شده است. برخی از مورخین بنای آن را به بهرام پادشاه ساسانی نسبت می‌دهند. کرمانشاه در زمان قباد اول و انوشیروان ساسانی به اوج عظمت خود رسید. در اوایل حکومت شاه اسماعیل صفوی سلطان مراد آق قویونلو با 70 هزار نفر کرمانشاه و همدان را اشغال کرد. صفویه برای جلوگیری از تجاوز احتمالی امپراطوری عثمانی این شهر را مورد توجه قرار داد. در زمان شیخ علیخان زنگنه صدر اعظم صفوی به آبادانی و رونق کرمانشاه افزوده شد. تاورنیه، جهانگرد و بازرگان فرانسوی، درباره کرمانشاه چنین نوشته‌ است: ” هم زمان با حمله افغان و سقوط اصفهان که طومار فرمانروایی خاندان صفوی در نوردیده شد، کرمانشاه به جرم قرب جوار، با تهاجم عثمانی‌ها مواجه گردید و بار دیگر شهر رو به خرابی نهاد.“ نادر شاه به منظور آمادگی در مقابل تجاوز عثمانی‌ها، به این شهر توجهی خاص مبذول داشت. در زمان نادر شاه این شهر مورد هجوم عثمانی‌ها قرار گرفت. اما نادرشاه عثمانی‌ها را به عقب راند، ولی در اواخر زندگی نادرشاه، کرمانشاه با محاصره و تاراج عثمانی‌ها مواجه شد. کرمانشاه در عهد زندیه دستخوش آشوب فراوانی گردید. به طوری‌که درکتاب ”تحفه العالم“ عبدالصیف جزایری از کرمانشاه به عنوان خرابه نام برده شده است. در دوره قاجار تا حدی از حملات عثمانی‌ها به ناحیه کرمانشاه کاسته شد. در سال 1267ه.ق، امام قلی میرزا از طرف ناصرالدین شاه به سرحدداری کرمانشاه منصوب شد و مدت 25 سال در این شهر حکومت کرد و در همین دوره بناهایی را احداث و به یادگار گذاشت. این شهر در جنبش مشروطه سهمی به سزا داشت و در جنگ جهانی اول و دوم به تصرف قوای بیگانه درآمد و پس از پایان جنگ تخلیه شد. در نتیجه جنگ تحمیلی عراق علیه ایران، این شهر خسارات زیادی دید و پس از جنگ اقدامات مؤثری در جهت بازسازی آن صورت گرفت. در حال حاضر شهر کرمانشاه، مرکز استان کرمانشاه یکی از هفت کلانشهر کشور(تهران، مشهد، اصفهان، تبریز، شیراز، کرمانشاه و اهواز) است‌(44).
1-14-1-1 موقعیت جغرافیایی
استان کرمانشاه در موقعیت ۳۴ درجه شرقی و ۴۷ درجه شمالی شمالی قرار دارد. از شمال به کردستان، از غرب به کشور عراق، از شرق به استان لرستان و همدان و از جنوب به استان ایلام محدود می گردد. شهرستان‌های این استان عبارت‌اند از: اسلام‌آباد غرب، سنقر، پاوه، صحنه، ثلاث باباجانی، قصر شیرین، جوانرود، دالاهو، روانسر، کرمانشاه، کنگاور، گیلان غرب، سر‌پل ذهاب، هرسین. در شکل1-13 استان کرمانشاه به همراه شهرستان‌های آن دیده می‌شود(44).

شکل 1-9 موقعیت جغرافیائی استان کرمانشاه)44.(1-14-2 استان یَزدیزد سرزمینی کهن با پیشینه‌ای در خور توجه، در تاریخ پر فراز و نشیب ایران است. نام یزد برای اولین بار در آثار دوره‌ی ماد‌ها (701 تا 550 قبل از میلاد) دیده می‌شود که گواهی بر قدمت سه هزار ساله‌ی این سرزمین است. در دوره‌های هخامنشی، اشکانی و ساسانی نیز در اسناد و کتیبه‌ها بار‌ها به نام یزد برمی‌خوریم(45).
حسن پیر‌نیا، در کتاب خود،"ایران باستان"،به نقل از تاریخ هرودوت، مورخ یونانی(484 تا 420 قبل از میلاد)، بر مبنای کتیبه‌های داریوش، یزد را بنا بر رسم یونانیان، به نام ایساتیس می‌خواند. وی می‌افزاید: یزد در عصر اشکانی در قلمرو حکومت مهرداد اول بود و در این شهر به نام او سکه ضرب می‌کردند. در دوره‌ی پادشاهی اردشیر بابکان، (241-224‌م) بنیان‌گذار سلسله‌ی ساسانی، یزد زیر نفوذ او بود. پس از ظهور اسلام و فروپاشی دولت ساسانی، در زمان خلافت عمر، و به روایت برخی، در دوران عثمان (دهه ی سوم هجری)، شهر یزد و نواحی آن فتح شد. از آن زمان تا پایان حکومت امویان، فرمانروایان عرب بر این ولایت حکم‌رانی می‌کردند. چنان‌که آمده است، در دوران خلافت حضرت علی(ع)، مسلم ابن زیاد، والی فارس، مالیات یزد را هم می‌گرفت. چنین بود تا هنگامی‌که به‌دست خود ایرانیان، حکومت های مستقل و نیمه مستقلی تشکیل شد و فرمانروایان ایرانی بر ولایت یزد حاکم شدند(45).
مرکز این استان، شهر یزد است. یزد منطقه‌ای خشک و بیابانی است. گروه بزرگی از زرتشتیان ایران در استان یزد و بویژه شهر یزد زندگی می‌کنند. زبان مردم استان یزد فارسی با لهجه یزدی است. آبادی نشینی در این منطقه از قدمت طولانی برخوردار است. این سرزمین از گذرگاه‌های مهم در ادوار تاریخی محسوب می‌شده‌ است. این ناحیه در دوره هخامنشیان از راه‌های معتبر موسسه‌های راهداری، مراکز پستی و چاپاری برخوردار بوده‌است. راهداری در یزد قدیم چنان اهمیتی داشت که خاندان آل مظفر از منصب راهداری ناحیه میبد به پادشاهی رسیدند. با این‌همه این استان از درگیری‌ها و جنگ‌های تاریخ کشور ایران تا حدودی ایمنی داشته‌است. سخت‌گذر بودن راه‌ها به همراه محدودیت منابع آبی مانع عمده تسخیر این منطقه توسط بعضی از حکومت های بزرگ و کوچک حاشیه و پیرامون این منطقه در طول تاریخ بوده‌است. همان طور که در شکل 1-14 دیده می شود استان یزد دارای شهرستان های ابرکوه، اردکان، بافق، بهاباد، تفت، خاتم، صدوق، طبس، مهریز، میبد و یزد می باشد که شهرستان های مهریز و تفت از آب و هوای خوبی برخوردار می باشد (45).
1-14-2-1 موقعیت جغرافیایی
استان یزد در مرکز ایران در قلمرو سلسله جبال مرکزی ایران بین عرض های جغرافیایی 29 درجه و 48 دقیقه تا 33 درجه و 30 دقیقه شمالی و طول جغرافیایی 52 درجه و 45 دقیقه تا 56 درجه و 30 دقیقه شرقی از نصف النهار مبدا قرار گرفته است. استان یزد از سرزمین‌های تاریخی است که در میان ایالت های قدیمی و بزرگ پارس، اصفهان، کرمان و خراسان قرار داشته‌است(45).

شکل 1-10 موقعیت جغرافیائی استان یزد(45).1-15 هدف از تحقیق:آنچه که باعث استفاده از مارکرهای STR در جمعیت شناسی شده است، این واقعیت است که درجه فراوانی آللی هر مارکر STR در هر جمعیت منحصر به فرد است. در حقیقت طبق مطالعات انجام شده فراوانی آلل‏های STR در نژاد‏های مختلف و حتی در مناطق جغرافیایی خاص، تفاوت‏هایی را نشان داده است. بنابراین بررسی هر یک از لوکوس های STR در هر نژاد یا جمعیت خاص برای تفسیر صحت نتایج حاصل از انجام آزمایش های تعین الگوی ژنتیکی به کمکSTR و انجام محاسبات آماری مربوطه امری ضروری است. برای بهره گیری از فواید این فناوری نوپا در زمینه‏ی تشخیص افراد، ضروری است تا فراوانی آللی لوکوس‏هایSTR مختلف در جمعیت بومی کشور مورد بررسی قرار گیرند (45).
مطالعات گذشته روی جمعیت های ایرانی، حضور تعدادی از آلل‏ها را با پلی مورفیسم بالا نشان می‏دهد‌(37-46.)
هدف از این مطالعه به دست آوردن پارامترهای جمعیتی بر اساس فراوانی آللی به دست آمده از شانزده جایگاه STR، در جمعیت‏های کرمانشاه و یزد به منظور بررسی تفاوت ژنتیکی میان این دو جمعیت و سایر جمعیت‏ها می‏باشد.

فصل دوم
2-1 نمونه‌گیریبرای نمونه‌گیری از اقوام کرد و یزد از نمونه هایی که به آزمایشگاه ژنتیک پزشکی تهران رجوع می‌کردند، استفاده شد. پس ازکسب رضایت نامه 4 میلی لیتر خون محیطی از افراد غیر خویشاوند بر اساس محل تولد و اطلاعات مربوط به سه نسل گذشته (پدری و مادری) تهیه شد و در لوله‌های حاوی ماده ضد انعقاد (EDTA) ریخته شد برای تکمیل نمونه‌های یزدی از همکاری آزمایشگاهی در یزد استفاده گردید و برای نمونه‌های کرد به استان کرمانشاه رفته و از آزمایشگاه بیمارستان طالقانی نمونه‌گیری به عمل آمد.
2-2 استخراج DNA به روش نمک اشباعاستخراج DNA با استفاده از روش استاندارد نمک اشباع طبق مراحل زیر انجام شد:
۱- ۳ میلی لیتر از نمونه‌ی خون محیطی حاوی ماده‌ی ضد انعقاد EDTA، داخل فالکون ۱۵ میلی لیتری ریخته شد و با استفاده از آب مقطر سرد به حجم ۱۰ میلی لیتر رسانده شد. سپس فالکون به شدت حرکت داده شد این کار جهت لیز بهتر گلبول‌های قرمز از طریق فرآیند تورژسانس می‌باشد. سپس نمونه را در دستگاه EBA 20 Hettich zentrifugen به مدت ۱۰ دقیقه با دور ۵۰۰۰ سانتریفیوژ شد و محلول رویی خارج گردید و رسوب انتهایی فالکون نگه داشته شد.
۲- با افزودن آب مقطر سرد به رسوب، حجم آن به ۱۰ میلی لیتر رسانده شد و مجدداً با همان شرایط ذکر شده آن را سانتریفیوژ گردید و رسوب حاصل که حاوی گلبول‌های سفید است نگه داشته شد.
۳- پس از افزودن ml10 محلول I استخراج DNA به رسوب، حجم آن به ۱۰ میلی لیتر رسانده شد. سپس در شرایط ذکر شده آن را سانتریفوژ کرده و محلول رویی آن دور ریخته شد.
جدول2-1 محلولI استخراج DNA (محلول لیز کننده گلبول‌های قرمز)غلظت مواد
10 mM Tris-Hcl: pH:7.5
0.32 mM Sacarose
5 mM MgCl2
%1 Triton X-100
4-5/۱ میلی لیتر از محلول II استخراج DNA(از قبل تهیه شده به شرح زیر)، lμ ۲۵ سدیم دو دسیل سولفات ‌ SDS و lμ ۲۰ پروتئیناز K به رسوب سفید رنگ انتهای فالکون افزوده شد.
جدول 2-2 محلول II استخراج DNA (محلول لیز کننده گلبول‌های سفید)غلظت مواد
10 mM Tris-HCl: pH:8.2
2mM EDTA: pH:8
0.45mM NaCl
۵- نمونه‌ها به مدت ۳۰ تا ۴۵ دقیقه در دمایc° ۵۶ و یا به مدت یک شب در دمایc° ۳۷ در انکوباتور قرار داده شد تا رسوب حل شود.
۶- پس از افزودن lμ ۵۰۰ نمک اشباع به نمونه، به آرامی تکان داده شد و به مدت ۱۰ دقیقه در ۴۰۰۰ دور سانتریفیوژ شد. سپس محلول رویی به یک فالکون حاوی ۲ میلی لیتر اتانول خالص (۱۰۰ درصد) انتقال یافت و به آرامی حرکت داده شد تا کلاف DNA شکل بگیرد.
۷- کلاف DNA توسط سمپلر به درون یک ویال حاوی ۱ میلی لیتر الکل ۷۰ درصد انتقال یافت تا الکل 100 خارج شود. در مرحله‌ی بعدی ویال را به مدت ۳ دقیقه در ۱۳۰۰۰ دور در دستگاه 20 Hettich zentrifugen Mikro سانتریفیوژ گشت.
۸- محلول رویی دور ریخته شد و ویال حاوی DNA به مدت ۵ دقیقه در انکوباتور قرار داده شد تا اتانول کاملاً تبخیر گردد.
۹- بر حسب میزان DNA بین ۵۰ تا ۳۰۰ ماکرولیتر TE به آن افزوده و به مدت یک شب در انکوباتور C°۳۷ قرار داده شد تا DNA به طور کامل حل شود.
جدول 2-3 ترکیبات TEغلظت محتویات
10mM Tris-Hcl, PH:7.6
1mM EDTA, PH:8
2-3 آماده‌سازی نمونه‌ها جهت انجام تست DNA Typingدر هر واکنش Multiplex PCR بهتر است از lμ ۵ نمونه‌ی DNA انسانی با غلظت ng ۱۰۰-50 استفاده شود. اگر‌چه حساسیت آنالیزی این روش در حد ng۵۰-20 از DNA می‌باشد. روش استخراج و نگهداری DNA می‌تواند روی نتایج PCR تأثیر گذار باشد. این روش نیاز به کیت خاصی برای استخراج DNA ندارد با این وجود توجه به این مسئله که در نمونه‌ها غلظت بالایی از آلودگی با نمک وجود نداشته باشد حائز اهمیت است. در این روش نباید از خون هپارینه استفاده شود زیرا هپارین می‌تواند ممانعت کننده‌ی مرحله‌ی PCR باشد. نمونه‌ی DNA را باید در TE حل کرد. pH نمونه‌ی DNA باید بین ۸ تا ۵/۸ باشد تا از دپوریناسیون در طی مرحله‌ی حرارت دادن اولیه جلوگیری شود. بهتر است در صورتی‌که قصد نگهداری طولانی مدت نمونه‌های DNA را داشته، نمونه را در دمای C°۲۰- نگهداری کرد. اگرچه DNA پس از حل شدن در TE به شدت پایدار است اما نگهداری طولانی مدت آن در دمای C °۴ ممکن است منجر به آلودگی آن با میکروارگانیسم‌ها شود .
۲-3-1 رسوب گذاری با اتانولبا توجه به این مسئله که نتایج مربوط به روش STR در نهایت با یکدیگر مقایسه می‌شوند، بهتر است نمونه‌های انتخاب شده از یک نوع بافت گرفته شوند و با روش یکسانی استخراج شوند. در مواردی که از نمونه‌های DNA قدیمی یا نمونه‌هایی با کیفیت نامناسب استفاده می‌شود و یا مواقعی که غلظت DNA مورد استفاده کمتر از ng/µl۴ است، روش‌های خالص سازی DNA مانند روش رسوب گذاری با اتانول، می‌تواند سبب بهبود کیفیت نمونه‌ها و ایجاد نتایج بهتر و مطمئن‌تری شود. استفاده از روش رسوب گذاری با اتانول آلودگی‌های ناشی از یون‌ها، نمک‌ها، اتانول و... را کاهش می‌دهد. غلظت نمک (NaCl)، نباید بیشتر از mM ۶۰ باشد تا دناتوراسیون به طور کامل انجام شود. هم‌چنین غلظت EDTA نباید بیش از mM۱ باشد زیرا EDTA به منیزیوم متصل شده و مانع انجام مرحله‌ی PCR می‌گردد. ناخالصی‌های یونی مانند آهن، اتانول و فنل نیز باعث کاهش فعالیت پلی‌مراز می‌گردند.
رسوب‌گذاری با اتانول به شیوه زیر بر روی نمونه‌ها انجام گرفت.
به میزان ۱/۰ حجم اولیه‌ی نمونه‌ی DNA استات سدیم M ۳ با 5/4:pH به نمونه‌ها اضافه شد.

—d1965

در سازه‌های ترکیبی سرریز- دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان و تغییر در توزیع تنش‌های برشی کف می‌شود. از این‌رو شبیه‌سازی عددی الگوی جریان عبوری از این سازه‌ها بسیار پیچیده است. هدف اصلی از این تحقیق، شبیه‌سازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با استفاده از نرمافزار Flow3D است. نرمافزارFlow3D یک نرمافزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که برای حل مسائل با هندسه پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مدل برای شبیه سازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. در این تحقیق مدلسازی در حالت کف صلب و کف متحرک انجام شد و برای واسنجی و صحتسنجی این نرمافزار به منظور تخمین پارامترهای جریان در سازههای ترکیبی، از نتایج آزمایشگاهی صورت گرفته در این تحقیق استفاده شد. به منظور شبیهسازی پروفیل سطح آب از روش VOF استفاده شد. همچنین برای شبیهسازی آبشستگی جریان از مدلهای مختلف آشفتگی مانند RNG k-ɛ، k-ɛ و LES بهره گرفته شد. پس از اطمینان از دقت مدل و با انتگرالگیریهای پروفیلهای سرعت روی سرریز و زیر دریچه، میزان دبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه تعیین شد. سپس با انجام آنالیز ابعادی، نسبت دبی عبوی از روی سرریز به زیر دریچه، تابعی از عدد فرود (Fr)، نسبت عمق بالادست سازه به بازشدگی زیر دریچه (H1W) و هد آب روی سرریز به طول سازه (HdT) گردید. مقایسه نتایج مدلسازی در حالت کف متحرک با نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که مدل از قابلیت بالایی جهت شبیهسازی الگو و میزان آبشستگی برخوردار است.
کلمات کلیدی: جریان ترکیبی، سرریز- دریچه، آبشستگی، مدل‌سازی عددی، Flow3D.

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
TOC h z t "t1,1,t2,1,t3,1" 1-1 مقدمه2
HYPERLINK l "_Toc365922955" 1-2 تعاریف3
HYPERLINK l "_Toc365922956" 1-2-1 سرریزها3
HYPERLINK l "_Toc365922957" 1-2-2 دریچهها3
HYPERLINK l "_Toc365922958" 1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه4
HYPERLINK l "_Toc365922959" 1-2-4 آبشستگی6
HYPERLINK l "_Toc365922960" 1-3 ضرورت انجام تحقیق9
HYPERLINK l "_Toc365922961" 1-4 اهداف تحقیق9
HYPERLINK l "_Toc365922962" 1- 5 ساختار کلی پایاننامه10
فصل دوم: بررسی منابع
2-1 مقدمه12
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان12
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D16
فصل سوم: مواد و روشها
3-1 مقدمه22
3-2 نحوه انجام آزمایشات22
3-2-1 مخزن23
3-2-2 پمپ23
3-2-3 کانال آزمایشگاهی23
3-2-4 مخزن آرام کننده جریان24
فهرست مطالب
عنوان صفحه
3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه24
3-3 آنالیز ابعادی25
3-4 شبیهسازی عددی27
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D28
3-4-2 معادلات حاکم32
3-4-3 مدلهای آشفتگی33
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای35
3 -4-3-2 مدلهای یک معادلهای35
3-4-3-3 مدلهای دو معادلهای36
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش36
3-4-4 شبیهسازی عددی مدل37
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل38
3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان38
3-4-4-3 شرایط مرزی کانال40
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل41
3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان43
3-4-4-6 زمان اجرای مدل43
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1 مقدمه46
4-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب46
4-2-1 واسنجی نرمافزار46
4-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ48
4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان54
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان59
4-3-1 واسنجی نرمافزار59
4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار61
فصل پنجم: پیشنهادها
5-1 مقدمه70
5-2 نتیجهگیری70
5-3 پیشنهادها71
منابع74

فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان25
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D28
ادامه جدول 3-229
جدول 3- 3 محدوده دادههای به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی38
جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار40
جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار41
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب42
جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1)51
جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها55
جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی60
جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی60
جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی61
جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی61
جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی61
جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4)65
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
TOC h z t "fig,1,table,1" شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه5
HYPERLINK l "_Toc366000088" شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی8
HYPERLINK l "_Toc366000089" شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی12
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی12
شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)14
شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987)14
شکل 2- 5 فرآیند پر و خالی شدن حفره آبشستگی درحین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) 15
شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک23
شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک24
شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان25
شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب26
شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی30
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه30
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه30
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض31
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه31
شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک39
شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ40
شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب40
شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب41
شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان43
شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی43
شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی46
شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-ε RNG و k-ε و دادههای آزمایشگاهی47
شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با دادههای آزمایشگاهی49
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه49
شکل 4- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs / Qg)51
شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی52
شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبیها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربی برای تخمین دبی در سرریز و ریچه52
شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53
شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53
شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54
شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54
شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی54
شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی55
شکل 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه رکیبی56
شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه ترکیبی56
شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیهسازی حفره آبشستگی با استفاده از مدلهای مختلف آشفتگی59
شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی62
شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی62
شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک63
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب64
شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی65
شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی66
شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان)66
شکل 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه67
شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب و بستر صلب67
شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی68

18849116456969
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
یکی از عمده‌ترین مشکلات سازه‌هایی از قبیل سرریزها، دریچه‌ها و حوضچه‌های آرامش که در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است که علاوه‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممکن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع، اکثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی کردهاند که با وجود تمام دستآوردهای مهمی که تاکنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچه‌ها، سرریزها، شیب‌شکن‌ها، کالورت‌ها و مجاورت پایه‌های پل دیده می‌شود که می‌تواند پایداری این سازهها را با خطرات جدی مواجه کند.
پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حرکت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است که عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پایین‌دست سازه تأثیرگذار هستند که از جمله آنها می‌توان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و ... اشاره کرد (کوتی و ین (1976)، بالاچاندار و همکاران (2000)، کلز و همکاران (2001)، لیم و یو (2002)، فروک و همکاران (2006)، دی و سارکار (2006) و ساراتی و همکاران (2008)).
دریچهها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانالهای باز مورد استفاده قرار میگیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوری از رو یا زیر سازهها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پاییندست سازهها وجود دارد که ممکن است پایداری سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.
به منظور افزایش بهره‌وری از سازههای پرکاربرد سرریزها و دریچهها، می‌توان آنها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.
1-2 تعاریف1-2-1 سرریزها
یکی از سازههای مهم هر سد را سرریزها تشکیل میدهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازهگیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام میدهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهرهبرداری آمادگی داشته باشد.
معمولاً سرریزها را بر حسب مهمترین مشخصه آنها تقسیمبندی میکنند. این مشخصه میتواند در رابطه با سازه کنترل و کانال تخلیه باشد. بر حسب اینکه سرریز مجهز به دریچه و یا فاقد آن باشد به ترتیب با نام سرریزهای کنترلدار و یا سرریزهای بدون کنترل شناخته میشوند.
1-2-2 دریچهها
دریچهها سازههایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دریچهها به منظور قطع و وصل و یا کنترل جریان در مجاری عبور آب استفاده میشود و از لحاظ ساختمان به گونهای میباشند که در حالت بازشدگی کامل عضو مسدود کننده کاملاً از مسیر جریان خارج میگردد.
دریچهها در سدهای انحرافی و شبکههای آبیاری و زهکشی کاربرد فراوان دارند. همچنین برای تخلیه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار میروند (نواک و همکاران، 2004).
دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند:
بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار میگیرند.
بر اساس کاری که انجام میدهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده میشود.
بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد.
بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترلکننده سطح آب
بر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار میکند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل مینماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند.
بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند.
بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایههای پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود.
1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچهترکیب سرریز - دریچه یکی از انواع سازههای هیدرولیکی میباشد که در سالهای اخیر عمدتاً برای عبور سیال در مواردی که سیال حاوی سرباره و رسوب به صورت همزمان میباشد (مانند کانال عبور فاضلاب) بکار رفته است. سازه ترکیبی سرریز - دریچه با تقسیم دبی عبوری از بالا و پایین خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگیری میکند. از دیگر کاربردهای عملی این ترکیب، میتوان انواع سدهای تأخیری را نام برد. در سدهای تأخیری برای جلوگیری از انباشت رسوب در پشت سد که منجر به کاهش حجم مفید مخزن میگردد اقدام به تعبیه تخلیهکنندههای تحتانی میگردد. از طرف دیگر این نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحی و عبور سیلابهای محتمل به صورت روگذر نیز عمل میکنند که از این دو جهت، مدل ترکیبی سرریز - دریچه ایده مناسبی برای تحلیل این نوع سدها میباشد. اگرچه این نوع سازه دارای کاربرد فراوانی در سازههای هیدرولیکی میباشد.
جهت به حداقل رساندن مشکلات در سرریزها و دریچه‌ها و همچنین جهت بالا بردن مزایای آنها می‌توان از سازه ترکیبی سرریز - دریچه استفاده کرد به طوری که در یک زمان، جریان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. این وسیله ترکیبی می‌تواند مشکلات ناشی از فرسایش و رسوبگذاری را مرتفع نماید (دهقانی و همکاران، 2010).
همچنین با این روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرریزها انباشته نمی‌‌‌شوند (ماخرک، 1985).
مشکلاتی را که در اثر وجود مواد رسوبی یا شناور در آب انتقالی برای آبیاری حاصل می‌شود، می‌توان با استفاده از سازه ترکیبی سرریز - دریچه به مقدار زیادی کاهش داده که امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعیلی و همکاران، 1385).
سیستم سرریز - دریچه امکان عبور جریان را از پایین و بالای یک مانع افقی در قسمت میانی مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدین صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دریچه به صورت زیرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرریز عبور میدهد (شکل 1- 1).
331470506095جریان عبوری از زیر دریچه
00جریان عبوری از زیر دریچه
267970163195جریان عبوری از روی سرریز
00جریان عبوری از روی سرریز
138620527622500143446560769500
شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچهاز اینرو تعیین شکل و حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی به منظور تثبیت وضعیت بستر میتواند مفید واقع شود.
1-2-4 آبشستگیآبشستگی یکی از موضوعات مهم و قابل توجه در مهندسی رودخانه و هیدرولیک جریان در بسترهای آبرفتی میباشد. چنانچه در یک بازه مورد بررسی، مقدار رسوب وارد شده کمتر از مقدار رسوب خارج شده باشد، عمل فرسایش کف رودخانه و یا بدنه آن رخ میدهد و کف رودخانه بتدریج عمیق میشود. از جمله اثرات منفی گود شدن بستر رودخانه، میتوان به شکست برشی و لغزش در بستر و نیز گرادیان هیدرولیکی خروجی اشاره کرد که در نهایت، افزایش فشار بالابرنده و ایجاد پدیده تراوش را در پی دارد.
به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پاییندست سازههای هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریانهای متلاطم موضعی، آبشستگی گویند. عمق ناشی از فرسایش بستر اولیه را عمق آبشستگی مینامند. (کتاب هیدرولیک کانالهای روباز، دکتر ابریشمی)
از آنجا که مکانیزم عمل آبشستگی در مکانهای مختلف متفاوت میباشد، از این رو آبشستگی را به دو نوع تقسیمبندی میکنند:
نوع اول آبشستگی تنگشدگی میباشد. این نوع آبشستگی در دو حالت اتفاق می‌افتد:
الف) در جایی که رودخانه هنوز به حالت تعادل نرسیده و پتانسیل حمل رسوب در بازه‌ای از رودخانه بیش از میزان رسوب ورودی به این بازه باشد.
ب) در جایی که سرعت جریان به دلایلی مانند کاهش مقطع رودخانه در محل پل‌ها، افزایش پیدا می‌کند که در مقطع تنگ شده آبشستگی اتفاق می‌افتد.
در محل احداث پل، آبشکن و یا دیواره ساحلی معمولاً عرض رودخانه را کاهش می‌دهند. این عمل باعث می‌شود که سرعت جریان در این محدوده افزایش یابد. در نتیجه به ظرفیت حمل رسوب افزوده شده و سبب خواهد شد تا بستر رودخانه در این محل فرسایش یابد. عمل فرسایش آنقدر ادامه می‌یابد تا ظرفیت حمل رسوب کاهش یافته و برابر با ظرفیت حمل رسوب در مقطع بالادست گردد. در این حالت، نرخ فرسایش در این محل کمتر می‌شود. هر چند این فرسایش موجب می‌شود که تأثیر پسزدگی آب در بالادست کاهش یابد ولی به خاطر این مسئله نباید اجازه داده شود تا فرسایش صورت گیرد زیرا آبشستگی باعث خطرات جدی مثل واژگونی پل می‌گردد.
نوع دیگر آبشستگی، آبشستگی موضعی است. این نوع آبشستگی در پاییندست سازههای هیدرولیکی، در محل پایههای پل و به طور کلی هر مکانی که شدت جریانهای درهم به طور موضعی افزایش یابد، بوجود میآیند.
آبشستگی موضعی پاییندست سازههای هیدرولیکی نظیر سدها، سرریزها، شوتها، سازههای پلکانی و ... پدیده طبیعی است که به‌دلیل وجود سرعت محلی بیش از سرعت بحرانی بوجود میآید و دلایل آن را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
ناکافی بودن مقدار استهلاک انرژی
تشکیل پرش هیدرولیکی ناپایدار و یا انتقال پرش خارج از کف حوضچه آرامش
بوجود آمدن جریانهای گردابی در پاییندست سازههای هیدرولیکی
شکل (1- 2) چند نوع سازه هیدرولیکی و آبشستگی پاییندست آنها را نشان میدهد.

شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی (استاندارد آب و آبفا، 1389)
میزان عمق آبشستگی برای هر یک از سازهها بستگی به شرایط هیدرولیکی جریان و مشخصات رسوب و شرایط هندسی سازه دارد. تخمین میزان عمق آبشستگی از اینرو اهمیت دارد که ممکن است باعث تخریب سازه گردد.
به طور کلی آبشستگی در اثر اندرکنش نیروهای زیر حاصل میشود:
1- نیروی محرک ناشی از جریان که در راستای جدا کردن ذره از بستر عمل میکند.
2- نیروی مقاوم ناشی از اصطکاک ذرات و وزن ذره که در برابر حرکت ذره مقاومت کرده و مانع جدایی ذره از بستر میشود.
جریانها در محل وقوع آبشستگی، یک فرآیند دوفازی (آب و رسوب) است. بنابراین آبشستگی متأثر از متغیرهای بسیاری از قبیل پارامترهای جریان، مشخصات بستر آبرفتی، زمان و هندسه آبراهه میباشد. به همین دلیل، محققین هر یک به مطالعه بخشی از این وقایع پرداخته و آن را به صورت آزمایشگاهی و تجربی بررسی کردهاند.
1-3 ضرورت انجام تحقیقاز آنجایی که در سازه‌های ترکیبی سرریز - دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان، تغییرات در توزیع تنش‌های برشی کف و از این‌رو افزایش پیچیدگی محاسبات می‌شود، بنابراین شبیه‌سازی الگوی جریان، سطح آزاد آب و آبشستگی مورد توجه محققین قرار دارد و لذا در این تحقیق، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان در بستر صلب، توانایی نرمافزار Flow3D در شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و آبشستگی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت‌.
1-4 اهداف تحقیقتحقیق انجام شده به منظور پاسخگویی به اهداف زیر صورت گرفته است:
1- بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه در بستر صلب و مدلسازی عددی آن با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن دو
2- مدلسازی عددی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج بدست آمده از بررسیهای آزمایشگاهی توسط محققین دیگر
3- ارزیابی دقت مدلهای تلاطمی نرمافزار Flow3D در شبیهسازیهای عددی الگوی جریان و آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز – دریچه در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
4- محاسبه نسبت دبی عبوری از بالای سرریز به زیر دریچه با استفاده از مدل Flow3D
1- 5 ساختار کلی پایاننامهاین تحقیق در پنج فصل به شرح زیر تدوین شده است:
فصل اول- کلیات: که شامل مقدمهای بر سرریزها، دریچهها و مبانی ترکیب این دو سازه بوده و همچنین در رابطه با هیدرولیک جریان و آبشستگی در پای هر کدام از سازههای سرریز یا دریچه و یا سازه ترکیبی سرریز - دریچه کلیاتی ارائه گردیده است.
فصل دوم- بررسی منابع: در این فصل، پیشینه تحقیقها در زمینه هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه، آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی و همچنین مطالعات انجام شده توسط نرم‌‌افزار Flow3D بررسی خواهد شد.
فصل سوم- مواد و روشها: این فصل شامل معرفی مواد و روشهای تحقیق، آشنایی با نرمافزار Flow3D و مراحل مدلسازی است.
فصل چهارم- نتایج و بحث: در این فصل، نتایج ارائه شده شامل دو بخش است. بخش اول مربوط به نتایج آزمایشات انجام شده در بستر صلب مربوط به جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز – دریچه و بخش دوم مربوط به نتایج شبیهسازی عددی الگوی جریان، پروفیل و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی است.
فصل پنجم- نتیجهگیری و پیشنهادها: این فصل دربرگیرنده نتایج بدست آمده از تحلیلها به همراه پیشنهادهایی برای تحقیقات بعدی است.
فصل دوم
مروری بر منابع
2-1 مرور منابع
در این فصل، بررسی منابع و سوابق تحقیق در دو بخش مطالعات آزمایشگاهی و مطالعات عددی توسط نرمافزار Flow3D ارائه میشود که ابتدا مطالعات آزمایشگاهی در دو حالت بستر صلب و متحرک ارائه شده و سپس مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D نام برده میشود. چون در مورد جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز‌– دریچه، مدلسازی با نرمافزار Flow3D تاکنون انجام نگرفته است مطالعات عددی نرمافزار Flow3D در همه زمینهها اشاره شده است.
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان
از جمله مطالعات آزمایشگاهی هیدرولیک جریان در سازه ترکیبی سرریز‌- دریچه، میتوان به مطالعات نجم و همکاران (1994) اشاره کرد. ایشان پارامترهای هندسی و هیدرولیکی مؤثر بر روی جریان ترکیبی را مورد بررسی قرار داده و برای جریان سرریز مثلثی روی دریچه مستطیلی، سرریز و دریچه مستطیلی با ابعاد تنگشدگیهای مختلف به طور جداگانه معادلاتی استخراج کردند. همچنین حالتی را که تنگشدگی دریچه و سرریز یکسان یا متفاوت باشد نیز به طور جداگانه مورد بررسی قرار دادند. این محققین همچنین برای شرایط مختلف مانند استفاده از سرریز مثلثی با زاویههای مختلف و یا سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی (شکل 2-1) و بدون فشردگی جانبی (شکل 2-2) روابط جداگانهای به صورت رابطههای (2-1) تا (2-4) ارائه دادند.

شکل 2-‌1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز‌- دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی41052753175(2- 1)
00(2- 1)
Cd=Qc(b1d2gd+y+h-hd+232gb-0.2hh1.5)4274820140335(2- 2)
00(2- 2)
Qu=23Cu2g(b-0.2h)h1.54105275112395(2- 3)
00(2- 3)
Ql=Clb1d2g(d+y+h-hd)429387059690(2- 4)
00(2- 4)
Qc2gb(d1.5 )=Cl1+yd+hd+hdd+23Cu(hd)32شیواپور و پراکاش (2004)، به بررسی دبی جریان از روی سرریز مستطیلی و از زیر دریچه V شکل پرداختند. طبق نتایجی که ایشان گرفتند زمانی که از دریچه V شکل و کج استفاده میشود دبی کانالهای مستطیلی با بستر ثابت با دقت بالاتری قابل تخمین است.
اسماعیلی و فتحیمقدم (1385)، به بررسی آزمایشگاهی هیدرولیک جریان و تعیین ضریب دبی مدل سرریز‌- دریچه در کانالهای دایروی و جریانهای زیرگذر و روگذر با نصب مانع با عرضهای مختلف پرداختند.
سامانی و مظاهری (1386)، به بررسی تخمین رابطه دبی جریان عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در حالتهای مستغرق و نیمهمستغرق پرداختند. نتایج بررسی هیدرولیک جریان ایشان نشان میدهد که سیستم سرریز- دریچه، موجب اصلاح خطوط جریان شده، شرایط جریان را به حالت تئوریک نزدیکتر و در نتیجه، واسنجی ضریب شدت جریان سیستم سرریز - دریچه و تخمین دبی جریان با دقت بیشتری نسبت به سرریزهای معمولی انجام میشود.

شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)

رضویان و حیدرپور (1386)، با بررسی خطوط جریان ترکیبی از روی سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی و زیر دریچه مستطیلی بدون فشردگی جانبی در حالت لبهتیز، معادلهای برای ضریب شدت جریان پیشنهاد کردند.
تاکنون پژوهشهایی در زمینه آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز - دریچه انجام شده است. اولین بار در سال 1987 یک سری آزمایش توسط آقای اویماز در آزمایشگاه سازههای هیدرولیکی استانبول بر روی آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز- دریچه صورت گرفته است. شکل (2-4) نمایی از مدل شبیهسازی جریان کار ایشان را نمایش میدهد.

شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987)
ایشان برای 2 نوع دانهبندی و رسوب غیرچسبنده آزمایشات خود را اجرا نمودند. همچنین تمامی آزمایشات یک بار برای دریچه تنها و یک بار در حالت ترکیب دریچه و سرریز انجام دادند. پس از انجام آزمایشات، دادههای بدست آمده را تجزیه و تحلیل نموده تا به یک رابطه رگرسیونی خطی لگاریتمی بین پارامترهای عمق آبشستگی با قطر رسوبات و ارتفاع آب پاییندست برسند. نتایج تحقیق ایشان نشان می‌دهد که آبشستگی در پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که تنها جریان از زیر دریچه را داریم. همچنین عمق آبشستگی بستگی زیادی به مقدار دبی جریان دارد.
دهقانی و همکاران (2009) به بررسی آزمایشگاهی حداکثر عمق آبشستگی پاییندست سرریز تنها، دریچه تنها و سازه ترکیبی سرریز - دریچه بدون انقباض پرداختند. نکته جالبی که در کار آزمایشگاهی ایشان دیده شده است رفتار نوسانی روند فرسایش و رسوبگذاری به صورت پر و خالی شدن حفره آبشستگی است. حفره آبشستگی ابتدا عمیق میشود، سپس با وجود جریانهای برگشتی کمی رسوبات فرسایش یافته به درون حفره برمیگردد و حفره کمی پر میشود. سپس دوباره حفره توسط گردابههای زیر دریچه عمیق میشود و روند پر و خالی شدن ادامه مییابد (شکل 2- 5). البته این روند با گذشت زمان کندتر شده و شکل حفره در حوالی زمان تعادل تقریباً ثابت میشود (دهقانی و همکاران، 2010).
همچنین بررسیهای ایشان نشان داد که حداکثر عمق آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که جریان تنها از روی سرریز عبور میکند و این نتیجه با نتایج کار آقای اویماز (1985) تطابق دارد.

شکل 2- 5 فرآیند پر و خالی شدن حفره آبشستگی در حین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) شهابی و همکاران (1389) به بررسی آزمایشگاهی مشخصات حفره آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی پرداختند. نتایج این بررسی آزمایشگاهی نشان داد که عمق آبشستگی پایین‌دست سازه ترکیبی سرریز - دریچه کمتر از عمق آبشستگی پاییندست سرریز میباشد. همچنین مشخصههای حفره آبشستگی، با افزایش عدد فرود (Fr)، افزایش مییابد و در ارتفاع ریزش ثابت برای جت عبوری از روی آن، با افزایش بازشدگی دریچه، حداکثر عمق آبشستگی کاهش مییابد. نتایج انجام آزمایشات در حالت وجود انقباض نشان می‌دهد که با ایجاد انقباض در دریچه یا سرریز به دلیل تمرکز بیشتر جت، حداکثر عمق آبشستگی، طول حفره آبشستگی و طول رسوبگذاری به ترتیب افزایش، افزایش و کاهش مییابد. همچنین نتایج آزمایش بر روی کفبند پاییندست سازه ترکیبی نشان داد که چنانچه طول کفبند از فاصله برخورد جت بالادست به کف کانال بیشتر در نظر گرفته شود، میتواند میزان آبشستگی را تا حد قابل توجهی کاهش دهد.
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3Dنرمافزار Flow3Dتوانایی شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و رسوب در اطراف سازه‌های هیدرولیکی مختلف را دارا می‌باشد. در ادامه برخی کارهای انجام شده با این نرمافزار بیان میشود:
موسته و اتما (2004)، تأثیر طول آبشکن بر منطقه چرخشی پشت آبشکن را با در نظر گرفتن تأثیر مقیاس با نرم‌افزار Flow3D مورد بررسی قرار دادند.
گونزالز و بومباردلی (2005)،‌ در یک شبیهسازی عددی با استفاده از Flow3D به بررسی مشخصات پرش هیدرولیکی بر روی سطح صاف در دو حالت شبکهبندی ریز و شبکهبندی درشت به صورت دوبعدی و سهبعدی پرداختند.
صباغ یزدی و همکارانش (2007)، در یک مدل سهبعدی به ارزیابی مدلهای تلاطمی k-ε و RNGk-ε بر روی میزان ورود هوا در پرش هیدرولیکی با استفاده از روش حجم محدود پرداختند و اثر آن را بر روی دقت تخمین سرعت متوسط جریان با استفاده از مدل در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی موجود از پرش هیدرولیکی مورد بررسی قرار دادند. مقایسه نتایج نشان داد که نرمافزار قادر به پیش‌بینی توزیع عمقی سرعت در پرش هیدرولیکی است و همچنین در این آزمون مدل آشفتگی RNG در مقایسه با k-ɛ نتایج مناسبتری را ارائه کرده است.
امیراصلانی و همکارانش (1387)، به شبیه‌سازی سه‌بعدی آبشستگی در پایین‌دست یک جت‌ ریزشی آزاد با استفاده از مدل k-ε نرم‌افزار Flow3D جهت بررسی اثر زاویه اصطکاک داخلی رسوبات بر روی چاله آبشستگی پرداختند. نتایج این پژوهش نشان میدهد هر چقدر زاویه اصطکاک داخلی ذرات رسوب بیشتر باشد میتوان انتظار داشت حفره آبشستگی، ابعاد (طول، عرض و عمق) کوچکتری داشته باشد و ارتفاع برآمدگی رسوبات در پاییندست حفره بیشتر باشد. شیب دیوارهها تندتر بوده و مانعی برای خروج ذرات رسوب از حفره به حساب میآید.
شاهرخی (1387)، با استفاده از نرم‌افزارFlow3D‌ ، مدل عددی الگوی جریان اطراف یک آبشکن را تهیه و با اعمال مدل‌های مختلف آشفتگی، به تأثیر این مدل‌ها بر طول منطقه جداشدگی جریان در پشت یک آبشکن پرداخت‌‌. مهمترین نتیجه حاصل از این تحقیق، نشان میدهد که مدل آشفتگی LES بهترین تطابق را با نتایج آزمایشگاهی داشته و این مدل، پیشبینی بهتری از طول منطقه جداشدگی در پشت آبشکن ارائه میکند. سرانجام پیشنهاد شد مدل در دامنه وسیعتری از تغییرات پارامترهای جریان، طول و زاویه نصب آبشکن اجرا گردد.
شاملو و جعفری (1387)، به بررسی اثر وجود زبری کف بر روی تغییرات میدان سرعت و فشار جریان در اطراف پایه استوانه‌ای شکل در یک کانال مستطیلی توسط نرمافزارFlow3D و با استفاده از مدل آشفتگی k-ε به صورت سهبعدی پرداختند. در این شبیهسازی مقاطعی در سه راستای X , Y , Z نزدیکی پایه با نتایج آزمایشگاهی احمد (1994) مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که پروفیلهای سرعت در عمقهای مختلف و در راستای X , Y و میدان فشار در پاییندست پایه روند تغییرات قابل قبولی را با توجه به نتایج آزمایشگاه نشان میدهد. همچنین نتیجه شد نرمافزار با در نظر گرفتن زبری کف نتایج بهتری را ارائه میکنند.
باباعلی و همکاران (1387)، توسط نرمافزار Flow3D یک پارشال فلوم به طول یک فوت را که جریان درون آن شامل دو حالت آزاد و مستغرق بود، با استفاده از مدل آشفتگی LES مدل کردند. ایشان دادههای مدل خود را از جدول استاندارد WMM اقتباس کرده و نتایج محاسبه شده را با نتایج این جدول مقایسه نمودند. آنها نشان دادند که Flow3D میتواند به آسانی محاسبات پارشال فلوم را تحت هر دو جریان آزاد و مستغرق انجام دهد. نتایج محاسبه شده به خوبی با دبیهای منتشر شده مطابقت داشته و نیاز به زمان زیاد و استفاده از ابر رایانهها ندارد.
والش و همکاران (2009)، به شبیهسازی آبشستگی موضعی پایهها در جریان جزر و مدی پرداختند. نتایج نشان داد که نتایج مدلسازی عددی با اندازهگیریهای انجام شده تطابق خوبی داشته و همچنین نشان داد که مدل عددی Flow3D ابزاری مناسب در طراحی جریان در اطراف پایهها در شرایط مختلف جریان است.
شکری و همکاران (1389)، به بررسی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف پایه پل دایروی با نرمافزار Flow3D پرداختند. نتایج بررسی عددی با بررسی آزمایشگاهی انجام شده توسط آنگر و هگر (2006) مقایسه شد و با مقایسه نتایج شبیهسازی عددی و اندازهگیریهای آزمایشگاهی الگوی جریان و تغییر شکل بستر، نتیجه شد که مدل Flow3D نتایج قابل قبولی ارائه داده است.
حسینی و عبدی‌پور (1389)، با استفاده از نرم‌افزار Flow3D به مدل‌سازی عددی پروفیل سرعت در جریانهای گل‌آلود پیوسته پرداختند و تأثیر شیب، غلظت و دبی جریان بر آن را مورد مطالعه قرار دادند. برای صحتسنجی نرمافزار در تعیین پارامترهای هیدرولیکی جریانهای گلآلود (پروفیل سرعت)، از یک نمونه آزمایشگاهی استفاده شد و نتایج حاصل از شبیهسازی با اندازهگیریهای آزمایشگاهی مربوطه مقایسه شد. برای مقایسه نتایج از آزمایشات انجام گرفته توسط حسینی و همکاران استفاده گردید. نتایج حاصل از مدل عددی پروفیل سرعت در بدنه با نتایج آزمایشگاهی تطابق نسبتاً خوبی داشت. نتایج مدل عددی مربوط به پروفیل سرعت با برخی از نتایج آزمایشگاهی مطابقت کمتری داشت که بخش عمدهای از خطاها مربوط به عدم امکان مدلسازی جریان در بخش پایینی در مشبندی به علت کمبود حافظه کامپیوتری و بخشی از خطاها نیز به نحوه مدلسازی جریان گلآلود بود.
برتور و بورنهم (2010)، به مدل‌سازی فرسایش رسوب در پاییندست سد با نرم‌افزار Flow3D پرداختند‌. در بررسی ایشان، برای محاسبه هر یک از ضرایب مشخصه رسوب در نرمافزار Flow3D، فرمولی ارائه و برای هر ضریب محدودهای تعیین شد.
کاهه و همکاران (2010)، مدل‌های آشفتگی k-εو RNG k-ε را جهت تخمین پروفیل‌های سرعت در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موج‌دار مورد بررسی و مقایسه قرار دادند. نتایج، توانایی مدل RNG k-ε در تخمین عمق ثانویه، طول پرش و توزیع سرعت را به خوبی نشان داد. ضریب تنش برشی برآورد شده توسط مدل عددی به نتایج بدست آمده از بررسی‌های آزمایشگاهی بسیار نزدیک بوده و به طور متوسط 8 برابر مقدار آن در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح صاف برآورد شد. با توجه به نتایج بدست آمده، مدل آشفتگی RNG k-ε در مقایسه با مدل k-ε در مدلسازی پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موجدار از دقت بالایی برخوردار است.
آخریا و همکاران (2011)، به شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف انواع آبشکنها پرداختند. نتایج مدلسازی نشان داد که از بین مدلهای آشفتگی، مدلهای RNG k-ɛ و k-ɛ به دادههای آزمایشگاهی نزدیکتر بوده ولی مدل آشفتگی RNG k-ɛ بهترین نتایج را برای شبیه‌سازی میدان جریان اطراف آبشکن نشان داد.
الیاسی و همکاران (1390)، با بهرهگیری از نرمافزار Flow3D و با اعمال مدل آشفتگی RNG k-ɛ، الگوی جریان اطراف تک آبشکن مستغرق در کانال مستقیم شیبدار را بدون در نظر گرفتن سطح آزاد شبیهسازی نمودند و به مقایسه نتایج مدل عددی با دادههای آزمایشگاهی پرداختند. نتایج این شبیهسازی بدون در نظر گرفتن سطح آزاد، با دادههای آزمایشگاهی تطابق خوبی را نشان داد. مقایسه پروفیلهای سرعت در مدل عددی و نتایج آزمایشگاهی بیانگر مطابقت این دادهها با هم میباشد.
عباسی چناری و همکاران (1390)، الگوی جریان اطراف آبشکنهای L شکل عمود بر ساحل را توسط نرمافزار Flow3D و با مدل آشفتگی k-ɛ شبیهسازی نمودند. در این بررسی، آبشکن L شکل نفوذناپذیر بوده که به صورت غیرمستغرق در 5 زاویه مختلف از قوس رودخانه قرار داده شده است. نتایج حاکی از آن است که تلاطم جریان، محدوده سرعتهای ماکزیمم و در نهایت بیشترین آبشستگی بستر، در دماغه آبشکن اتفاق میافتد. همچنین با افزایش دبی و عدد فرود جریان، محدوده سرعت ماکزیمم جریان در نزدیکی دماغه آبشکن افزایش مییابد و شکل آن در جهت جریان کشیده میشود. در نهایت نتیجه شد که مدل آشفتگی k-ɛ در شبیهسازی نواحی جریان برگشتی در پاییندست آبشکن و محل ایجاد گردابه و آشفتگی جریان در اطراف آبشکن، دقت خوبی دارد.
قنادان و همکاران (1391)، با نرمافزار Flow3D، به شبیهسازی عددی جریان از روی سرریز جانبی لبهپهن پرداخته و نتایج حاصل از این نرمافزار را با دادههای آزمایشگاهی مقایسه کردند. نتایج نشان داد که از میان مدلهای تلاطمی موجود در نرمافزار، مدل تلاطمی RNG k–ε از دقت بالاتری برای شبیهسازی جریان از سرریز جانبی برخوردار است. همچنین با استفاده از مدل واسنجی شده، اثر تغییر ارتفاع و پهنای تاج سرریز بر دبی عبوری از سرریز مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس نتیجه شد که ارتفاع تاج سرریز جانبی لبهپهن بر مقدار دبی خروجی از سرریز نسبت به پهنای تاج مؤثرتر است.
فصل سوم
مواد و روش‌ها
3-1 مقدمه
در این بخش، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه در بستر صلب و شبیهسازی عددی هیدرولیک آن با نرمافزار Flow3D، توانایی مدل عددی Flow3D در شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی ارزیابی میشود. بنابراین در این بخش، علاوه بر بررسی نحوه انجام آزمایشات، به معرفی مدل Flow3D پرداخته و مراحل مدل‌سازی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز و دریچه با نرمافزار Flow3D بیان میشود.
3-2 نحوه انجام آزمایشاتدر این بخش، به ارائه نحوه انجام آزمایشات هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه پرداخته میشود. در این تحقیق به منظور کالیبراسیون نرمافزار در حالت کف صلب، آزمایشاتی در کانال با طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر انجام شده و عمق جریان در طول کانال قرائت شد. همچنین جهت ارزیابی دقت نرمافزار در حالت کف متحرک از نتایج آزمایشگاهی شهابی(1389) در کانال با طول 12 متر، عرض و ارتفاع 60 سانتیمتر استفاده شده است.
کانال آزمایشگاهی مورد استفاده در کف صلب شامل قسمتهای زیر است (شکل 3-1):
1- مخزن
2- پمپ که شامل بخشهای تأمین برق، الکتروپمپ، شیر تنظیم دبی و مخزن تعیین دبی است.
3- مخزن آرام کننده جریان
4- کانال آزمایشگاهی
5- مدل سازه ترکیبی
شکل زیر نمای کلی مدل فیزیکی را نشان میدهد.

شکل 3-‌1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک
بخشهای اصلی کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، به صورت زیر تعریف میشوند:
3-2-1 مخزنبه منظور تأمین آب مورد نیاز جهت انجام آزمایش، از یک مخزن در قسمت پایین فلوم استفاده شده است. به هنگام آزمایش، آب به صورت رفت و برگشتی از مخزن به فلوم و بالعکس در جریان خواهد بود.
3-2-2 پمپجهت پمپاژ و جریان آب در فلوم، از پمپی با ظرفیت دبی 7 لیتر بر ثانیه استفاده شده است که با یک شیرفلکه معمولی، دبی پمپاژ تغییر داده میشود. به منظور قرائت دبی، از یک مخزن دبیسنج استفاده گردیده است.
3-2-3 کانال آزمایشگاهیکانال آزمایشگاهی دارای طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر میباشد. جنس دیواره و کف کانال از پلکسی گلاس بوده تا امکان مشاهده جریان در کانال در حین آزمایش وجود داشته باشد.
3-2-4 مخزن آرامکننده جریاناین مخزن، آشفتگی جریانی که از پمپ سانتریفوژ وارد کانال خواهد شد را گرفته و جریان را به آرامی وارد کانال آزمایشگاهی میکند.

شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز- دریچهسازه ترکیبی سرریز- دریچه مورد استفاده در آزمایشات، در فاصله 2 متری از ابتدای کانال و با ضخامت 3 میلیمتر تعبیه شده که با ابعاد هندسی متفاوت ساخته شده است.

شکل 3-3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریانمشخصات آزمایشات انجام شده در کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، در جدول زیر شرح داده شده است:
جدول 3-1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریانپارامتر دفعات تغییر واحد محدوده تغییرات
دبی ورودی (Q) 7 Lit/s 64/2 – 39/1
بازشدگی دریچه (W) 5 Cm 5/1 – 5/0
ارتفاع سازه (T) 5 Cm 5/5 – 5/3
3-3 آنالیز ابعادیاولین گام در شبیهسازی و مدلسازی، شناخت متغیرهای اثرگذار بر پدیده فیزیکی است. تعداد متغیرهای اثرگذار با توجه به پیچیدگی رفتار پدیده موردنظر، میتواند افزایش یابد.
با توجه به اینکه هر کمیت فیزیکی در قالب ابعاد بیان میشود، استفاده از روشی که بتواند با ترکیب متغیرهای اثرگذار، متغیرهای بیبعد را که مفهوم فیزیکی دارند ایجاد کند، میتواند در کاهش تعداد متغیرها بسیار مفید باشد.
آنالیز ابعادی روشی است که در آن با استفاده از مفهوم همگنی ابعاد، متغیرهای اثرگذار بر پدیده فیزیکی مورد نظر در قالب متغیرهای بیبعد بیان میشوند. سپس بر اساس این متغیرها و انجام مطالعات آزمایشگاهی، رابطههای تجربی بدست میآورند.
برای انجام آنالیز ابعادی، روشهای مختلفی ازجمله روش فهرستنویسی، نظریه پیباکینگهام، روش گامبهگام و روش هانسیکر و رایت مایر وجود دارد.
در این تحقیق، روش پیباکینگهام که کاربرد وسیعتری دارد مورد بحث و استفاده قرار گرفت. این روش، یکی از روشهای معروف است که به طور وسیع در آنالیز ابعادی استفاده میشود.
در جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه در حالت جریان آزاد، متغیرهای مؤثر عبارتند از:
1- دبی عبوری از روی سرریز، Qs
2- دبی عبوری از زیر دریچه، Qg
3- عمق بالادست سازه ترکیبی، H1
4- هد آب روی سرریز، Hd
5- طول سازه، T
6- بازشدگی دریچه، W
7- شتاب ثقل (g)، ρ و μ سیال
شکل (3-4) متغیرهای مؤثر در جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه را در حالت جریان آزاد نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب
با انجام آنالیز ابعادی به روش پیباکینگهام رابطه (3-1) بدست میآید. از آنجاییکه جریان آشفته است لذا از اثرات Re (رینولدز) صرف نظر شده و نهایتاً رابطه (3-2) بدست میآید.
430191950165(3- 1)
00(3- 1)
F(Qs , Qg , H1 , Hd , T , W , g , ρ , μ) = 0 → QsQg=f( Fr , Re , H1W , HdT )43584345080(3- 2)
00(3- 2)
QsQg=f( Fr , H1W , HdT )3-4 شبیهسازی عددیبه منظور مطالعه و تحلیل جریان در سازههای مختلف، مدلهای فیزیکی و ریاضی مختلف بکار گرفته میشود. با توجه به توسعه سیستمهای کامپیوتری و محاسباتی و همچنین وجود پیچیدگی‌های غیر قابل اندازه‌گیری در جریان عبوری از یک سازه ترکیبی سرریز - دریچه در مدل‌های آزمایشگاهی، استفاده از شبیهسازی عددی می‌تواند در بررسی هیدرولیکی چنین جریانهایی بسیار مؤثر و قابل توجه باشد.
در سالهای اخیر، بدلیل ابداع روشهای پیشرفته و دقیق حل عددی معادلات و بوجود آمدن رایانههای قوی برای انجام محاسبات، میتوان در طراحی این سازههای پیچیده از روشهای حل عددی نیز بهره گرفت. دینامیک سیالات محاسباتی، از روشهای محاسبه و شبیهسازی میدان جریان سیال میباشد که در قرن اخیر مورد توجه خاص مهندسین و طراحان قرار گرفته است.
استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی حاکی از مزایای زیر است:
1- کاهش در زمان و هزینه در طراحیها
2- توانایی مطالعه سیستمهایی که انجام آزمایشات کنترل شده روی آنها دشوار و یا غیر ممکن است مانند تأسیسات بزرگ
3- توانایی مطالعه سیستمها تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حدود معمول آنها
از جمله نرمافزارهای موجود در زمینه CFD میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
CFX, Phonix, Telemac, FIDAP, Flow3D, Fluent
در این تحقیق، به ارزیابی مدل عددی Flow3D جهت شبیهسازی هیدرولیک جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه و همچنین آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی پرداخته می‌شود.
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3Dنرمافزار Flow3D یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد که تولید، توسعه و پشتیبانی آن توسط Flow Science, Inc است و یک مدل مناسب برای حل مسائل پیچیده دینامیک سیالات بوده و قادر است دامنه وسیعی از جریان سیالات را مدل کند. این مدل برای شبیهسازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیرماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. نرمافزار Flow3D، برای مسائل یک‌بعدی، دوبعدی و سهبعدی طراحی شده است. در حالت ماندگار، نتایج در زمان بسیار کمی حاصل میشود زیرا برنامه بر روی قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی پایهگذاری شده است تا این موارد برای مراحل مختلف جریان در هر زمینهای بکار برده شوند. این نرمافزار یک شبکه آسان از اجزاء مستطیلی را استفاده میکند.
نرمافزار Flow3D شامل مدلهای فیزیکی مختلف میباشد که عبارتند از: آبهای کمعمق، کاویتاسیون، آشفتگی، آبشستگی، کشش سطحی، پوشش متخلخل ذرات و ... . از این مدلها در زمینه‌های ریختهگری مواد، مهندسی فرآیند، طراحی تزریقهای مرکب، تولیدات مصرفی، هیدرولیک مهندسی محیط زیست، هوافضا، علوم دریایی، نفت، گاز و ... استفاده میشود.
در جدول (3-2)، ویژگیهای نرمافزار به اختصار نمایش داده شده است.
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3Dنام نرمافزار Flow3D
زمینه کاری یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد. این نرمافزار برای کمک به تحقیق در زمینه رفتار دینامیکی مایعات و گازها در موارد کاربردی وسیع طراحی شده است.
قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی
کاربردهای Flow3D در زمینه مهندسی آب پایههای پل- هوادهی در پرش هیدرولیکی- سرریز دایرهای- هوادهی در سرریزها- شکست سد- پارشال فلوم- آبشستگی- جریان بر روی یک پلکان- جریانهای با عمق کم- جریان در کانالهای کنترل پرش هیدرولیکی- موجهای کمارتفاع- دریچههای کشویی- جریان سرریز
سطح آزاد حد فاصل بین گاز و مایع همان سطح آزاد است. در Flow3D سطح آزاد با تکنیک حجم سیال مدل میشود. روش حجم سیال شامل سه جزء است: نمایش موقعیت سطح – شبکهبندی– شرایط مرزی سطح
تکنیک محاسبات Finite Difference - FiniteVolume
سیستمهای مختصات معادلات دیفرانسیلی که باید حل شود در قالب مختصات کارتزین (x,y,z) نوشته میشود. برای مختصات استوانهای (z,Ɵ,r) مختصات x به صورت شعاعی و مختصات y به صورت مختصات زاویهای
ادامه جدول 3- 2مدلهای آشفتگی در Flow3D پنج مدل آشفتگی ارائه شده است: طول اختلاط پرانتل، یک معادله، دو معادله k-ɛ، مدل‌های k-ɛ RNG و مدل شبیهسازی بزرگ
مدلسازی 1-General 2-Physics 3-Fluids 4- Meshing & Geometry
5-Boundaries 6-Initial 7-Output 8-Numerics
General زمان اتمام - تعداد سیالات – حالت جریان (که شامل حالت تراکمپذیر یا تراکمناپذیر است.)
Physics شامل بخشهایی نظیر ویسکوزیته که شامل حالتهای سیال ویسکوز و غیرویسکوز است، شتاب ثقل زمین، که در جهت قائم مختصات برابر 81/9- وارد میشود، کشش سطحی، حفرهزدایی، آبشستگی رسوب و ...
Fluids ویسکوزیته، جرم حجمی، تراکمپذیری، مشخصات گرمایی و آحاد
Meshing & Geometry برای مشخص کردن حدود مشبندی، بلوکهایی تعیین میشود که کلیه اندازه سازههای مورد نظر و فضای آزاد در داخل آن تعریف میشود. میتوان همه جزئیات سازه مورد نظر را در یک بلوک هم در نظر گرفت. سیستم مختصاتی میتواند از نوع کارتزین یا استوانهای باشد.
Boundaries در مختصات کارتزین برای تعریف شرایط مرزی،6 درجه مشخص داریم که با توجه به جهت مثبت x, y, z شامل Xmax ,Xmin, Ymax, Ymin, Zmax, Zmin میباشد.
Initial در این قسمت، با توجه به ویژگیهای مسئله شرایط اولیه اعمال میگردد.
Output در این بخش، ویژگیها و امکاناتی برای داشتن مشخصات خاصی از نتایج ارائه میشود.
Numerics در قسمت گزینههای ضمنی برای تنش ویسکوز، هدایت گرمایی و ... امکان انتخاب بین حل صریح یا ضمنی وجود دارد.
برخی از تواناییهای مدل Flow3D جهت شبیهسازی با نمایش شکل مدل عبارتند از:

شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازهاین نرمافزار معادلههای حاکم بر حرکت سیال را با استفاده از تقریب احجام محدود حل میکند. محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیمبندی میشود که برای هر سلول مقدارهای میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد یعنی همه متغیرها در مرکز سلول محاسبه میشوند بجز سرعت که در مرکز وجوه سلول حساب میشود.
در این نرمافزار از دو تکنیک عددی جهت شبیهسازی هندسی استفاده شده است:
1- روش حجم سیال (VOF): این روش برای نشان دادن رفتار سیال در سطح آزاد مورد استفاده قرار میگیرد. این روش بر مبنای تقریبهای سلول دهنده - پذیرنده است که اولین بار توسط Hirt و Nichols در سال 1981 بیان شد.
2- روش کسر مساحت – حجم مانع (FAVOR): از این روش جهت شبیهسازی سطوح و احجام صلب مثل مرزهای هندسی استفاده میشود. هندسه مسئله با محاسبه کسر مساحت وجوه و کسر حجم هر المان برای شبکه که توسط موانعی محصور شدهاند تعریف میشود. همان طور که کسر حجم سیال موجود در هر المان شبکه برای برقراری سطوح سیال مورد استفاده قرار میگرفت، کمیت کسر حجم دیگری برای تعیین سطوح صلب مورد استفاده قرار میگیرد.
فلسفه روش FAVOR بر این مبناست که الگوریتمهای عددی بر مبنای اطلاعاتی شامل فقط یک فشار، یک سرعت، یک دما و ... برای هر حجم کنترل است، که این با استفاده از مقدارهای زیادی از اطلاعات برای تعریف هندسه متناقض است. بنابراین روش FAVOR، المانهای ساده مستطیلی را حفظ میکند، در صورتی که میتواند اشکالی با هندسه پیچیده در حد سازگاری با مقادیر جریان میان‌گیری شده را برای هر المان نشان دهد.
3-4-2 معادلات حاکمدینامیک سیالات محاسباتی، روشی برای شبیهسازی جریان است که در آن معادلات استاندارد جریان از قبیل معادلات ناویر استوکس و معادله پیوستگی قابل حل برای تمام فضای محاسبات می‌باشد. فرم کلی معادله پیوستگی به صورت شکل زیر بیان می‌شود:
416382464733(3-3)
00(3-3)
که درآن VF ضریب حجم آزاد به سمت جریان و مقدار R در معادله فوق، ضریب مربوط به مختصات به صورت کارتزین و یا استوانه‌ای می‌باشد. اولین عبارت در سمت راست معادله پیوستگی مربوط به انتشار تلاطم بوده و به صورت زیر قابل تعریف می باشد:
424413450800(3-4)
00(3-4)
عبارت دوم در سمت راست معادله (3-3) بیانگر منشأ دانسیته است که برای مدلسازی تزریق توده مواد اهمیت دارد:
428985427305(3-5)
00(3-5)
همچنین فرم کلی معادلات حرکت (مومنتم) در حالت سه بعدی به صورت زیر می‌باشد:
4361180396875(3-6)
00(3-6)

که در معادلات فوق Gx , Gy , Gz مربوط به شتاب حجمی می‌باشند. پارامترهای fx ,fy ,fz شتابهای ناشی از جریان‌های لزج بوده و bx , by , bz نیز شامل روابط مربوط به افت در محیطهای متخلخل هستند.
3-4-3 مدلهای آشفتگیاکثر جریانهای موجود در طبیعت به صورت آشفته میباشند. در اعداد رینولدز پایین، جریان آرام بوده ولی در اعداد رینولدز بالا جریان آشفته میشود، به طوری که یک حالت تصادفی از حرکت در جایی که سرعت و فشار بطور پیوسته درون بخشهای مهمی از جریان نسبت به زمان تغییر میکند، گسترش مییابد. این جریانها بوسیله خصوصیاتی که در ادامه ارائه شدهاند شناسایی میگردند:
1- جریانهای آشفته به شدت غیر یکنواخت هستند. در این جریانها اگر تابع سرعت در برابر زمان ترسیم شود، بیشتر شبیه به یک تابع تصادفی خواهد بود.
2- این جریانها معمولاً سهبعدی هستند. پارامتر سرعت میانگین گاهی اوقات ممکن است تنها تابع دو بعد باشد، اما در هر لحظه ممکن است سهبعدی باشد.
3- در این نوع جریانها، گردابهای کوچک بسیار زیادی وجود دارند. شکل کشیده یا عدم تقارن گردابها، یکی از خصوصیات اصلی این جریانها است که این امر با افزایش شدت آشفتگی، افزایش مییابد.
4- آشفتگی، شدت جریانهای چرخشی در جریان را افزایش میدهد که این عمل میتواند باعث اختلاط شود. فرآیند چرخش در سیالاتی رخ میدهد که حداقل، میزان یکی از مشخصههای پایستار آنها متغیر باشد. در عمل، اختلاط بوسیله فرآیند پخش انجام میشود، به این نوع جریانها غالباً جریانهای پخششی نیز میگویند.
5- آشفتگی جریان باعث میشود جریانهایی با مقادیر متفاوت اندازه حرکت با یکدیگر برخورد کنند. گرادیانهای سرعت بر اثر ویسکوزیته سیال کاهش مییابند و این امر باعث کاهش انرژی جنبشی سیال میشود. به بیان دیگر میتوان گفت که اختلاط یک پدیده، مستهلک کننده انرژی است. انرژی تلف شده نیز طی فرآیندی یکطرفه به انرژی داخلی (حرارتی) سیال تبدیل میشود.
تمام مشخصاتی که به آنها اشاره شد برای بررسی یک جریان آشفته مهم هستند. تأثیراتی که توسط آشفتگی ایجاد میشود بسته به نوع کاربری ممکن است ظاهر نشود و به همین دلیل باید این جریانها را با توجه به نوع و کاربری آن مورد بررسی قرار داد. برای بررسی جریانهای آشفته، روش‌های مختلفی وجود دارد که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره خواهد شد.
مدلهای آشفتگی، ویسکوزیته گردابهای (vt) و یا تنش رینولدز (-Uij) را تعیین میکند و فرضیات زیادی برای همه آنها حاکم است که عبارتند از:
معادلات ناویر استوکس میانگینگیری شده زمانی، میتواند بیانگر حرکت متوسط جریان آشفته باشد.
پخش آشفتگی متناسب با گرادیان ویژگیهای آشفتگی است.
گردابهها میتوانند ایزوتروپیک و یا غیر ایزوتروپیک باشند.
همه مقادیر انتقال آشفته توابع موضعی از جریان هستند.
در مدلهای آشفته باید همسازی وجود داشته باشد.
این مدلها میتوانند یک مقیاسی و یا چند مقیاسی باشند.
همه مدلها در نهایت به کالیبراسیون به صورت تجربی نیاز دارند.


بسیاری از مدلهای آشفتگی بر پایه فرضیه بوزینسک استوار هستند. مدلهای آشفتگی به پنج دسته تقسیم میشوند:
1- مدلهای صفرمعادلهای
2- مدلهای تکمعادلهای
3- مدلهای دومعادلهای
4- مدلهای جبری
5- مدلهای شبیهسازی گردابهای بزرگ
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهایدر این مدلها هیچگونه معادله دیفرانسیلی برای کمیتهای آشفتگی ارائه نمیشود. این مدلها نسبتاً ساده بوده و دادههای تجربی و آزمایشگاهی در آنها نقش اساسی دارد و تنشهای آشفتگی در هر جهت متناسب با گرادیان سرعت میباشد. نمونهای از این مدلها عبارتند از:
1- مدل لزجت گردابهای ثابت
2- مدل طول اختلاط پرانتل
3- مدل لایه برش آزاد پرانتل
3-4-3-2 مدلهای یک معادلهایاین مدلها بر خلاف مدلهای صفر معادلهای، از یک معادله برای انتقال کمیت آشفتگی استفاده میکنند. این معادله ارتباط بین مقیاس سرعت نوسانی و کمیت آشفتگی میباشد که جذر انرژی جنبشی آشفتگی به‌عنوان مقیاس سرعت در حرکت آشفته مد نظر میباشد و مقدار آن توسط معادله انتقال محاسبه میگردد.
3-4-3-3 مدلهای دومعادلهایمدلهای دو معادلهای سادهترین مدلها هستند که قادرند نتایج بهتری در جریانهایی که مدل طول اختلاط نمیتواند به صورت تجربی در یک روش ساده مورد استفاده قرار بگیرد، ارائه دهند. به طور مثال جریانهای چرخشی از این نمونهاند. تقسیمبندی این مدلها بر اساس محاسبه تنش رینولدز و یا ویسکوزیته گردابهای به صورت زیر است:
ویسکوزیته گردابهای
جبری
تنش رینولدز غیرخطی
این مدلها، دو معادله دیفرانسیلی را حل میکنند. به معادله k که از قبل بوده، معادله ɛ هم اضافه میشود. معادله انرژی جنبشی، k، بیانکننده مقیاس سرعت است، بدین صورت که اگر قرار باشد سرعتهای نوسانی مورد بررسی قرار بگیرند، میتوان جذر انرژی جنبشی حاصل از آشفتگی در واحد جرم را به عنوان مقیاس در نظر گرفت، معادله نرخ میرایی انرژی جنبشی، ɛ، نیز مقیاس طول است. در حقیقت مقیاس طول، اندازه گردابههای بزرگ دارای انرژی جنبشی را میدهد که باعث انتقال آشفتگی در توده سیال میشود.
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنشنرمافزار Flow3D مدل آشفتگی جدیدتری بر مبنای گروههای نرمال شده رینولدز پیادهسازی کرده است. این دیدگاه شامل روشهای آماری برای استحصال یک معادله متوسطگیری شده برای کمیت‌های آشفتگی است. مدلهای بر پایه RNG k-ɛ از معادلاتی استفاده میکند که شبیه معادلات مدل آشفتگی k-ɛ است اما مقادیر ثابت معادله که به صورت عملی در مدل استاندارد k-ɛ یافت شده‌اند، صریحاً از مدل RNG k-ɛ گرفته شدهاند. از این رو، مدل RNG k-ɛ قابلیت اجرایی گسترده‌تری نسبت به مدل استاندارد k-ɛ دارد. بویژه مدل RNG k-ɛ برای توصیف دقیقتر آشفتگی جریانهای با شدت کمتر و جریانهایی با مناطق دارای برش، قویتر شناخته شده است. در معادله RNG k-ɛ، فرمول تحلیلی برای محاسبه عدد پرانتل آشفته وجود دارد ولی در مدل k-ɛ، از یک مقدار ثابت که استفاده کننده مدل به آن معرفی میکند استفاده میگردد. در مدل RNG k-ɛ، تأثیر گرداب در آشفتگی لحاظ میگردد لذا دقت حل جریانهای چرخشی را بالا میبرد.
نرمافزار Flow3D از پنج مدل آشفتگی طول اختلاط پرانتل، مدل تک معادلهای، دومعادلهای k-ɛ، دومعادلهای RNG k-ɛ و روش گردابهای بزرگ (LES) بهره میبرد.
3-4-4 شبیهسازی عددی مدلدر این تحقیق، شبیهسازی عددی شامل دو قسمت میباشد:
1- قسمت اول مربوط به شبیهسازی هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه است که آزمایشات بکار رفته جهت واسنجی مدل، در کانال با مقیاس کوچک انجام شده است. کانال با مقیاس کوچک دارای طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر بوده که سازه ترکیبی مورد نظر با ضخامت 3 میلیمتر و در فاصله 2 متری از ابتدای کانال تعبیه شده است.
همچنین با استفاده از مدل واسنجی شده با دادههای آزمایشگاهی مربوط به هیدرولیک جریان، مدلهایی مربوط به سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی مدل شده و تأثیر میزان انقباض سرریز- دریچه بر نسبت دبی عبوری از روی سرریز به دبی عبوری از زیر دریچه بررسی شد.
2- قسمت دوم مربوط به شبیهسازی حفره آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه است که برای شبیهسازی عددی آبشستگی، از آزمایشات انجام شده توسط شهابی و همکاران (1389) در کانال با مقیاس بزرگ استفاده شده است. کانال با مقیاس بزرگ دارای طول 12 متر، عرض و ارتفاع 6/0 متر است. کف کانال به ارتفاع 25 سانتیمتر از رسوبات یکنواخت با D50= 1.5 mm و ضریب یکنواختی 18/1 پوشانده شده است. دریچه و سرریز ترکیبی با ضخامت 6 میلیمتر و در فاصله 4/6 متری از ابتدای کانال نصب شده است.
پس از واسنجی نرمافزار، مدل برای شرایط هندسی و هیدرولیکی مختلف اجرا شد و با انتگرال‌گیری پروفیل سرعت بالای سرریز و زیر دریچه، نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (QsQg) محاسبه شد. مشخصات مدلسازیهای انجام شده برای آبشستگی در جدول (3- 3) ارائه داده شده است.
جدول 3-3 محدوده دادههای بهکار رفته جهت شبیهسازی آبشستگیبازشدگی دریچه (cm) ارتفاع سازه (cm) مقادیر دبی (lit/s)
2 ، 1 8 34/11 66/10 98/9 68/8 52/7
2 ، 1 10 1/15 86/13 6/12 33/11 78/9
2 ، 1 12 26/16 14/15 4/14 88/13 3/11
3 ، 4 10 11/20 87/18 52/17 27/16 1/15
مراحل اصلی شبیهسازی عددی در نرمافزار Flow3D عبارتند از:
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدلدر صورتی که هندسه مدل آزمایشگاهی به صورت منظم باشد میتوان شکل آن را در خود نرم‌افزار Flow3D ترسیم نمود اما در صورتی که مدل مورد نظر شکل نامنظم داشته باشد نرمافزار قادر خواهد بود فایلهای ایجاد شده در نرمافزارهایی نظیر اتوکد و همچنین فایلهای توپوگرافی به صورت X, Y, Z را مورد استفاده قرار دهد. در این تحقیق، مدلهای بکار رفته در خود نرمافزار ترسیم شده است.
3-4-4-2 شبکهبندی حل معادلات جریانیکی از مهمترین نکاتی که بایستی در شبیهسازی عددی مورد توجه قرار بگیرد، شبکهبندی مناسب برای حل دقیق معادلات حاکم است. ساختن شبکه مناسب برای میدان حل معادلات، دقت محاسبات، همگرایی و زمان محاسبات را تحت تأثیر قرار میدهد. در کلیه مدلهای عددی صورت گرفته، ابعاد شبکه طوری تعیین شد که پارامترهای کنترل شبکه از قبیل حداکثر نسبت ابعاد شبکه در راستای طولی و عمقی و ضریب نسبت ابعاد شبکه در راستاهای مختلف و در مجاورت یکدیگر مناسب انتخاب شده باشد. برای نتایج دقیق و مؤثر، مقدار هریک از دو پارامتر فوق باید به عدد 1 نزدیک بوده و مقدار نسبت ابعاد شبکه در مجاور یکدیگر از 25/1 و همچنین نسبت ابعاد شبکه در راستاهای مختلف از 3 نباید بیشتر باشد (فلوساینس، 2008).
در بخش شبیهسازی هیدرولیک جریان که در کانال با مقیاس کوچک صورت گرفت، مشبندی شبکه جریان، به صورت سهبعدی و ابعاد شبکه در هر سه بعد یکسان و برابر 5 میلیمتر در نظر گرفته شد. (در صورتی که مشبندی شبکه جریان، یکنواخت صورت گرفت نتایج حاصل از مدل به دادههای آزمایشگاهی نزدیکتر و دقت مدل عددی بیشتر میشد). برای این مدلسازی، زبری کف کانال و بدنه سازه برابر 5/1 میلیمتر انتخاب شد.
مشبندی در مقطع عرضی مشبندی در مقطع طولی

شکل 3-10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک
در بخش شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی که در کانال با مقیاس بزرگ انجام شده است، جهت کاهش زمان تحلیل نرمافزار، شبکه جریان به صورت دوبعدی مشبندی شده و ابعاد شبکه در راستای Z به صورت یکنواخت و برابر 5 میلیمتر و در راستای X به صورت غیر یکنواخت و در نزدیکی سازه مورد نظر، تعداد مش بیشتر و اندازه آنها ریزتر در نظر گرفته شد به طوری که اندازه مش بین 6 تا 20 میلیمتر متغیر است. برای این مدلسازی، زبری کف کانال یکسان با قطر متوسط رسوبات و برابر با 5/1 میلیمتر انتخاب شد.
1501775101346000
شکل 3-11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ
3-4-4-3 شرایط مرزی کاناللایه مرزی ابتدا و انتهای مشها در کانال با مقیاس کوچک بر اساس جدول و شکل زیر تعیین شده است.

شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلبجدول 3-4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزارورودی کانال خروجی کانال دیوارههای کناری کانال کف کانال سقف کانال
دبی ورودی جریان خروجی دیوار دیوار تقارن

لایه مرزی ابتدا و انتهای مشها در کانال با مقیاس بزرگ بر اساس جدول و شکل زیر تعیین شده است.

شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوبجدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزارورودی کانال خروجی کانال دیوارههای کناری کانال کف کانال سقف کانال
فشار ثابت جریان خروجی دیوار دیوار تقارن
برای انتخاب فشار ثابت برای ورودی کانال، ارتفاع سیال در قسمت فشار ثابت برابر عمق ابتدایی جریان در حالت آزمایشگاهی انتخاب شد.
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدلبرای مدلسازی هیدرولیک جریان در بستر صلب، شرایط فیزیکی حاکم بر جریان، به صورت زیر انتخاب شد:
1- مقدار شتاب ثقل در جهت عکس عمق جریان و برابر 81/9- انتخاب شد.
2- چون سیال مورد استفاده در آزمایشات، آب زلال در نظر گرفته شده بود سیال از نوع نیوتنی انتخاب شد.
3- به‌دلیل آشفتگی جریان در آزمایشات، دو مدل آشفتگی k-ɛ و RNG k-ɛ در نرمافزار مورد ارزیابی قرار گرفت.
برای مدلسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی، شرایط فیزیکی حاکم بر جریان به صورت زیر انتخاب شد:
1- مقدار شتاب ثقل در جهت عکس عمق جریان و برابر 81/9- انتخاب شد.
2- چون سیال مورد استفاده در آزمایشات، آب زلال در نظر گرفته شده بود سیال از نوع نیوتنی انتخاب شد.
3- به دلیل آشفتگی جریان، سه مدل آشفتگی k-ɛ ، RNG k-ɛ و LES در نرمافزار مورد ارزیابی قرار گرفت.
4- مشخصات رسوبی که در مدلسازیها جهت کالیبراسیون حداکثر عمق آبشستگی تعریف شد در جدول زیر ارائه داده شده است:
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوبپارامتر مورد نظر مقدارهای انتخاب شده
ضریب دراگ 5/1 2/1 1 5/0
عدد شیلدز بحرانی 15/0 1/0 05/0 035/0
زاویه ایستایی 40 35 30
حداکثر ضریب تراکم مواد بستر 8/0 74/0 7/0 6/0 4/0 38/0
ضریب تعلیق مواد بستر 026/0 018/0 01/0
ضریب بار بستر 16 8
عوامل مؤثر در کالیبراسیون حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست سازه، پارامترهای حداکثر ضریب تراکم مواد بستر، عدد شیلدز بحرانی، ضریب دراگ، زاویه ایستایی و همچنین نوع مدل آشفتگی بودند.
3-4-4-5 شرایط اولیه جریانقبل از وارد کردن جریان در مدلسازی عددی، حالت اولیه کانال را انتخاب میکنند که در این تحقیق، قبل از ورود جریان، کانال تا قبل از سازه و تا لبه تاج سرریز از سیال مورد‌نظر در نظر گرفته شد.
3-4-4-6 زمان اجرای مدلنکته دیگری که در شبیهسازیهای عددی بسیار مهم است، زمان اجرای مدل تا رسیدن به یک مقدار مناسب از لحاظ پایداری و ماندگاری جریان است. بنابراین در کلیه آزمایشات شبیهسازی شده، زمان اجرای مدل برای شبیهسازی هیدرولیک جریان بین 30-15 ثانیه و برای شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی بین 5000 - 4000 ثانیه در نظر گرفته شد، که با سپری شدن این مدت زمان، جریان در کانال به صورت یکنواخت میشود.

شکل 3-14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان

user8341

H1ProtiumH2DeuteriumH3TritiumRWMResistive-Wall ModeRFPReversed field pinch NTMNeoclassical Tearing-ModeMHDMagnetohydrodynamicTFToroidal Fieldمقدمه
مقدمهیکی از مهمترین اهداف بشر در جهتگیری زمینههای تحقیقاتی و پژوهشی، دستیابی به منابع جدید انرژی می‌باشد. در این راستا بشر تلاش کرده است تا با ساخت رآکتورهای هستهای، به منبعی از انرژی دست یابد که بتواند مدت زمان بیشتری از آن، نسبت به سوخت‌های فسیلی استفاده کند. بطور کلی دو شیوه بنیادی، برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد: شکافت هستهای و همجوشی هسته‌ای.
مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای، فراوانی بسیار زیاد منابع سوختی آن (سوخت اصلی راکتورهای همجوشی دوتریوم می‌باشد که در آب دریاها به وفور وجود دارد. تولید انرژی بالاتر نسبت به روش شکافت هسته‌ای به ازای هر نوکلئون از ماده سوخت (به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدار کافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل، انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]، عدم وجود معضل پسماندهای هسته‌ای با طول عمر طولانی در روش همجوشی و در نهایت ایمن‌تر بودن راکتورهای همجوشی در هنگام وقوع حوادث احتمالی است که سبب برتری آن بر شکافت هستهای گردیده است. سوخت‌های متنوعی در فرایند همجوشی هستهای قابل بکارگیری می‌باشد. از آن جمله دوتریوم-تریتیوم(D-T) ، دوتریوم-هلیوم 3 (D-3He)، دوتریوم-دوتریوم (D-D) و تریتیوم-تریتیوم (T-T) می‌باشد. بیشتر تحقیقات انجام شده در فرایندهای همجوشی بر روی سوخت D-T انجام شده است و علت عمده آن نیز بالا بودن سطح مقطع واکنش پذیری این سوخت نسبت به سایر سوخت‌ها در بازه‌ی دمایی عملکردی راکتورها می‌باشد. این سوخت در کنار مزیت ذکر شده و سایر مزیت ها محدودیتهایی نیز دارد، نظیر پرتوزایی زیاد و گران بودن سوخت تریتیوم که جزو مواد اولیه این واکنش‌ها است. از طرفی دیگر واکنش همجوشی D-3He از میان سایر سوخت‌ها، به دلیل بازدهی بالاتر، تبدیل مستقیم انرژی و کاهش خطرات ناشی از تابش، هزینه تعمیر و نگهداری پایینتر و... مورد توجه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2-4]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Kulcinski</Author><Year>1992</Year><RecNum>3</RecNum><record><rec-number>3</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060514">3</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Kulcinski, G. L.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Fusion Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology</full-title></periodical><volume>21</volume><number>1779</number><dates><year>1992</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2003</Year><RecNum>4</RecNum><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060578">4</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Science and technology</secondary-title></titles><volume>44</volume><number>289</number><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2-4]. که این فرایند در راکتورهای متفاوت با شرایط مختلفی قابل انجام است.
لذا با این مقدمه از فرایند همجوشی هستهای، در فصل اول به بیان روشهای مختلف همجوشی هستهای و سوخت‌های قابل استفاده می‌پردازیم. در فصل دوم سینتیک فرایند همجوشی دوتریوم و هلیوم 3 و پارامترهای موثر بر همجوشی تشریح شده و به بررسی پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسی پرداخته و فرایند با پارامتر مورد نظر شبیه سازی میگردد. در فصل چهار برخی از روشهای کنترل ناپایداری در راکتور بیان شده و در ادامه نتایج حاصل از شبیه سازی به کمک پارامترهای ترمودینامیکی مربوط به سوخت دوتریوم و هلیوم 3 با نتایج بدست آمده در سایر مطالعات مقایسه می‌شود.
فصل اول
همجوشی هستهای
فصل اول-همجوشی هسته‌ایواکنش‌های هسته‌ای تبدیلات خودبخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌ها به هسته دیگر که سبب تغییر ساختار هسته یا تغییر تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) می‌گردد، واکنش‌های هسته‌ای نام دارند. همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای، دو روش اصلی انجام واکنش‌های هسته‌ای می‌باشد.
شکافت هسته‌ایدر واکنش شکافت، هسته‌ی سنگین یک عنصر رادیو اکتیو مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه می‌شود. به طور مثال اورانیوم 235 مورد اصابت یک نوترون قرار می‌گیرد و هسته فوق‌العاده ناپایداری تشکیل می‌شود که تقریبا بلافاصله می‌شکافد و کریپتون و باریم و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود. که ناشی از تبدیل جرم ناپدید شده (با مقایسه میان جرم سوخت‌های اولیه و محصولات واکنش) به انرژی است. این انرژی حدود 5 دهه است که مورد استفاده قرار گرفته است اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شکافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن که حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شکافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت تنها در یک سده کفایت می‌کنند.
موادی که انجام یک واکنش شکافت هسته‌ای را ممکن می‌سازند عبارتند از: 239Pu ، 235U ، 238U ، و ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.
در اثر برخورد نوترون حرارتی به ایزوتوپ235U ، هسته اتم به 235U تحریک شده تبدیل می‌شود. اورانیوم تحریک شده بعد از شکافت، به باریم و کریپتون و سه نوترون تبدیل می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Krane</Author><Year>1996</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060620">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Krane, K.S.; </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Modern Physics. published by Wiley</secondary-title></titles><periodical><full-title>Modern Physics. published by Wiley</full-title></periodical><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5].
1n + 235U → 236U → 144Ba+89Kr + 3 1n
اما مسئله مهمتر اینکه هر نوترون‌ آزاد شده بر اثر شکافتن هسته 235U می‌تواند دو هسته دیگر را شکافته و چهار نوترون را بوجود آورد. شکافت هسته‌ای و آزاد شدن نوترون‌ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود. در واکنش‌های کنترل شده تعداد شکافت در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگه‌داشته می‌شود. برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون‌های اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست. زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکافته می‌شود تولید عناصر استرتیوم 90، کریپتون 91، ایتریوم 91، زیرکونیوم 95، 126I ، 137U ، باریم 142، سریم 144 امکان پذیر هستند.
همجوشی هسته‌ایواکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هستههای چهار اتم هیدروژن معمولی (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زیادی انرژی ناشی از تبدیل جرم به انرژی است (E=mc2)، یک هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wilhelemsson</Author><Year>2004</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060659">6</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wilhelemsson, H.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion and the cosmos</title><secondary-title>Condensed Matter Physics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Condensed Matter Physics</full-title></periodical><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
در کره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید کرد؛ که البته همه در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند. همجوشی هسته‌ای به دلیل پرتوزایی کمتر و ایمنی بیشتر و فراوانی بیشتر سوخت اولیه برای انجام واکنش‌ها نسبت یه شکافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ، به تعداد زیادی از واکنش‌هایی که با هم رخ دهند، نیاز است. دافعه‏ی کولنی، مانع رخ دادن همجوشی هسته‏ای می‏گردد. برای غلبه بر این دافعه، به دما و چگالی بالایی مورد نیاز است. در نتیجه سوخت باید در حالت پلاسما باشد.در دمای به قدر کافی بالا، سرعت‏های حرارتی ذرات خیلی زیاد خواهند شد. در این صورت، ذرات این فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ی کافی به هم نزدیک شده، بر دافعه‏ی کولنی چیره شوند وتوانایی پیوند داشته باشند. در طی این فرایند انرژی بسیار زیادی آزاد میگردد.
اگر چگالی پلاسما بیشتر از ١٠20 یون در هر سانتی‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازی می‌تواند کوتاهتر باشد. اگر پلاسما خیلی فشرده شود، زمان محصورسازی، بی نهایت کوتاه و انرژی آزاد شده، فوقالعاده شدید است. در این صورت با یک بمب سر و کار خواهیم داشت نه یک راکتور کنترل شده. بههمین دلیل، با وجود آن که وظیفه محصورسازی مشکل میگردد، چگالی پلاسما در حداقل نگه داشته می‌شود.
بطور عملی هنوز محفظهای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود چند صد میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظههایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهای پایینتر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگانی نظیر خورشید کره عظیم پلاسمای خود را از طریق جاذبه حفظ میکنند. پلاسما از ذرات باردار تشکیل یافته است. این ذرات نمی توانند خطوط میدان مغناطیسی را قطع کنند، اما حول این خطوط میچرخند. این نکته، خلاصهای از مبنای فکری طرح محصورسازی پلاسما توسط خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل داده است.
در یک تعریف کلی فرایند جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره‌های مخزنی که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌ها توسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازی نامیده می‌شود.

شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>McCollam</Author><Year>2013</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061554">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>McCollam, K.; </author></authors></contributors><titles><title>Magnetic confinement in plasma physics</title><secondary-title>UW–Madison Physics Dept.</secondary-title></titles><periodical><full-title>UW–Madison Physics Dept.</full-title></periodical><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]
انتخاب سوخت مناسبباتوجه به فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها، مشخص شده است که واکنشهای همجوشی بسیاری وجود دارد. متغیرها برای واکنشهای مختلف، هستههای سوخت درگیر، محصولهای واکنش که خارج می شوند، مقدار واکنش و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی واکنش دهندهها، می باشند.
برهم کنش ایزوتوپهای هیدروژنی (دوتریم وهلیوم 3) یکی از واکنش‌های مورد توجه در فرآیند همجوشی میباشد. به دلیل این‌که ایزوتوپ های هیدروژن فقط یک بار الکتریکی دارند و انرژی حرارتی کمتری برای نزدیک شدن به یکدیگر نیاز دارند، به عبارت دیگر در دماهای پایین همجوشی ایزوتوپهای هیدروژن اتفاق میافتد. به علت عدد اتمی واحد ایزوتوپها، این برهم کنش هیدروژنی دارای قابلیت نفوذ بسیار بالایی در سد کولنی میباشد. برای تعیین سوخت‌های همجوشی مناسب، باید در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرایط نگهداری و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخی از واکنش‌های گوناگون همجوشی، شامل واکنش‌های ذکر شده در جدول(1-1) می‌باشد. در بیشتر واکنش‏های همجوشی، دو هسته‏ سبک با هم ترکیب و به هسته‏‏ سنگین‏تر تبدیل می‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏ای آن‏ها به صورت زیر است:

جدول1-1- برخی از واکنش‌های همجوشی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
سوخت واکنش همجوشی شکل اختصاری بهره انرژی بر حسب ژول
DT D+T→42He+10n T(d,n)4He 2.8×10-12
DDn D+D→32He+10n D(d,n)3He 5.24×10-13
TT T+T→42He+10n+10n T(t,2n)4He 1.81×10-12
DDp D+D→T+P D(d,P)T 6.46×10-13
D-3He D+32He→42He+P 3He(d,P)4He 2.93×10-12
P_6Li P+63Li→42He+32He 6Li(p,x)3He 6.44×10-13
P_11B P+115B→3(42He) 11B(p,2x)4He 1.39×10-12
واکنش D-T دارای بیشترین سطح مقطع میباشد، مقدار بیشینه سطح مقطع آن 5 بارن برآورد شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>al.</Author><Year>2002</Year><RecNum>111</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>111</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="tx9da0v069srt5eteeoxtwa7fvfdz5wd09zx" timestamp="0">111</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>HarmsA. et al.</author></authors></contributors><titles><title>Principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World Scientific Publishing Co. pte. 1td.</secondary-title></titles><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
(1-1)
واکنش همجوشی قابل دسترس دیگر، در برگیرندهی هستهی دوتریم به عنوان سوخت است:
(1-2)
این نمایش نشان میدهد که واکنش D+Dاز طریق دو کانال واکنش متمایز، همجوشی میکند که تقریبا با احتمالهای برابر صورت میگیرد. سطح مقطع برای هریک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از این دو واکنش در مییابیم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Biberian</Author><Year>2009</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061676">9</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Biberian, J.P.;</author></authors></contributors><titles><title>Experiments and Methods in Cold Fusion</title><secondary-title> Journal of Condensed Matter Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>2</volume><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9].
همچنین ممکن است دوتریم، با محصولهای واکنش تریتیوم و هلیوم-3 همجوشی کند که افزون بر معادله‌ی (1-1)، داریم:
(1-3)
واکنش همجوشی یاد شده، در برگیرندهی دوتریم و همچنین هستههای سبک دارای جرم بیشتری هستند. از مزایای این واکنش نسبت به D-D میتوان به سوختی رادیواکتیو نبودن و یک واکنش نوترونیک بودن اشاره کرد. به عبارت دیگر در مسیر واکنش همجوشی هیچ نوترونی تابش نمیکند، در نتیجه تابش نوترون به طور چشمگیری کاهش مییابد که میتواند به معنای یک محافظ خیلی ارزان برای راکتور استفاده شود؛ زیرا تابشهای نوترونی باعث تخریب دیواره راکتور میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Brereton</Author><Year>1988</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061736">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Brereton, S. J.; Kazimi, M. S.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Engineering and design</secondary-title></titles><volume>30</volume><number>207</number><dates><year>1988</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]. قلهی آهنگ واکنش برابر با58 است. اما تولید هلیوم -3 بسیار سخت است، در حال حاضر میتوان آن را محصولی از راکتورهای شکافت دانست، زیرا تریتیوم تولید شده در راکتورهای شکافت به طور طبیعی بعد از مدتی به هلیوم 3 واپاشی میکند.
اگر این شکل ادامه یابد، برای واکنش هستهای ، تعداد زیادی کانالهای واکنش مشخص شده است:
(1-4)
واکنشهای هستهای که درگیر هستههای سبک، مانند پروتون، میباشند ممکن است مطابق فرآیندهای زیر روی دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]:
(1-5 الف) (1-5 ب)
(1-5 ج)
و همچنین دیگر واکنشهای مبتنی بر و ، عبارتند از:
(1-6)
(1-7)
(1-8)
نمایش فیزیکی واکنشهای همجوشی، تنها بررسیهای لازم برای تعیین و گزینش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشی نیست بلکه بررسیهای دیگری در برگیرندهی قابل دسترس بودن سوختهای همجوشی، سختی در نگهداری و دانسیتهی میزان واکنش کافی، نیز لازم میباشد.
تاکید بر دیگر نکات واکنشهای همجوشی یاد شده، ضروری است. در هر حالت، کسرهای مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژی جنبشی ذرات باردار و نوترونهای خنثی باقی میماند، در نتیجه ایدهی یک راکتور همجوشی پایه گذاری شده با بازده بالا؛ تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار، به ویژه برای واکنشهایی که کسر بزرگتری از مقدار آنها در شکل انرژی جنبشی باردار باقی میماند، مناسب به نظر میرسد. این نکته به طور ویژهای مورد توجه است؛ چرا که نوترونهایی که به عنوان محصول واکنش همجوشی پدیدار میشوند، به گونهی تغییر ناپذیری به محصولات رادیو اکتیو در مواد مهارکننده قلب همجوشی کمک میکنند.
کمیتی مهم در ارتباط با واکنش‌های هسته‌ای، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعریف می‌شود. برای وقوع واکنش همجوشی، دو هسته‏ی باردار مثبت باید با غلبه بر نیروی دافعه‏ی کولنی، با هم برخورد کنند. تابع پتانسیل دافعه‏ی کولنی به صورت زیر است:

که Z1 , Z2، عدد اتمی هسته‌های برهم‌کنش کننده می‌باشد.
نیروی دافعه‏ی کولنی در فاصله‏ بیشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه‏ زیر بدست می‏آید:

که A1,A2 اعداد جرمیِ هسته‌های برهم‌کنش‏ کننده هستند.
شکل1-2 نشاندهنده انرژی پتانسیل برحسب فاصله‏ دو هسته‏ باردار می‌باشد که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند و نشان‏دهنده‏ چاه هسته‏ای، سد کولنی و نقطه‏ی بازگشتی کلاسیکی است.

شکل 1-2- انرژی پتانسیل بر حسب فاصله‏ی دو هسته‏ی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].در فاصله‏ی r <rn، دو هسته تحت تأثیر نیروی جاذبه‏ی هسته‏ای قرار می‏گیرند که با چاه پتانسیل به عمق، مشخص می‌شود. با استفاده از معادلات می‏توان ارتفاع سد پتانسیل را پیدا کرد:

بر طبق مکانیک کلاسیک، فقط هسته‌هایی با انرژی بیشتر از این مقدار می‏توانند بر سد کولنی غلبه کرده و با هم برخورد کنند و هسته‌هایی با انرژی نسبی () کمتر از، می‏‏توانند تا نقطه‏ی بازگشت کلاسیکی به هم نزدیک شوند. ولی در مکانیک کوانتومی، واکنش همجوشی بین دو هسته با انرژی کمتر از سد کولنی، نیز ممکن است؛ چون تونل‏زنی از سد کولنی مجاز است. پارامترهای دخیل در برهم‌کنش بین پرتابه و هدف، سطح مقطع واکنش و واکنش‏پذیری هستند.
ایده‌های راکتور همجوشیانواع روشهای محصورسازی مورد استفاده در راکتورهای همجوشی هسته‌ای، همجوشی از طریق محصورسازی اینرسی، همجوشی از طریق کاتالیزور میون و محصورسازی از طریق محبوس کردن مغناطیسی می‏باشند که هدف هر سه روش، برآورده ساختن معیار لاوسون می‌باشد. محصورسازی لختی، فرایند نگهداری پلاسما را در چگالی‏های بالا و در زمان کوتاه انجام می‏دهد و محصورسازی مغناطیسی، پلاسما را در چگالی‏های پایین، در زمان نسبتاً طولانی محصور می‏سازد و روش کاتالیز میون در دماهای معمولی رخ می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
1-5-1- همجوشی هستهای کنترل شده توسط لختی(ICF)زمان محصورسازی در محصورسازی لختی خیلی کوتاه است. در نتیجه برای داشتن نرخ واکنش همجوشی بیشتر، نیازمند چگالی بالای پلاسما هستیم. در این روش، سوخت با استفاده از نیروهای قوی بیرونی، باید تا 1000 برابر چگال‌تر از حالت جامد فشرده شود.
کپسول با استفاده از پرتوهای محرک که از اطراف سطح خارجی آن تابیده می‌شود، متراکم می‌گردد. در محصورسازی به روش لختی، از روش‌های مختلفی برای تراکم کپسول استفاده می‌شود. در هر کدام از این روش‌ها سعی بر آن است که نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را بالا ببرند. نوع پرتوهای محرک که برای تراکم کپسول استفاده می‌شود، عامل اصلی بالا و پایین بردن بهره انرژی در ICF می‌باشد. از پرتوهای لیزرهای پر توان پالسی، باریکه‌هایی از ذرات باردار نظیر یون‌های سنگین، یون‌های سبک و باریکه‌های الکترونی برای متراکم نمودن کپسول‌ها می‌توان استفاده کرد. این پرتوهای محرک که بصورت پالس‌هایی با توانW‌ 1014 تهیه می‌شود، دارای بهره انتقال انرژی متفاوتی به کپسول هستند. پرتوهای لیزری و باریکه‌های یون سنگین نسبت به سایر پرتوهای محرک به علت بهره بالاتر جذب انرژی در کپسول‌ها مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. در طراحی کپسول‌های سوخت هر دو روش پرتوهای محرک لیزری و باریکه‌های یون سنگین مورد بررسی قرار گرفته است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].
انتخاب پرتوهای یون سنگین به علت قابلیت بالای انتقال انرژی به کپسول، بالای 25 درصد در مقایسه با باریکه‌های لیزری با بهره‌ی انرژی کمتر از 10 درصد روشی موثر به ‌شمار می‌رود که به خاطر ناپایداری‌هایی که در اثر نایکنواختی و ناهمزمانی باریکههای یونی اتفاق می‌افتد، اخیرا بصورت غیر مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. نور لیزر، ساده‌ترین و کم هزینه‌ترین روشی است که طراحان از آن برای تراکم کپسول استفاده می کنند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].

شکل 1-3- نمایی از کپسول هدف ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
کپسول هدف در این روش، قرص کوچکی با شعاع کمتر از ، حاوی یک لایه‏ی کروی است که بطور مثال با گاز دوتریوم– تریتیوم بصورت متقارن و یکنواخت بصورت شکل 1-3 پر شده است. این لایه، حاوی یک ماده با Z بالا در ناحیه‏ی خارج و DT در داخل است که توده‏ی سوخت را تشکیل می‏دهد.
برای رسیدن به شرایط دما و چگالی بالای مورد نیاز برای همجوشی، باید این کپسول تا جایی که ممکن است به طور متقارن و با انرژی انفجاری خیلی زیادی تابش ببیند. انرژی مورد نیاز، برای راه‏اندازی این فرایند بسیار زیاد است. برای گرمایش یک کپسول سوخت با قطر ، تا دمای، به اندازه‏ی انرژی مورد نیاز است که این انرژی می‌تواند با نور شدید لیزر یا توسط پرتوهای یونی تامین شود. این مقدار انرژی باید در چند پیکوثانیه به قسمت خارجی لایه‏ی هدف منتقل شود. به دلیل انفجار انرژی روی قسمت خارجی لایه‏ی هدف، این لایه‏ گرم شده بلافاصله یونیزه و تبخیر می‌شود. این فرایند کندگی نام دارد. وقتی این قسمت کنده می‌شود، قسمت داخلی و سوخت به دلیل بقای اندازه‏ حرکت، به سمت داخل رانده می‌شود (شکل1-4). در حین این رانش، چگالی سوخت تا چند صد گرم بر سانتیمتر مکعب و دمای سوخت تا حد دمای احتراق برای همجوشی افزایش می‌یابند. در نتیجه، احتراق رخ می‏دهد و فشاری به سمت خارج ایجاد می‌شود که بر موج انفجار به داخل غلبه کرده و منجر به انفجاری به خارج می‌شود. بدین ترتیب چگالی و دمای مورد نظر بدست می‏آیند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].

شکل 1-4- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
1-5-2- همجوشی هستهای توسط کاتالیزور میون(µCF)
روش دیگری برای رسیدن به انرژی همجوشی هسته‌ای در سال 1957 مطرح شد، که تحت عنوان همجوشی از طریق کاتالیزر میون معروف است و یک فرآیند همجوشی گسترده و تجدید پذیر است که در دماهای معمولی رخ می‌دهد. همانطور که گفته شد یکی از مهم‌ترین مسایل در فرآیند همجوشی، غلبه بر نیروی دافعه‌ی کلونی و ایجاد شرایطی که یون‌ها در محدوده‌ی نیروهای جاذبه‌ی نیرومند هسته‌ای قرار گیرند، می‌باشد. پیدایش میون در مدار اتم هیدروژن، اثر کاهش دافعه‌ی نیروی کلونی دارد. میون ذره‌ای بنیادی است که خواص آن مانند الکترون است، با این تفاوت که جرم میون تقریبا 207 برابر جرم الکترون است و ذره‌ای ناپایدار با زمان عمر µS2/2 می‌باشد. پس از گذشت این زمان میون به یک الکترون e- و یک نوترینوی میونی و به یک پادنوترینوی الکترونی واپاشی می‌کند. بصورت دقیق در اوایل 1980مورد مطالعه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
جرم زیاد میون نسبت به الکترون، به آن اجازه می‌دهد که وارد مدار اتم هیدروژن با شعاع بوهر، 207 مرتبه کوچکتر از شعاع الکترون شود و این باعث می‌شود که این اتم هیدروژن نسبت به دیگر اتم‌ها یا یون‌های هیدروژن، سنگین‌تر است. بنابر این، این هسته‌ی سنگین به دلیل کاهش نیروی دافعه‌ی کلونی می‌تواند با صرف انرژی کمتری به اتم‌ها و یون‌های دیگر هیدروژن، بسیار نزدیک شود و هنگامیکه هیدروژن میون‌دار و هیدروژن معمولی به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که تغییرات توزیع بار را احساس کنند، به حدی رسیده‌اند که نیروهای جاذبه‌ی هسته‌ای بین آن‌ها ایجاد شده است و پدیده همجوشی را بوجود می‌آورد بنابر این یکی از روش‌های ایجاد همجوشی در دمای پایین استفاده از کاتالیزور میون است.
میون اولین بار توسط اندرسون وندرمییر در سال ١٩٣٧ کشف شد. از طرف دیگر هنگامی که پاول ذره پایون را در سال ١٩۴٧ کشف کرد، فرانک پیشنهاد کرد که پایون‌های منفی می‌توانند به کمک محصور سازی شیمیایی، واکنشهای همجوشی را کاتالیز نمایند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Frank</Author><Year>1947</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062414">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Frank, F.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Nature</secondary-title></titles><volume>160</volume><number>525</number><dates><year>1947</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]:
pπ + d → pdπ→3He + π(1-9)
با وجود اینکه، احتمال جذب پایون توسط هسته بسیار بزرگ است، اما پایون زمان کافی برای تشکیل pdπ را نخواهد داشت. یک سال بعد، ساخارف پیشنهاد همجوشی کاتالیزور میونی را مطرح کرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sakharov</Author><Year>1948</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062457">18</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sakharov, A.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Lebedev Physics Institute Report</secondary-title></titles><periodical><full-title>Lebedev Physics Institute Report</full-title></periodical><dates><year>1948</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
به دلیل اینکه تشکیل مولکول‌های میون‌دار در اثر فرایندهای برخوردی چند مرحله‌ای صورت می‌گیرد، بازده همجوشی کاتالیزور میونی، به شرایط ماکروسکوپی از قبیل دما، چگالی محیط و کسر غلظت‌های هیدروژن مایع و ضریب چسبندگی میونی وابسته است و می‌تواند به کمک تئوری سینتیکی که اساس آن آهنگ‌های برخوردی میکروسکوپی و سطح مقطع‌ها می‌باشد بهینه گردد. در سال‌های اخیر برای افزایش چرخه میونی، مخلوط سه تایی H/D/T پیشنهاد شده، که گزارشات و مقالات متناقضی در مورد افزایش یا کاهش ضریب تکثیر میونی گزارش شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1998</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[17-19]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062505">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; and Deilami S.;</author></authors></contributors><titles><title>Stability studies of D/T/H sys-- using Hurwitz method</title><secondary-title>IPAC, Kerman</secondary-title></titles><periodical><full-title>IPAC, Kerman</full-title></periodical><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Markushin</Author><Year>1991</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062559">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Markushin, V. E.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> Kinetics of muon catalyzed fusion in the triple H2-D2-T2 mixture atlow deuterium and tritium concentrations</title><secondary-title> Technical Report PSI-PR-41-92, Preprint from Paul Scherrer Institute, Villigen</secondary-title></titles><dates><year>1991</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1999</Year><RecNum>22</RecNum><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062767">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Journal of Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>36</volume><number>1</number><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17-19].
1-5-3- محصورسازی مغناطیسی (MCF) در محصورسازی مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی و الکترونیکی برای گرما دادن و فشردن پلاسمای هیدروژن در راکتور ITER استفاده میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
راکتورهای همجوشی هستهای که در آنها پلاسما به روش مغناطیسی محصورشده است براین اساس که میدان مغناطیسی تمام یا قسمتی از سطح پلاسما را بپوشاند، به دو گروه زیر تقسیم شدهاند:
چنبرهای
انتها باز
از معروفترین ماشین‌های پینچ می‌توان از تتا پینچ و Z پینچ نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Polsgrove</Author><Year>2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[21]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062899">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Polsgrove, T.; Robert, S.F.; Adams ,B;</author></authors></contributors><titles><title>Design of Z-pinch and Dense Plasma Focus Powered Vehicles</title><secondary-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</secondary-title></titles><periodical><full-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</full-title></periodical><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]. این سیستم‌ها آرایش استوانه‌ای دارند. در تتا پینچ جریانی از یک سیم‌پیچ استوانه‌ای پلاسما را دور می‌زند، و میدان حاصل از آن منجر به محصورسازی آن می‌شود. در Z پینچ توسط الکترودهایی که در قاعده‌ها قرار دارد جریانی در جهت محوری تولید می‌شود میدان ناشی از آن، پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
پینچ معکوس نوعی پینچ است که در آن جریانی در خلاف جهت جریان پلاسما اعمال می‌شود. در این دستگاه برهم‌کنش میدان قطبی ناشی از جریان رسانای داخلی، با جریان پلاسما منجر به حرکت پلاسما به سمت خارج می‌شود. در این دستگاه از دو استوانه هم محور به عنوان الکترود استفاده می‌شود. با تخلیه‌ی شعاعی میان دو الکترود میدان مغناطیسی قطبی القا می‌شود که پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
در سیستم‌های آینه‌ای پلاسما، از یک سیم‌پیچ ین-یانگ استفاده می‌شود پلاسما در این آرایش در ناحیه‌ای که از حداقل میدان مغناطیسی برخوردار است، محصور می‌شود. این نوع دستگاه‌ها عملکرد پایا دارند اما در آنها پلاسما از انتهای باز میدان خارج و تلف می‌شود، بنابراین باید از روش‌های کنترل انرژی خروجی استفاده کرد.
از جمله آزمایش‌های آینه‌ای در جهان عبارتند از: GDT و GoL-3-II در روسیه، Qt-UP و Gamma-10 در ژاپن. در حال حاضر با توجه به نتایج عملی و تجربی به دست آمده بیشتر آزمایش‌های مغناطیسی بر توکامک متمرکز شده‌اند. در شکل 1-5 یک راکتور از نوع آینه‌ای نشان داده شده است.

شکل1-5- راکتور آینهای ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Stacy</Author><Year>2010</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText>[22]</DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063009">25</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Stacy, M. Stacey;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion An Introduction to tHe physics and technology of magnetic confinement fusion</title><secondary-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</secondary-title></titles><periodical><full-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22]
همچنین بنابر نوع عملکرد راکتورها، آنها را میتوان به انواع زیر نیز تقسیم بندی کرد (از مهمترین آنها می‎توان به دستگاههای چنبره‎ای مانند توکامک، استلاراتور، چنبره برآمده ، اسفرومک، اسفراتور، تورساترون و دستگاههای انتها بازی چون آینه‎های مغناطیسی، پینچها و پلاسمای کانونی اشاره کرد.):
پایا: در این نوع راکتور واکنش‌های همجوشی به صورت مداوم انجام میگیرند.
تپی: این راکتور به طور مرتب قطع و وصل میگردد. زمان همجوشی تقریبا با زمان محصور بودن پلاسما برابر است.
شبه پایا: در مقایسه با انواع نامبرده، یک راکتور متوسط محسوب میگردد . زمان همجوشی آن اندکی بیشتر از زمان محصور شدن پلاسما است. اما در هر حال زمان محدودی است. (توکامک نمونهای از این نوع راکتور است.)
طبقه بندی انواع راکتور ها برحسب روش محصور کردن پلاسمادر دستگاه چنبره‎ای، پلاسما توسط میدان‌ مغناطیسی محصور می‎گردد. میدان اصلی در توکامک میدان چنبره‎ای است که بطور نمادین در شکل(1-6) نشان داده شده است. در جدول (1-2) نیز خلاصهای از انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما و نوع عملکرد آنها آورده شده است.
جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسماآرایش میدان مغناطیسی دستگاه نوع عملکرد
چنبره ای توکامک شبه پایا
تنگش میدان وارونه شبه پایا
استلاراتور پایا
هلیوترون پایا
تنگش چنبره ای تپی
انتها باز آیینه ای پایا
تنگش مستقیم تپی
پلاسمای کانونی تپی
شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
1-6-1- راکتور توکامکتوکاماک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هستهای است که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روس‌ها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. این سیستمها حاوی پلاسمای سوخت هستند که توسط دو سری میدان مغناطیسی نگهداری میشوند، و شکلی مانند چنبره تشکیل می‌دهند. ITER اسم مجموعهایست که اولین رآکتور همجوشی جهان از نوع توکاماک را ساخته است. این مجموعه متشکل از کشورهای روسیه، اروپا، ژاپن، کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره می‌باشد. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده کرده و توان خروجی این توکاماک 410 مگا وات می‌باشد.
1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITERنمایی از راکتور توکامک ایتر در شکل(1-7) و (1-8) آورده شده است که شامل قسمتهای متفاوتی برای انجام فرایند محصورسازی پلاسما به روش مغناطیسی می‌باشد. این اجزا به همراه فرایندی که در آن انجام می‌گیرد بصورت خلاصه و در حد لزوم در زیر آمده است:
لوله خلأ: پلاسما را نگه داشته و از محفظه فعل و انفعال محافظت میکند
انژکتور پرتو خنثی(سیکلوترون یون): ذرات پرتو را از شتاب دهنده به پلاسما تزریق میکند تا به پلاسما برای رسیدن به دمای بحرانی کمک نماید.
میدان مغناطیسی مارپیچ: رفتار مغناطیسی بسیار قوی که شکل و محتوای پلاسمای استفاده شده در میدان مغناطیسی را محدود میکند.
ترانسفورماتور/ سولنوئید مرکزی: الکتریسیته را برای میدان مغناطیسی مارپیچ تامین میکند.
سیستم خنک کننده: آهنربا را خنک میکند.
سیستم عایق: ساخته شده از لیتیم است؛ گرما و انرژی بالای نوترون را از راکتور همجوشی هسته‌ای جذب میکند.
دایورتور: خروج محصولات هلیم از راکتور همجوشی

شکل 1-7- راکتور توکاماک ایتر ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wagner</Author><Year>2012</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[25]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063339">28</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy by Magnetic Confinement</title><secondary-title> Research Laboratory for Advanced Tokamak Physics, St. Petersburg Polytechnical State</secondary-title></titles><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]

شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><Year>2009</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20]
1-6-3- راکتور اسفرومکاسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکامک که شکل چنبرهای دارد، بصورت کروی است. در مرکز اسفرومک هیچ مادهای وجود ندارد. اسفرومک از ترانسفورماتور (مانند آنچه که در توکامک بکار رفته) برای تولید سطوح پیچیده شار به شکل دوقطبی مورد نیاز برای محبوس سازی استفاده نمیکند بلکه پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند، بوجود می‌آورد. میدان‌های مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند. در اسفرومک شعاع اصلی با شعاع فرعی برابر است یعنی پلاسما مطابق شکل در سیستمی کروی محصور می‎شود.
1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسیغیر از توکامک و اسفرومک دستگاه‌های دیگری برای محصورسازی مغناطیسی وجود دارد ، که تفاوت آنها در نوع آرایش میدان مغناطیسی و شکل آنهاست. برخی از این دستگاهها، تنگش میدان- وارونه، استلاراتور (شکل1-9) و هلیوترون،چنبره فشرده، دستگاه تنگش-تتا، دستگاه تنگش-Z ، پلاسمای کانونی می‌باشد.
استلاراتور وسیله‌ای برای حبس پلاسمای داغ به وسیله میدان مغناطیسی به منظور حفظ یک واکنش همجوشی کنترل شده است و یکی از ابتدایی‌ترین ابزارهای کنترل شده همجوشی بوده که اولین بار توسط لیمان اسپیتزر در سال 1950 اختراع شد. این اختراع تغییر در هندسه دستگاه‌های همجوشی قبلی بود.

شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
از مزایای استلاراتورها می‌توان عدم احتیاج به جریان چنبره‌ای (در نتیجه افزایش احتمال فعالیت مداوم) و ثبات سیستم بیشتر را نام برد.
فصل دوم
سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم – هلیوم 3
فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 3سوخت‌های جدید و خواص آنهامشکلات مربوط به پسمان همجوشی را می‌توان با انتخاب یک سوخت بهتر کاهش داد. کاندیداهای مختلفی برای سوخت‌های همجوشی وجود دارند که سوخت‌های پیشرفته نامیده می‌شوند و تعداد نوترون‌های تولید شده در آن ها نسبت به همجوشی D-T بسیار کمتر است و بنا براین مشکلات مربوط به رادیواکتیویته و ایمنی و زیست محیطی ندارند. به طور کلی، همجوشی غیر نوترونی به هر شکلی از همجوشی اطلاق می‌شود که در آن کمتر از یک در صد از انرژی آزاد شده توسط نوترون‌ها حمل شود، ولی شرایط لازم برای کنترل همجوشی غیر نوترونی بسیار دشوارتر از شرایط لازم برای چرخه سوخت متداول دوتریم-تریتیم است و هنوز به طور تجربی حاصل نشده است.
دلایل اصلی اهمیت مطالعه برای یافتن چرخه‌های سوخت پیشرفته عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14]:
حذف تریتیوم از چرخه سوخت به منظور ساده سازی چرخه سوخت (عدم نیاز به زایش تریتیوم) و افزایش ذخیره سوخت همجوشی (ذخیره لیتیم زمین مقدار کل تریتیمی را که قابل تولید با پوشش‌های زاینده هست محدود می‌کند.)
(حذف و یا کاهش فوق العاده) تولید نوترون در رآکتورهای همجوشی به منظور اجتناب از (یا تا حد ممکن کاهش دادن) فعالسازی اجزای راکتورها و تخریب ناشی از نوترون‌ها.
دو چرخه مهم سوخت پیشرفته p-11B و D-3He می‌باشد، چرخه سوخت D-3He، تعداد خیلی کمتری نوترون نسبت به چرخه سوخت D-T تولید می‌کند و انرژی این نوترون‌ها نیز خیلی کمتر است، بنابراین، میزان تخریب مواد کاهش خواهد یافت. مطالعات نشان داده‌اند که چرخه سوخت D-3He به میزان قابل توجهی مساله طول عمر اجزای راکتور را با کاهش تخریب نوترونی حل می‌کند در حالی که مشکل فعال سازی نوترونی و تولید پسماندهای مربوط به آن کماکان باقی می‌ماند. در این چرخه، تریتیم حذف شده است ولی ایزوتوپ نایاب هلیم 3 جایگزین آن شده است. بر روی زمین در حدود 400 کیلوگرم هلیم3 قابل حصول است که در حدود GW-year 8 انرژی همجوشی بدست می‌دهد و مقادیر بیشتر از این باید یا از طریق واکنش‌هایی که شامل نوترون هستند، تهیه شود (که مزیت بالقوه همجوشی غیر نوترونی را از بین می‌برد) و یا اینکه از منابع ماورای زمین تهیه شود. بر روی سطح ماه در حدود 109 کیلوگرم هلیم3 وجود دارد که معادل هزار سال مصرف انرژی فعلی جهان است. همچنین، در اتمسفر سیارات عظیم گازی در حدود 1023 کیلوگرم هلیوم 3 وجود دارد که قادر است در حدود 1017 سال مصرف فعلی انرژی جهان را تولید کند، یعنی منابع هلیم 3 منظومه شمسی عملا پایان ناپذیرند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063586">29</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J.;</author></authors></contributors><titles><title>A Strategy for D–3He Development</title><secondary-title>Fusion Technology Institute</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology Institute</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26].
ولی استخراج هلیم 3 از این منابع و انتقال آن به زمین بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود و تنها در آینده‌های دور می‌توان به آن اندیشید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
چرخه سوخت D-3He نسبت به D-T برای احتراق، نیازمند شرایط محصورسازی بالاتری nτET=2.4×1023keV.s/m3) ) است و در فشار پلاسمای یکسان، چگالی توان همجوشی کمتری نسبت به همجوشی D-T بدست خواهد داد. همچنین گرچه واکنش اصلی 3He(D,p)αرا می‌توان غیر نوترونی دانست ولی تولید نوترون از طریق واکنش جانبی D(D,n)3He و واکنش ثانویه D(T,n)α اجتناب ناپذیر است.
واکنش همجوشی 11B-p ایمن‌ترین و بهترین واکنش هسته‌ای هست که وجود دارد، 11B به فراوانی در آب دریا و منابع دیگر یافت می‌شود و 80 درصد بور موجود بر روی زمین را شامل می‌شود و هیدروژن هم که فراوان ترین عنصر در عالم هستی است. بنابراین، مشکلی از نظر محدودیت منابع سوخت وجود ندارد. حاصل واکنش آن‌ها نیز گاز بی اثر هلیم است و هیچ نوترونی تولید نخواهد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Bussard</Author><Year>2006</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[27, 28]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063640">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Bussard, W.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion</title><secondary-title> 57th International Astronautical Congress(IAC), Valencia, Spain</secondary-title></titles><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27, 28].
برای بهره برداری عملی از همجوشی، انرژی حاصل از همجوشی باید بیش از انرژی لازم برای گرمایش پلاسما باشد، بدین منظورشروط متعددی باید برآورده شوند که مهمترین آنها، دستیابی به مقادیر مناسب برای حاصل ضرب nτ و حاصل ضرب nTτ است که مجموع اینها معیار لاوسون نامیده می‌شود. یعنی باید پلاسما را با چگالی مناسب تا دمای مناسبی گرم کرد و این پلاسمای داغ و چگال را به مدت کافی محصور نمود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wesson</Author><Year>2004</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063806">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wesson, J.;</author></authors></contributors><titles><title> Tokamaks</title><secondary-title>Clarendon Press-Oxford</secondary-title></titles><periodical><full-title>Clarendon Press-Oxford</full-title></periodical><volume>third edition</volume><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29].
مقدار عدد به دست آمده در معیار لاوسون برای سوخت دوتریم تریتیم ازسال 1969 تا سال 2000 حدود 500 هزار برابر افزایش یافته است. سوخت‌های جدید مورد نظر هنوز نیاز به یک تا دو مرتبه افزایش در بزرگی دارند. بررسی‌های نظری نشان داده‌اند که این کار شدنی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063863">33</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, F.;et al.;</author></authors></contributors><titles><title>Role of Advanced-Fuel and Innovative Concept Fusion in the Nuclear Renaissance</title><secondary-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</secondary-title></titles><periodical><full-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</full-title></periodical><volume>31</volume><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30].
خواص دوتریومدوتریوم همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر یک پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد. اگرمولکول آب توسط دوتریوم تشکیل شود به آن آب سنگین () می‌گویند. در هر لیتر از آب دریا (۳۵) گرم دوتریوم وجود دارد. دوتریوم یکی از پایه‌های لازم برای همجوشی هسته‌ای است. در آب در کنار هر ۷۰۰۰ اتم هیدروژن ۱ اتم دوتریوم موجود است که جدا کردن آن با توجه به نزدیکی خواص آب سنگین و آب سبک بسیار سخت است. این دوتریومها باید تغلیظ و انبار شوند تا ابتدا به آب سنگین ۱۵٪ و سپس به آب ۹۹٪ تبدیل شود، جدا سازی آب سنگین از آب سبک بسیار سنگین ، پیچیده و سخت است. به دلیل آنکه گرمای تبخیر آب سنگین بشتر از آب معمولی می‌باشد، از آن در نیروگاههای اتمی جهت خنک کردن راکتورها استفاده میکنند.
دوتریوم را می توان به آسانی از آب استخراج کرد. هیدروژن موجود در زمین شامل دوتریوم به نسبت جرمی 1:5000 است. یک تریلی پر از دوتریوم انرژی معادل 2 میلیون تن زغال سنگ یا 1.3میلیون تن نفت (10میلیون بشکه)، یا 30 تن اکسید اورانیوم، آزاد خواهد کرد.
دوتریوم در واکنش‌های همجوشی زیر با آهنگ واکنش مساوی شرکت میکنند:
(2-1)
(2-2)
محیطى که به این درجه از گرما برسد، نمی‌تواند در یک جداره مادى بگنجد.
خواص هلیوم 3هلیوم 3 یکی از ایزوتوپ‌های غیر پرتوزای عنصر گازی هلیوم است که دارای ۲ پروتون و یک نوترون است. از این ماده به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به راکتورهای هسته‌ای، استفاده می‌شود. در زمین به ندرت یافت می‌شود و عموما در لایه‌های فوقانی سنگی کره ماه که طی بیش از میلیاردها سال توسط بادهای خورشیدی ایجاد شده است، به فراوانی موجود است. هلیون هسته اتم هلیوم 3 حاوی دو پروتون و تنها یک نوترون می‌باشد. این در حالی است که هلیوم معمولی حاوی دو نوترون می‌باشد. وجود فرضی آن اولین بار در 1934 پیشنهاد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Oliphant</Author><Year>1934</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063934">34</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Oliphant, M. L. E.; Harteck ,P.; Rutherford, E.;</author></authors></contributors><titles><title> Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen</title><secondary-title>Proceedings of the Royal Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of the Royal Society</full-title></periodical><pages>692-703</pages><volume>144</volume><number>853</number><dates><year>1934</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31].
بخاطر جرم اتمی پایین‌ترش نسبت به هلیوم4 دارای خصوصیات فیزیکی متفاوتی نسبت به آن است. به سبب تعامل ضعیف ناشی از پیوندهای دو قطبی-دو قطبی بین اتم‌های هلیوم، خواص فیزیکی ماکروسکوپی آن عمدتا توسط نقطه صفر انرژی آن (انرژی جنبشی حداقل) تعیین می‌شود. همچنین خواص میکروسکوپی هلیوم 3 سبب می‌شود که نقطه صفر انرژی آن بالاتر از هلیوم 4 باشد. این نشان می‌دهد که هلیوم3 می‌تواند بر تعامل دو قطبی-دو قطبی با انرژی حرارتی کمتری نسبت به هلیوم-4، غلبه کند.
هلیوم 3 می‌تواند توسط یکی از دو واکنش زیر در واکنش‌های همجوشی شرکت کند:
2D + 3He →   4He +  1p + 18.3 MeV(2-3)
3He + 3He → 4He   + 2 1p+ 12.86 MeV(2-4)
که هدف در این مطالعه استفاده از دوتریوم و هلیوم 3 می‌باشد. سرعت‌های واکنش با دما متغیر است اما سرعت واکنش D-3He هرگز بالاتر از 56/3 برابر سرعت واکنش D-D نمی‌باشد. شکل 2-1 بیانگر حالت مقایسه‌ای بین انواع سوخت‌هاست.

شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2011</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063997">35</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang, R.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of the G--ynamic Mirror (GDM) Propulsion Sys--</title><secondary-title> thesis (A dissertation submitted in partial fulfillment ofthe requirements for the degree of Doctor of Philosophy) in the University of Michigan</secondary-title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32]
سرعت واکنش همجوشی به سرعت با دما افزایش می‌یابد تا اینکه به بیشینه مقداری رسیده و سپس به تدریج افت می‌کند. در مقایسه‌ای کلی جدول 2-1 را خواهیم داشت.
سوخت‌های پیشرفته، همجوشی سوخت‌های نسل دوم و سوم هستند که مقادیر بسیار کم یا اصلا هیچ نوترونی تابش نمی‌کنند و چرخه‌های سوخت نسل اول در آنها وجود ندارد. تعداد نوترون‌های تولید شده در واکنش‌های شامل هلیوم 3 بسیار کم است (در مورد واکنش 3He-3He عملا صفر و در مورد D-3He حدود 01/0 تا 05/0 همجوشی D-T و کمتر از 02/0 همجوشی D-D است.
محصول نسل سوم واکنش‌های همجوشی فقط ذرات باردار است و هر گونه واکنش جانبی نسبتا بی اهمیت است. در شرایط مناسب، فقط 1/0 درصد از انرژی حاصل از واکنش p-11B، توسط نوترون‌های تولید شده از واکنش‌های جانبی حمل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
استفاده از سوخت‌های جدید نسبت به D-T با مسایل بیشتری مواجه است. به عنوان مثال در مورد D-3He باید:
دمای احتراق دست کم حدود 6 برابر افزایش یابد.
مقدار neτe حداقل حدود 8 برابر
حاصل ضرب nτT حداقل در حدود 50 برابر افزایش می‌یابد.
جدول2-1- نسل‌های مختلف سوخت‌های همجوشی PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE.DATA [26, 33-37]
n/MeV بهره انرژی محصولات واکنش‌ها
سوخت‌های همجوشی نسل اول
0.306 3.268 MeV32He + 10n 21H + 21H (D-D)
0 4.032 MeV31H + 11p 21H + 21H (D-D)
0.057 17.571 MeV42He + 10n 21H + 31H (D-T)
سوخت‌های همجوشی نسل دوم
0 18.354 MeV42He + 11p 21H + 32He (D-3He)
سوخت‌های همجوشی نسل سوم
0 12.86 MeV42He+ 211p 32He + 32He
0 8.68 MeV3 42He115B + 11p
نتیجه کل سوختن دوتریوم(مجموع 4 سطر اول)
0.046 43.225 MeV2(4He + n + p) 6D
سوخت هسته‌ای در زمان حال
0.001 ~200 MeV2 FP+ 2.5n 235U + n
در استفاده از سوخت D-3He کاهش فوق العاده شار نوترونی باعث کاهش قابل ملاحظه تخریب تابشی می‌شود ودرنتیجه طول عمر دیواره اولیه و حفاظ تابشی افزایش می‌یابد و به حفاظ تابشی کوچک‌تری نیاز خواهد بود و تعمیرات و نگهداری راحت‌تر می‌شوند. افزایش شار ذرات باردار امکان تبدیل مستقیم انرژی همجوشی را با بازده بالا فراهم می سازد.
مشکلات عمده در استفاده از انرژی هسته‌ای در سالیان گذشته از سه مساله اصلی، احتمال پخش مواد رادیواکتیو، مشکلات مربوط به نگهداری پسماندهای هسته‌ای با عمر طولانی، احتمال استفاده از مواد حاصل برای کاربردهای تسلیحاتی می‌باشد. تمام این مشکلات مربوط به رآکتورهای هسته‌ای، مربوط است به:
سوخت رادیواکتیو
محصولات رادیواکتیو واکنش
نوترونها
همجوشی هسته‌ای تا حدودی از این مشکلات می‌کاهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
مزیت عمده سوخت‌های جدید همجوشی این است که سوخت و محصولات واکنش‌های نسل دوم و سوم همجوشی میزان پرتوزایی (تخریب حرارتی و وجود تریتیم) و نکات بالقوه مربوط به تکثیر تسلیحاتی و همینطور مشکلات مربوط به پسمانداری را تا حد زیادی کاهش داده یا حذف می‌کنند، ولی برای استفاده از آنها به پیشرفت فیزیکی و مهندسی زیادی نیاز است. از این سوخت‌های جدید می‌توان برای ساخت نیروگاه‌های برق ایمن، تمیز و اقتصادی، در سفینه‌های فضایی و موشک‌ها به عنوان سوخت و نیز برای کاربردهای پزشکی و غیره استفاده کرد. از مزایای دیگر آنها می‌توان از عدم نیاز به پوشش‌های زاینده تریتیم و حلقه‌های پیچیده سرمایش ثانویه و عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده تست نوترون و مدت زمان‌های بررسی طولانی نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
پارامترهای متعددی در استفاده از سوخت‌های مختلف دخیلند، از جمله: .
انرژی کل محصولات همجوشی : Efus
محصولات باردار همجوشی: Ech
عدد اتمی ذرات درگیر در واکنش: Z
میزان انرژی حمل شده توسط نوترون ها
اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی و....
در رابطه با همجوشی D-D و D-T اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی مشکل جدی و مهمی است که باید حل شود، برای سوخت‌های سنگین‌تر D-3He و p-11 B و 3He-3He میزان این اتلاف به قدری است که کار یک راکتور همجوشی بر اساس طرح‌های توکامک و همجوشی لیزری را ناممکن می‌سازد.
تابش سینکروترونی نیز نکته دیگری است که باید مورد توجه قرار گیرد. بررسی‌ها نشان داده‌اند که درمورد همجوشی D-T تابش سینکروترونی نقش چندانی در بالانس انرژی ندارد، در حالی که در مورد همجوشی 3He-D این اثر قابل توجه است. و این مشکل باید در طراحی رآکتورهای احتمالی3 He -D حل شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lerner</Author><Year>2003</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText>[38]</DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066296">38</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lerner, E.J.;</author></authors></contributors><titles><title>ProspectsFor p-11B Fusion With The Dense Plasma Focus: New Results</title><secondary-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</secondary-title></titles><periodical><full-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</full-title></periodical><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38].
درصدی از انرژی کل واکنش که توسط نوترون‌ها حمل می‌شود، در مورد D-T حدود 80 درصد، در مورد D-D حدود 66 درصد و در مورد 3 He –D و p-11B بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است که این امر مشکلات مختلف مربوط به نوترون‌ها از جمله تخریب تابشی، حفاظ‌گذاری بیولوژیکی، کنترل از دور، ایمنی و اتلاف توان همجوشی توسط آنها را کاهش می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sadowski</Author><Year>1998</Year><RecNum>39</RecNum><DisplayText>[39]</DisplayText><record><rec-number>39</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066348">39</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sadowski, M.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</full-title></periodical><pages>3-4</pages><volume>39</volume><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39].
پلاسما حالت چهارم مادهپلاسما گازی یونیزه و داغ می‌باشد که حاوی تعداد تقریبا برابری از یونهای مثبت باردارشده و الکترونهای با بار منفی می‌باشد. مشخصات پلاسما کاملا با گازهای خنثی طبیعی متفاوت است (گازهای معمولی به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.) از این روست که پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده معرفی شده است. برای مثال، به این علت که پلاسماها ذرات باردار الکتریکی تولید میکنند، تا زمانی که گاز بطور خنثی نباشد، به شدت تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار می‌گیرد. مثالی از چنین تاثیری، به دام اندازی ذرات باردار پر انرژی در عرض خطوط میدان مغناطیسی زمین، به فرم کمربندهای تشعشی ون آلن است.
علاوه بر میدان‌های خارجی اعمال شده، مانند میدان مغناطیسی زمین و یا میدان مغناطیسی بین سیارهها، پلاسما براساس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط خود پلاسما و از طریق تغییر غلظت بار محلی و جریان الکتریکی ایجاد شده عمل میکند، که در نتیجه حرکتهای متفاوت یونها و الکترونها ایجاد می‌شود. نیروهای اعمال شده توسط این میدان روی ذرات بارداری که عمل پلاسما را در طول فواصل طولانی ایجاد میکند، تاثیر گذاشته و سبب یکنواختی رفتار انتقالی ذرات و کیفیت بالایی میگردد که در گازهای خنثی دیده نمی‌شود. به رغم وجود غلظت بارهای محلی و پتانسیل های الکتریکی، پلاسما از نظر الکتریکی "شبه خنثی" است، زیرا بطور کل، تعداد تقریبا برابری از ذرات باردار مثبت و منفی طوری پراکنده شدهاند که تاثیر بارهای یکدیگر را از بین میبرند.
روشهای تولید پلاسماالف) تخلیه الکتریکی:
اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می‌شود و در این حالت میگوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می‌کنند و از میدان الکتریکی انرژی میگیرند، با افزایش سرعت، به اتمهای دیگر برخورد میکنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتری میشوند. این کار به طور پیدرپی صورت می‌گیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده مدام افزایش می‌یابد. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می‌یابد و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی، نارسانا بود. در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می‌گیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.
مخلوط همجوشی با فشار کم را در محفظه چنبرهاى شکل داخل کرده، به کمک یک سیستم اولیه متشکل از چند بوبین، یک میدان مغناطیسى معروف به چنبره‌اى، پدید میآید. سپس، به کمک هایپِرفرکانسها (فوق بسامدها)، محتوى محفظه چنبرهای، یونیزه گشته و در نهایت از طریق القا با افزایش تدریجى میدان مغناطیسى پدیدآمده بوسیله‌ی یک سیم لوله (سولونوئید( که در جهت محور سامانه قرار داده شده است، یک جریان پلاسما بوجود میآید.
ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا:
با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز میتوان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده میکنند.
پارامترهای بنیادی پلاسماهمه مقادیر در واحد گاووسی (cgs) بیان شده است. غیر از دما که در واحد الکترون ولت آورده شده است و جرم یون که بر حسب واحد جرم پروتون و بصورت μ=mimp می‌باشد. Z مقدار بار، k ثابت بولتزمن، K عدد موج، lnʌ لگاریتم کولن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
که برای الکترون: lnᴧ≈13.6
و برای یک یون: lnᴧ≈6.8
2-6-1- فرکانسها در پلاسمافرکانس زاویهای حرکت چرخشی الکترون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωce=eB/mec=1.76×107 B--/s
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی یون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωci=ZeB/mic=9.58×103 Zμ-1 B--/s
فرکانس الکترونهایی که نوسان میکنند(نوسان پلاسما):
ωpe=(4πnee2/me)1/2=5.64×104 ne1/2 --/s
فرکانس پلاسمای یونی:
ωpi=(4πniZ2 e2/mi)1/2=1.32×103 Zμ-1/2 ni1/2 --/s
سرعت به دام اندازی الکترون:
????Te=(eKE/me)1/2=7.26×108 K1/2 E1/2 s-1
سرعت به دام اندازی یون:
????Ti=(ZeKE/mi)1/2=1.69×107 Z1/2 K1/2 E1/2μ-1/2 s-1
سرعت برخورد الکترون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????e=2.91×10-6 ne lnᴧ Te-3/2 s-1


سرعت برخورد یون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????i=4.80×10-8 Z4 μ-1/2 ni lnᴧ Ti-3/2 s-1
سرعت برخورد الکترون (یون) در پلاسمای کمی یونیزه شده: υe,i=Nσe,iυ=N0∞σ(υ)e,if(υ)υdυ
که <σν>e,i سطح مقطع برخورد الکترون (یون) در اتمهای (مولکولهای) گاز عامل، f(ν) تابع توزیع الکترون (یون) در پلاسما و N غلظت گاز عامل می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
2-6-2- سرعتها در پلاسماسرعت حرارتی الکترون: سرعت معمول یک الکترون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Te= (kTe/me)1/2=4.19×107 Te1/2 cm/s
سرعت حرارتی یون: سرعت معمول یک یون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Ti= (kTi/mi)1/2=9.79×105 μ-1/2 Ti1/2 cm/s

user8298

3-2 نحوه انجام آزمایشات22
3-2-1 مخزن23
3-2-2 پمپ23
3-2-3 کانال آزمایشگاهی23
3-2-4 مخزن آرام کننده جریان24
فهرست مطالب
عنوان صفحه
3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه24
3-3 آنالیز ابعادی25
3-4 شبیهسازی عددی27
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D28
3-4-2 معادلات حاکم32
3-4-3 مدلهای آشفتگی33
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای35
3 -4-3-2 مدلهای یک معادلهای35
3-4-3-3 مدلهای دو معادلهای36
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش36
3-4-4 شبیهسازی عددی مدل37
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل38
3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان38
3-4-4-3 شرایط مرزی کانال40
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل41
3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان43
3-4-4-6 زمان اجرای مدل43
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1 مقدمه46
4-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب46
4-2-1 واسنجی نرمافزار46
4-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ48
4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان54
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان59
4-3-1 واسنجی نرمافزار59
4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار61
فصل پنجم: پیشنهادها
5-1 مقدمه70
5-2 نتیجهگیری70
5-3 پیشنهادها71
منابع74

فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان25
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D28
ادامه جدول 3-229
جدول 3- 3 محدوده دادههای به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی38
جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار40
جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار41
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب42
جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1)51
جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها55
جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی60
جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی60
جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی61
جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی61
جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی61
جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4)65
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
TOC h z t "fig,1,table,1" شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه5
HYPERLINK l "_Toc366000088" شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی8
HYPERLINK l "_Toc366000089" شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی12
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی12
شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)14
شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987)14
شکل 2- 5 فرآیند پر و خالی شدن حفره آبشستگی درحین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) 15
شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک23
شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک24
شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان25
شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب26
شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی30
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه30
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه30
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض31
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه31
شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک39
شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ40
شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب40
شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب41
شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان43
شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی43
شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی46
شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-ε RNG و k-ε و دادههای آزمایشگاهی47
شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با دادههای آزمایشگاهی49
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه49
شکل 4- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs / Qg)51
شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی52
شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبیها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربی برای تخمین دبی در سرریز و ریچه52
شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53
شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53
شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54
شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54
شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی54
شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی55
شکل 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه رکیبی56
شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه ترکیبی56
شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیهسازی حفره آبشستگی با استفاده از مدلهای مختلف آشفتگی59
شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی62
شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی62
شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک63
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب64
شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی65
شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی66
شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان)66
شکل 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه67
شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب و بستر صلب67
شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی68

18849116456969
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
یکی از عمده‌ترین مشکلات سازه‌هایی از قبیل سرریزها، دریچه‌ها و حوضچه‌های آرامش که در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است که علاوه‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممکن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع، اکثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی کردهاند که با وجود تمام دستآوردهای مهمی که تاکنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچه‌ها، سرریزها، شیب‌شکن‌ها، کالورت‌ها و مجاورت پایه‌های پل دیده می‌شود که می‌تواند پایداری این سازهها را با خطرات جدی مواجه کند.
پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حرکت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است که عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پایین‌دست سازه تأثیرگذار هستند که از جمله آنها می‌توان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و ... اشاره کرد (کوتی و ین (1976)، بالاچاندار و همکاران (2000)، کلز و همکاران (2001)، لیم و یو (2002)، فروک و همکاران (2006)، دی و سارکار (2006) و ساراتی و همکاران (2008)).
دریچهها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانالهای باز مورد استفاده قرار میگیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوری از رو یا زیر سازهها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پاییندست سازهها وجود دارد که ممکن است پایداری سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.
به منظور افزایش بهره‌وری از سازههای پرکاربرد سرریزها و دریچهها، می‌توان آنها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.
1-2 تعاریف1-2-1 سرریزها
یکی از سازههای مهم هر سد را سرریزها تشکیل میدهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازهگیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام میدهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهرهبرداری آمادگی داشته باشد.
معمولاً سرریزها را بر حسب مهمترین مشخصه آنها تقسیمبندی میکنند. این مشخصه میتواند در رابطه با سازه کنترل و کانال تخلیه باشد. بر حسب اینکه سرریز مجهز به دریچه و یا فاقد آن باشد به ترتیب با نام سرریزهای کنترلدار و یا سرریزهای بدون کنترل شناخته میشوند.
1-2-2 دریچهها
دریچهها سازههایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دریچهها به منظور قطع و وصل و یا کنترل جریان در مجاری عبور آب استفاده میشود و از لحاظ ساختمان به گونهای میباشند که در حالت بازشدگی کامل عضو مسدود کننده کاملاً از مسیر جریان خارج میگردد.
دریچهها در سدهای انحرافی و شبکههای آبیاری و زهکشی کاربرد فراوان دارند. همچنین برای تخلیه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار میروند (نواک و همکاران، 2004).
دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند:
بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار میگیرند.
بر اساس کاری که انجام میدهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده میشود.
بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد.
بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترلکننده سطح آب
بر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار میکند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل مینماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند.
بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند.
بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایههای پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود.
1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچهترکیب سرریز - دریچه یکی از انواع سازههای هیدرولیکی میباشد که در سالهای اخیر عمدتاً برای عبور سیال در مواردی که سیال حاوی سرباره و رسوب به صورت همزمان میباشد (مانند کانال عبور فاضلاب) بکار رفته است. سازه ترکیبی سرریز - دریچه با تقسیم دبی عبوری از بالا و پایین خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگیری میکند. از دیگر کاربردهای عملی این ترکیب، میتوان انواع سدهای تأخیری را نام برد. در سدهای تأخیری برای جلوگیری از انباشت رسوب در پشت سد که منجر به کاهش حجم مفید مخزن میگردد اقدام به تعبیه تخلیهکنندههای تحتانی میگردد. از طرف دیگر این نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحی و عبور سیلابهای محتمل به صورت روگذر نیز عمل میکنند که از این دو جهت، مدل ترکیبی سرریز - دریچه ایده مناسبی برای تحلیل این نوع سدها میباشد. اگرچه این نوع سازه دارای کاربرد فراوانی در سازههای هیدرولیکی میباشد.
جهت به حداقل رساندن مشکلات در سرریزها و دریچه‌ها و همچنین جهت بالا بردن مزایای آنها می‌توان از سازه ترکیبی سرریز - دریچه استفاده کرد به طوری که در یک زمان، جریان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. این وسیله ترکیبی می‌تواند مشکلات ناشی از فرسایش و رسوبگذاری را مرتفع نماید (دهقانی و همکاران، 2010).
همچنین با این روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرریزها انباشته نمی‌‌‌شوند (ماخرک، 1985).
مشکلاتی را که در اثر وجود مواد رسوبی یا شناور در آب انتقالی برای آبیاری حاصل می‌شود، می‌توان با استفاده از سازه ترکیبی سرریز - دریچه به مقدار زیادی کاهش داده که امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعیلی و همکاران، 1385).
سیستم سرریز - دریچه امکان عبور جریان را از پایین و بالای یک مانع افقی در قسمت میانی مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدین صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دریچه به صورت زیرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرریز عبور میدهد (شکل 1- 1).
331470506095جریان عبوری از زیر دریچه
00جریان عبوری از زیر دریچه
267970163195جریان عبوری از روی سرریز
00جریان عبوری از روی سرریز
138620527622500143446560769500
شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچهاز اینرو تعیین شکل و حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی به منظور تثبیت وضعیت بستر میتواند مفید واقع شود.
1-2-4 آبشستگیآبشستگی یکی از موضوعات مهم و قابل توجه در مهندسی رودخانه و هیدرولیک جریان در بسترهای آبرفتی میباشد. چنانچه در یک بازه مورد بررسی، مقدار رسوب وارد شده کمتر از مقدار رسوب خارج شده باشد، عمل فرسایش کف رودخانه و یا بدنه آن رخ میدهد و کف رودخانه بتدریج عمیق میشود. از جمله اثرات منفی گود شدن بستر رودخانه، میتوان به شکست برشی و لغزش در بستر و نیز گرادیان هیدرولیکی خروجی اشاره کرد که در نهایت، افزایش فشار بالابرنده و ایجاد پدیده تراوش را در پی دارد.
به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پاییندست سازههای هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریانهای متلاطم موضعی، آبشستگی گویند. عمق ناشی از فرسایش بستر اولیه را عمق آبشستگی مینامند. (کتاب هیدرولیک کانالهای روباز، دکتر ابریشمی)
از آنجا که مکانیزم عمل آبشستگی در مکانهای مختلف متفاوت میباشد، از این رو آبشستگی را به دو نوع تقسیمبندی میکنند:
نوع اول آبشستگی تنگشدگی میباشد. این نوع آبشستگی در دو حالت اتفاق می‌افتد:
الف) در جایی که رودخانه هنوز به حالت تعادل نرسیده و پتانسیل حمل رسوب در بازه‌ای از رودخانه بیش از میزان رسوب ورودی به این بازه باشد.
ب) در جایی که سرعت جریان به دلایلی مانند کاهش مقطع رودخانه در محل پل‌ها، افزایش پیدا می‌کند که در مقطع تنگ شده آبشستگی اتفاق می‌افتد.
در محل احداث پل، آبشکن و یا دیواره ساحلی معمولاً عرض رودخانه را کاهش می‌دهند. این عمل باعث می‌شود که سرعت جریان در این محدوده افزایش یابد. در نتیجه به ظرفیت حمل رسوب افزوده شده و سبب خواهد شد تا بستر رودخانه در این محل فرسایش یابد. عمل فرسایش آنقدر ادامه می‌یابد تا ظرفیت حمل رسوب کاهش یافته و برابر با ظرفیت حمل رسوب در مقطع بالادست گردد. در این حالت، نرخ فرسایش در این محل کمتر می‌شود. هر چند این فرسایش موجب می‌شود که تأثیر پسزدگی آب در بالادست کاهش یابد ولی به خاطر این مسئله نباید اجازه داده شود تا فرسایش صورت گیرد زیرا آبشستگی باعث خطرات جدی مثل واژگونی پل می‌گردد.
نوع دیگر آبشستگی، آبشستگی موضعی است. این نوع آبشستگی در پاییندست سازههای هیدرولیکی، در محل پایههای پل و به طور کلی هر مکانی که شدت جریانهای درهم به طور موضعی افزایش یابد، بوجود میآیند.
آبشستگی موضعی پاییندست سازههای هیدرولیکی نظیر سدها، سرریزها، شوتها، سازههای پلکانی و ... پدیده طبیعی است که به‌دلیل وجود سرعت محلی بیش از سرعت بحرانی بوجود میآید و دلایل آن را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
ناکافی بودن مقدار استهلاک انرژی
تشکیل پرش هیدرولیکی ناپایدار و یا انتقال پرش خارج از کف حوضچه آرامش
بوجود آمدن جریانهای گردابی در پاییندست سازههای هیدرولیکی
شکل (1- 2) چند نوع سازه هیدرولیکی و آبشستگی پاییندست آنها را نشان میدهد.

شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی (استاندارد آب و آبفا، 1389)
میزان عمق آبشستگی برای هر یک از سازهها بستگی به شرایط هیدرولیکی جریان و مشخصات رسوب و شرایط هندسی سازه دارد. تخمین میزان عمق آبشستگی از اینرو اهمیت دارد که ممکن است باعث تخریب سازه گردد.
به طور کلی آبشستگی در اثر اندرکنش نیروهای زیر حاصل میشود:
1- نیروی محرک ناشی از جریان که در راستای جدا کردن ذره از بستر عمل میکند.
2- نیروی مقاوم ناشی از اصطکاک ذرات و وزن ذره که در برابر حرکت ذره مقاومت کرده و مانع جدایی ذره از بستر میشود.
جریانها در محل وقوع آبشستگی، یک فرآیند دوفازی (آب و رسوب) است. بنابراین آبشستگی متأثر از متغیرهای بسیاری از قبیل پارامترهای جریان، مشخصات بستر آبرفتی، زمان و هندسه آبراهه میباشد. به همین دلیل، محققین هر یک به مطالعه بخشی از این وقایع پرداخته و آن را به صورت آزمایشگاهی و تجربی بررسی کردهاند.
1-3 ضرورت انجام تحقیقاز آنجایی که در سازه‌های ترکیبی سرریز - دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان، تغییرات در توزیع تنش‌های برشی کف و از این‌رو افزایش پیچیدگی محاسبات می‌شود، بنابراین شبیه‌سازی الگوی جریان، سطح آزاد آب و آبشستگی مورد توجه محققین قرار دارد و لذا در این تحقیق، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان در بستر صلب، توانایی نرمافزار Flow3D در شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و آبشستگی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت‌.
1-4 اهداف تحقیقتحقیق انجام شده به منظور پاسخگویی به اهداف زیر صورت گرفته است:
1- بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه در بستر صلب و مدلسازی عددی آن با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن دو
2- مدلسازی عددی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج بدست آمده از بررسیهای آزمایشگاهی توسط محققین دیگر
3- ارزیابی دقت مدلهای تلاطمی نرمافزار Flow3D در شبیهسازیهای عددی الگوی جریان و آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز – دریچه در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
4- محاسبه نسبت دبی عبوری از بالای سرریز به زیر دریچه با استفاده از مدل Flow3D
1- 5 ساختار کلی پایاننامهاین تحقیق در پنج فصل به شرح زیر تدوین شده است:
فصل اول- کلیات: که شامل مقدمهای بر سرریزها، دریچهها و مبانی ترکیب این دو سازه بوده و همچنین در رابطه با هیدرولیک جریان و آبشستگی در پای هر کدام از سازههای سرریز یا دریچه و یا سازه ترکیبی سرریز - دریچه کلیاتی ارائه گردیده است.
فصل دوم- بررسی منابع: در این فصل، پیشینه تحقیقها در زمینه هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه، آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی و همچنین مطالعات انجام شده توسط نرم‌‌افزار Flow3D بررسی خواهد شد.
فصل سوم- مواد و روشها: این فصل شامل معرفی مواد و روشهای تحقیق، آشنایی با نرمافزار Flow3D و مراحل مدلسازی است.
فصل چهارم- نتایج و بحث: در این فصل، نتایج ارائه شده شامل دو بخش است. بخش اول مربوط به نتایج آزمایشات انجام شده در بستر صلب مربوط به جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز – دریچه و بخش دوم مربوط به نتایج شبیهسازی عددی الگوی جریان، پروفیل و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی است.
فصل پنجم- نتیجهگیری و پیشنهادها: این فصل دربرگیرنده نتایج بدست آمده از تحلیلها به همراه پیشنهادهایی برای تحقیقات بعدی است.
فصل دوم
مروری بر منابع
2-1 مرور منابع
در این فصل، بررسی منابع و سوابق تحقیق در دو بخش مطالعات آزمایشگاهی و مطالعات عددی توسط نرمافزار Flow3D ارائه میشود که ابتدا مطالعات آزمایشگاهی در دو حالت بستر صلب و متحرک ارائه شده و سپس مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D نام برده میشود. چون در مورد جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز‌– دریچه، مدلسازی با نرمافزار Flow3D تاکنون انجام نگرفته است مطالعات عددی نرمافزار Flow3D در همه زمینهها اشاره شده است.
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان
از جمله مطالعات آزمایشگاهی هیدرولیک جریان در سازه ترکیبی سرریز‌- دریچه، میتوان به مطالعات نجم و همکاران (1994) اشاره کرد. ایشان پارامترهای هندسی و هیدرولیکی مؤثر بر روی جریان ترکیبی را مورد بررسی قرار داده و برای جریان سرریز مثلثی روی دریچه مستطیلی، سرریز و دریچه مستطیلی با ابعاد تنگشدگیهای مختلف به طور جداگانه معادلاتی استخراج کردند. همچنین حالتی را که تنگشدگی دریچه و سرریز یکسان یا متفاوت باشد نیز به طور جداگانه مورد بررسی قرار دادند. این محققین همچنین برای شرایط مختلف مانند استفاده از سرریز مثلثی با زاویههای مختلف و یا سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی (شکل 2-1) و بدون فشردگی جانبی (شکل 2-2) روابط جداگانهای به صورت رابطههای (2-1) تا (2-4) ارائه دادند.

شکل 2-‌1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز‌- دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی41052753175(2- 1)
00(2- 1)
Cd=Qc(b1d2gd+y+h-hd+232gb-0.2hh1.5)4274820140335(2- 2)
00(2- 2)
Qu=23Cu2g(b-0.2h)h1.54105275112395(2- 3)
00(2- 3)
Ql=Clb1d2g(d+y+h-hd)429387059690(2- 4)
00(2- 4)
Qc2gb(d1.5 )=Cl1+yd+hd+hdd+23Cu(hd)32شیواپور و پراکاش (2004)، به بررسی دبی جریان از روی سرریز مستطیلی و از زیر دریچه V شکل پرداختند. طبق نتایجی که ایشان گرفتند زمانی که از دریچه V شکل و کج استفاده میشود دبی کانالهای مستطیلی با بستر ثابت با دقت بالاتری قابل تخمین است.
اسماعیلی و فتحیمقدم (1385)، به بررسی آزمایشگاهی هیدرولیک جریان و تعیین ضریب دبی مدل سرریز‌- دریچه در کانالهای دایروی و جریانهای زیرگذر و روگذر با نصب مانع با عرضهای مختلف پرداختند.
سامانی و مظاهری (1386)، به بررسی تخمین رابطه دبی جریان عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در حالتهای مستغرق و نیمهمستغرق پرداختند. نتایج بررسی هیدرولیک جریان ایشان نشان میدهد که سیستم سرریز- دریچه، موجب اصلاح خطوط جریان شده، شرایط جریان را به حالت تئوریک نزدیکتر و در نتیجه، واسنجی ضریب شدت جریان سیستم سرریز - دریچه و تخمین دبی جریان با دقت بیشتری نسبت به سرریزهای معمولی انجام میشود.

شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)

رضویان و حیدرپور (1386)، با بررسی خطوط جریان ترکیبی از روی سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی و زیر دریچه مستطیلی بدون فشردگی جانبی در حالت لبهتیز، معادلهای برای ضریب شدت جریان پیشنهاد کردند.
تاکنون پژوهشهایی در زمینه آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز - دریچه انجام شده است. اولین بار در سال 1987 یک سری آزمایش توسط آقای اویماز در آزمایشگاه سازههای هیدرولیکی استانبول بر روی آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز- دریچه صورت گرفته است. شکل (2-4) نمایی از مدل شبیهسازی جریان کار ایشان را نمایش میدهد.

شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987)
ایشان برای 2 نوع دانهبندی و رسوب غیرچسبنده آزمایشات خود را اجرا نمودند. همچنین تمامی آزمایشات یک بار برای دریچه تنها و یک بار در حالت ترکیب دریچه و سرریز انجام دادند. پس از انجام آزمایشات، دادههای بدست آمده را تجزیه و تحلیل نموده تا به یک رابطه رگرسیونی خطی لگاریتمی بین پارامترهای عمق آبشستگی با قطر رسوبات و ارتفاع آب پاییندست برسند. نتایج تحقیق ایشان نشان می‌دهد که آبشستگی در پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که تنها جریان از زیر دریچه را داریم. همچنین عمق آبشستگی بستگی زیادی به مقدار دبی جریان دارد.
دهقانی و همکاران (2009) به بررسی آزمایشگاهی حداکثر عمق آبشستگی پاییندست سرریز تنها، دریچه تنها و سازه ترکیبی سرریز - دریچه بدون انقباض پرداختند. نکته جالبی که در کار آزمایشگاهی ایشان دیده شده است رفتار نوسانی روند فرسایش و رسوبگذاری به صورت پر و خالی شدن حفره آبشستگی است. حفره آبشستگی ابتدا عمیق میشود، سپس با وجود جریانهای برگشتی کمی رسوبات فرسایش یافته به درون حفره برمیگردد و حفره کمی پر میشود. سپس دوباره حفره توسط گردابههای زیر دریچه عمیق میشود و روند پر و خالی شدن ادامه مییابد (شکل 2- 5). البته این روند با گذشت زمان کندتر شده و شکل حفره در حوالی زمان تعادل تقریباً ثابت میشود (دهقانی و همکاران، 2010).
همچنین بررسیهای ایشان نشان داد که حداکثر عمق آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که جریان تنها از روی سرریز عبور میکند و این نتیجه با نتایج کار آقای اویماز (1985) تطابق دارد.

شکل 2- 5 فرآیند پر و خالی شدن حفره آبشستگی در حین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) شهابی و همکاران (1389) به بررسی آزمایشگاهی مشخصات حفره آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی پرداختند. نتایج این بررسی آزمایشگاهی نشان داد که عمق آبشستگی پایین‌دست سازه ترکیبی سرریز - دریچه کمتر از عمق آبشستگی پاییندست سرریز میباشد. همچنین مشخصههای حفره آبشستگی، با افزایش عدد فرود (Fr)، افزایش مییابد و در ارتفاع ریزش ثابت برای جت عبوری از روی آن، با افزایش بازشدگی دریچه، حداکثر عمق آبشستگی کاهش مییابد. نتایج انجام آزمایشات در حالت وجود انقباض نشان می‌دهد که با ایجاد انقباض در دریچه یا سرریز به دلیل تمرکز بیشتر جت، حداکثر عمق آبشستگی، طول حفره آبشستگی و طول رسوبگذاری به ترتیب افزایش، افزایش و کاهش مییابد. همچنین نتایج آزمایش بر روی کفبند پاییندست سازه ترکیبی نشان داد که چنانچه طول کفبند از فاصله برخورد جت بالادست به کف کانال بیشتر در نظر گرفته شود، میتواند میزان آبشستگی را تا حد قابل توجهی کاهش دهد.
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3Dنرمافزار Flow3Dتوانایی شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و رسوب در اطراف سازه‌های هیدرولیکی مختلف را دارا می‌باشد. در ادامه برخی کارهای انجام شده با این نرمافزار بیان میشود:
موسته و اتما (2004)، تأثیر طول آبشکن بر منطقه چرخشی پشت آبشکن را با در نظر گرفتن تأثیر مقیاس با نرم‌افزار Flow3D مورد بررسی قرار دادند.
گونزالز و بومباردلی (2005)،‌ در یک شبیهسازی عددی با استفاده از Flow3D به بررسی مشخصات پرش هیدرولیکی بر روی سطح صاف در دو حالت شبکهبندی ریز و شبکهبندی درشت به صورت دوبعدی و سهبعدی پرداختند.
صباغ یزدی و همکارانش (2007)، در یک مدل سهبعدی به ارزیابی مدلهای تلاطمی k-ε و RNGk-ε بر روی میزان ورود هوا در پرش هیدرولیکی با استفاده از روش حجم محدود پرداختند و اثر آن را بر روی دقت تخمین سرعت متوسط جریان با استفاده از مدل در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی موجود از پرش هیدرولیکی مورد بررسی قرار دادند. مقایسه نتایج نشان داد که نرمافزار قادر به پیش‌بینی توزیع عمقی سرعت در پرش هیدرولیکی است و همچنین در این آزمون مدل آشفتگی RNG در مقایسه با k-ɛ نتایج مناسبتری را ارائه کرده است.
امیراصلانی و همکارانش (1387)، به شبیه‌سازی سه‌بعدی آبشستگی در پایین‌دست یک جت‌ ریزشی آزاد با استفاده از مدل k-ε نرم‌افزار Flow3D جهت بررسی اثر زاویه اصطکاک داخلی رسوبات بر روی چاله آبشستگی پرداختند. نتایج این پژوهش نشان میدهد هر چقدر زاویه اصطکاک داخلی ذرات رسوب بیشتر باشد میتوان انتظار داشت حفره آبشستگی، ابعاد (طول، عرض و عمق) کوچکتری داشته باشد و ارتفاع برآمدگی رسوبات در پاییندست حفره بیشتر باشد. شیب دیوارهها تندتر بوده و مانعی برای خروج ذرات رسوب از حفره به حساب میآید.
شاهرخی (1387)، با استفاده از نرم‌افزارFlow3D‌ ، مدل عددی الگوی جریان اطراف یک آبشکن را تهیه و با اعمال مدل‌های مختلف آشفتگی، به تأثیر این مدل‌ها بر طول منطقه جداشدگی جریان در پشت یک آبشکن پرداخت‌‌. مهمترین نتیجه حاصل از این تحقیق، نشان میدهد که مدل آشفتگی LES بهترین تطابق را با نتایج آزمایشگاهی داشته و این مدل، پیشبینی بهتری از طول منطقه جداشدگی در پشت آبشکن ارائه میکند. سرانجام پیشنهاد شد مدل در دامنه وسیعتری از تغییرات پارامترهای جریان، طول و زاویه نصب آبشکن اجرا گردد.
شاملو و جعفری (1387)، به بررسی اثر وجود زبری کف بر روی تغییرات میدان سرعت و فشار جریان در اطراف پایه استوانه‌ای شکل در یک کانال مستطیلی توسط نرمافزارFlow3D و با استفاده از مدل آشفتگی k-ε به صورت سهبعدی پرداختند. در این شبیهسازی مقاطعی در سه راستای X , Y , Z نزدیکی پایه با نتایج آزمایشگاهی احمد (1994) مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که پروفیلهای سرعت در عمقهای مختلف و در راستای X , Y و میدان فشار در پاییندست پایه روند تغییرات قابل قبولی را با توجه به نتایج آزمایشگاه نشان میدهد. همچنین نتیجه شد نرمافزار با در نظر گرفتن زبری کف نتایج بهتری را ارائه میکنند.
باباعلی و همکاران (1387)، توسط نرمافزار Flow3D یک پارشال فلوم به طول یک فوت را که جریان درون آن شامل دو حالت آزاد و مستغرق بود، با استفاده از مدل آشفتگی LES مدل کردند. ایشان دادههای مدل خود را از جدول استاندارد WMM اقتباس کرده و نتایج محاسبه شده را با نتایج این جدول مقایسه نمودند. آنها نشان دادند که Flow3D میتواند به آسانی محاسبات پارشال فلوم را تحت هر دو جریان آزاد و مستغرق انجام دهد. نتایج محاسبه شده به خوبی با دبیهای منتشر شده مطابقت داشته و نیاز به زمان زیاد و استفاده از ابر رایانهها ندارد.
والش و همکاران (2009)، به شبیهسازی آبشستگی موضعی پایهها در جریان جزر و مدی پرداختند. نتایج نشان داد که نتایج مدلسازی عددی با اندازهگیریهای انجام شده تطابق خوبی داشته و همچنین نشان داد که مدل عددی Flow3D ابزاری مناسب در طراحی جریان در اطراف پایهها در شرایط مختلف جریان است.
شکری و همکاران (1389)، به بررسی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف پایه پل دایروی با نرمافزار Flow3D پرداختند. نتایج بررسی عددی با بررسی آزمایشگاهی انجام شده توسط آنگر و هگر (2006) مقایسه شد و با مقایسه نتایج شبیهسازی عددی و اندازهگیریهای آزمایشگاهی الگوی جریان و تغییر شکل بستر، نتیجه شد که مدل Flow3D نتایج قابل قبولی ارائه داده است.
حسینی و عبدی‌پور (1389)، با استفاده از نرم‌افزار Flow3D به مدل‌سازی عددی پروفیل سرعت در جریانهای گل‌آلود پیوسته پرداختند و تأثیر شیب، غلظت و دبی جریان بر آن را مورد مطالعه قرار دادند. برای صحتسنجی نرمافزار در تعیین پارامترهای هیدرولیکی جریانهای گلآلود (پروفیل سرعت)، از یک نمونه آزمایشگاهی استفاده شد و نتایج حاصل از شبیهسازی با اندازهگیریهای آزمایشگاهی مربوطه مقایسه شد. برای مقایسه نتایج از آزمایشات انجام گرفته توسط حسینی و همکاران استفاده گردید. نتایج حاصل از مدل عددی پروفیل سرعت در بدنه با نتایج آزمایشگاهی تطابق نسبتاً خوبی داشت. نتایج مدل عددی مربوط به پروفیل سرعت با برخی از نتایج آزمایشگاهی مطابقت کمتری داشت که بخش عمدهای از خطاها مربوط به عدم امکان مدلسازی جریان در بخش پایینی در مشبندی به علت کمبود حافظه کامپیوتری و بخشی از خطاها نیز به نحوه مدلسازی جریان گلآلود بود.
برتور و بورنهم (2010)، به مدل‌سازی فرسایش رسوب در پاییندست سد با نرم‌افزار Flow3D پرداختند‌. در بررسی ایشان، برای محاسبه هر یک از ضرایب مشخصه رسوب در نرمافزار Flow3D، فرمولی ارائه و برای هر ضریب محدودهای تعیین شد.
کاهه و همکاران (2010)، مدل‌های آشفتگی k-εو RNG k-ε را جهت تخمین پروفیل‌های سرعت در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موج‌دار مورد بررسی و مقایسه قرار دادند. نتایج، توانایی مدل RNG k-ε در تخمین عمق ثانویه، طول پرش و توزیع سرعت را به خوبی نشان داد. ضریب تنش برشی برآورد شده توسط مدل عددی به نتایج بدست آمده از بررسی‌های آزمایشگاهی بسیار نزدیک بوده و به طور متوسط 8 برابر مقدار آن در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح صاف برآورد شد. با توجه به نتایج بدست آمده، مدل آشفتگی RNG k-ε در مقایسه با مدل k-ε در مدلسازی پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موجدار از دقت بالایی برخوردار است.
آخریا و همکاران (2011)، به شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف انواع آبشکنها پرداختند. نتایج مدلسازی نشان داد که از بین مدلهای آشفتگی، مدلهای RNG k-ɛ و k-ɛ به دادههای آزمایشگاهی نزدیکتر بوده ولی مدل آشفتگی RNG k-ɛ بهترین نتایج را برای شبیه‌سازی میدان جریان اطراف آبشکن نشان داد.
الیاسی و همکاران (1390)، با بهرهگیری از نرمافزار Flow3D و با اعمال مدل آشفتگی RNG k-ɛ، الگوی جریان اطراف تک آبشکن مستغرق در کانال مستقیم شیبدار را بدون در نظر گرفتن سطح آزاد شبیهسازی نمودند و به مقایسه نتایج مدل عددی با دادههای آزمایشگاهی پرداختند. نتایج این شبیهسازی بدون در نظر گرفتن سطح آزاد، با دادههای آزمایشگاهی تطابق خوبی را نشان داد. مقایسه پروفیلهای سرعت در مدل عددی و نتایج آزمایشگاهی بیانگر مطابقت این دادهها با هم میباشد.
عباسی چناری و همکاران (1390)، الگوی جریان اطراف آبشکنهای L شکل عمود بر ساحل را توسط نرمافزار Flow3D و با مدل آشفتگی k-ɛ شبیهسازی نمودند. در این بررسی، آبشکن L شکل نفوذناپذیر بوده که به صورت غیرمستغرق در 5 زاویه مختلف از قوس رودخانه قرار داده شده است. نتایج حاکی از آن است که تلاطم جریان، محدوده سرعتهای ماکزیمم و در نهایت بیشترین آبشستگی بستر، در دماغه آبشکن اتفاق میافتد. همچنین با افزایش دبی و عدد فرود جریان، محدوده سرعت ماکزیمم جریان در نزدیکی دماغه آبشکن افزایش مییابد و شکل آن در جهت جریان کشیده میشود. در نهایت نتیجه شد که مدل آشفتگی k-ɛ در شبیهسازی نواحی جریان برگشتی در پاییندست آبشکن و محل ایجاد گردابه و آشفتگی جریان در اطراف آبشکن، دقت خوبی دارد.
قنادان و همکاران (1391)، با نرمافزار Flow3D، به شبیهسازی عددی جریان از روی سرریز جانبی لبهپهن پرداخته و نتایج حاصل از این نرمافزار را با دادههای آزمایشگاهی مقایسه کردند. نتایج نشان داد که از میان مدلهای تلاطمی موجود در نرمافزار، مدل تلاطمی RNG k–ε از دقت بالاتری برای شبیهسازی جریان از سرریز جانبی برخوردار است. همچنین با استفاده از مدل واسنجی شده، اثر تغییر ارتفاع و پهنای تاج سرریز بر دبی عبوری از سرریز مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس نتیجه شد که ارتفاع تاج سرریز جانبی لبهپهن بر مقدار دبی خروجی از سرریز نسبت به پهنای تاج مؤثرتر است.
فصل سوم
مواد و روش‌ها
3-1 مقدمه
در این بخش، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه در بستر صلب و شبیهسازی عددی هیدرولیک آن با نرمافزار Flow3D، توانایی مدل عددی Flow3D در شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی ارزیابی میشود. بنابراین در این بخش، علاوه بر بررسی نحوه انجام آزمایشات، به معرفی مدل Flow3D پرداخته و مراحل مدل‌سازی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز و دریچه با نرمافزار Flow3D بیان میشود.
3-2 نحوه انجام آزمایشاتدر این بخش، به ارائه نحوه انجام آزمایشات هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه پرداخته میشود. در این تحقیق به منظور کالیبراسیون نرمافزار در حالت کف صلب، آزمایشاتی در کانال با طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر انجام شده و عمق جریان در طول کانال قرائت شد. همچنین جهت ارزیابی دقت نرمافزار در حالت کف متحرک از نتایج آزمایشگاهی شهابی(1389) در کانال با طول 12 متر، عرض و ارتفاع 60 سانتیمتر استفاده شده است.
کانال آزمایشگاهی مورد استفاده در کف صلب شامل قسمتهای زیر است (شکل 3-1):
1- مخزن
2- پمپ که شامل بخشهای تأمین برق، الکتروپمپ، شیر تنظیم دبی و مخزن تعیین دبی است.
3- مخزن آرام کننده جریان
4- کانال آزمایشگاهی
5- مدل سازه ترکیبی
شکل زیر نمای کلی مدل فیزیکی را نشان میدهد.

شکل 3-‌1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک
بخشهای اصلی کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، به صورت زیر تعریف میشوند:
3-2-1 مخزنبه منظور تأمین آب مورد نیاز جهت انجام آزمایش، از یک مخزن در قسمت پایین فلوم استفاده شده است. به هنگام آزمایش، آب به صورت رفت و برگشتی از مخزن به فلوم و بالعکس در جریان خواهد بود.
3-2-2 پمپجهت پمپاژ و جریان آب در فلوم، از پمپی با ظرفیت دبی 7 لیتر بر ثانیه استفاده شده است که با یک شیرفلکه معمولی، دبی پمپاژ تغییر داده میشود. به منظور قرائت دبی، از یک مخزن دبیسنج استفاده گردیده است.
3-2-3 کانال آزمایشگاهیکانال آزمایشگاهی دارای طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر میباشد. جنس دیواره و کف کانال از پلکسی گلاس بوده تا امکان مشاهده جریان در کانال در حین آزمایش وجود داشته باشد.
3-2-4 مخزن آرامکننده جریاناین مخزن، آشفتگی جریانی که از پمپ سانتریفوژ وارد کانال خواهد شد را گرفته و جریان را به آرامی وارد کانال آزمایشگاهی میکند.

شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز- دریچهسازه ترکیبی سرریز- دریچه مورد استفاده در آزمایشات، در فاصله 2 متری از ابتدای کانال و با ضخامت 3 میلیمتر تعبیه شده که با ابعاد هندسی متفاوت ساخته شده است.

شکل 3-3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریانمشخصات آزمایشات انجام شده در کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، در جدول زیر شرح داده شده است:
جدول 3-1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریانپارامتر دفعات تغییر واحد محدوده تغییرات
دبی ورودی (Q) 7 Lit/s 64/2 – 39/1
بازشدگی دریچه (W) 5 Cm 5/1 – 5/0
ارتفاع سازه (T) 5 Cm 5/5 – 5/3
3-3 آنالیز ابعادیاولین گام در شبیهسازی و مدلسازی، شناخت متغیرهای اثرگذار بر پدیده فیزیکی است. تعداد متغیرهای اثرگذار با توجه به پیچیدگی رفتار پدیده موردنظر، میتواند افزایش یابد.
با توجه به اینکه هر کمیت فیزیکی در قالب ابعاد بیان میشود، استفاده از روشی که بتواند با ترکیب متغیرهای اثرگذار، متغیرهای بیبعد را که مفهوم فیزیکی دارند ایجاد کند، میتواند در کاهش تعداد متغیرها بسیار مفید باشد.
آنالیز ابعادی روشی است که در آن با استفاده از مفهوم همگنی ابعاد، متغیرهای اثرگذار بر پدیده فیزیکی مورد نظر در قالب متغیرهای بیبعد بیان میشوند. سپس بر اساس این متغیرها و انجام مطالعات آزمایشگاهی، رابطههای تجربی بدست میآورند.
برای انجام آنالیز ابعادی، روشهای مختلفی ازجمله روش فهرستنویسی، نظریه پیباکینگهام، روش گامبهگام و روش هانسیکر و رایت مایر وجود دارد.
در این تحقیق، روش پیباکینگهام که کاربرد وسیعتری دارد مورد بحث و استفاده قرار گرفت. این روش، یکی از روشهای معروف است که به طور وسیع در آنالیز ابعادی استفاده میشود.
در جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه در حالت جریان آزاد، متغیرهای مؤثر عبارتند از:
1- دبی عبوری از روی سرریز، Qs
2- دبی عبوری از زیر دریچه، Qg
3- عمق بالادست سازه ترکیبی، H1
4- هد آب روی سرریز، Hd
5- طول سازه، T


6- بازشدگی دریچه، W
7- شتاب ثقل (g)، ρ و μ سیال
شکل (3-4) متغیرهای مؤثر در جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه را در حالت جریان آزاد نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب
با انجام آنالیز ابعادی به روش پیباکینگهام رابطه (3-1) بدست میآید. از آنجاییکه جریان آشفته است لذا از اثرات Re (رینولدز) صرف نظر شده و نهایتاً رابطه (3-2) بدست میآید.
430191950165(3- 1)
00(3- 1)
F(Qs , Qg , H1 , Hd , T , W , g , ρ , μ) = 0 → QsQg=f( Fr , Re , H1W , HdT )43584345080(3- 2)
00(3- 2)
QsQg=f( Fr , H1W , HdT )3-4 شبیهسازی عددیبه منظور مطالعه و تحلیل جریان در سازههای مختلف، مدلهای فیزیکی و ریاضی مختلف بکار گرفته میشود. با توجه به توسعه سیستمهای کامپیوتری و محاسباتی و همچنین وجود پیچیدگی‌های غیر قابل اندازه‌گیری در جریان عبوری از یک سازه ترکیبی سرریز - دریچه در مدل‌های آزمایشگاهی، استفاده از شبیهسازی عددی می‌تواند در بررسی هیدرولیکی چنین جریانهایی بسیار مؤثر و قابل توجه باشد.
در سالهای اخیر، بدلیل ابداع روشهای پیشرفته و دقیق حل عددی معادلات و بوجود آمدن رایانههای قوی برای انجام محاسبات، میتوان در طراحی این سازههای پیچیده از روشهای حل عددی نیز بهره گرفت. دینامیک سیالات محاسباتی، از روشهای محاسبه و شبیهسازی میدان جریان سیال میباشد که در قرن اخیر مورد توجه خاص مهندسین و طراحان قرار گرفته است.
استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی حاکی از مزایای زیر است:
1- کاهش در زمان و هزینه در طراحیها
2- توانایی مطالعه سیستمهایی که انجام آزمایشات کنترل شده روی آنها دشوار و یا غیر ممکن است مانند تأسیسات بزرگ
3- توانایی مطالعه سیستمها تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حدود معمول آنها
از جمله نرمافزارهای موجود در زمینه CFD میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
CFX, Phonix, Telemac, FIDAP, Flow3D, Fluent
در این تحقیق، به ارزیابی مدل عددی Flow3D جهت شبیهسازی هیدرولیک جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه و همچنین آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی پرداخته می‌شود.
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3Dنرمافزار Flow3D یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد که تولید، توسعه و پشتیبانی آن توسط Flow Science, Inc است و یک مدل مناسب برای حل مسائل پیچیده دینامیک سیالات بوده و قادر است دامنه وسیعی از جریان سیالات را مدل کند. این مدل برای شبیهسازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیرماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. نرمافزار Flow3D، برای مسائل یک‌بعدی، دوبعدی و سهبعدی طراحی شده است. در حالت ماندگار، نتایج در زمان بسیار کمی حاصل میشود زیرا برنامه بر روی قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی پایهگذاری شده است تا این موارد برای مراحل مختلف جریان در هر زمینهای بکار برده شوند. این نرمافزار یک شبکه آسان از اجزاء مستطیلی را استفاده میکند.
نرمافزار Flow3D شامل مدلهای فیزیکی مختلف میباشد که عبارتند از: آبهای کمعمق، کاویتاسیون، آشفتگی، آبشستگی، کشش سطحی، پوشش متخلخل ذرات و ... . از این مدلها در زمینه‌های ریختهگری مواد، مهندسی فرآیند، طراحی تزریقهای مرکب، تولیدات مصرفی، هیدرولیک مهندسی محیط زیست، هوافضا، علوم دریایی، نفت، گاز و ... استفاده میشود.
در جدول (3-2)، ویژگیهای نرمافزار به اختصار نمایش داده شده است.
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3Dنام نرمافزار Flow3D
زمینه کاری یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد. این نرمافزار برای کمک به تحقیق در زمینه رفتار دینامیکی مایعات و گازها در موارد کاربردی وسیع طراحی شده است.
قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی
کاربردهای Flow3D در زمینه مهندسی آب پایههای پل- هوادهی در پرش هیدرولیکی- سرریز دایرهای- هوادهی در سرریزها- شکست سد- پارشال فلوم- آبشستگی- جریان بر روی یک پلکان- جریانهای با عمق کم- جریان در کانالهای کنترل پرش هیدرولیکی- موجهای کمارتفاع- دریچههای کشویی- جریان سرریز
سطح آزاد حد فاصل بین گاز و مایع همان سطح آزاد است. در Flow3D سطح آزاد با تکنیک حجم سیال مدل میشود. روش حجم سیال شامل سه جزء است: نمایش موقعیت سطح – شبکهبندی– شرایط مرزی سطح
تکنیک محاسبات Finite Difference - FiniteVolume
سیستمهای مختصات معادلات دیفرانسیلی که باید حل شود در قالب مختصات کارتزین (x,y,z) نوشته میشود. برای مختصات استوانهای (z,Ɵ,r) مختصات x به صورت شعاعی و مختصات y به صورت مختصات زاویهای
ادامه جدول 3- 2مدلهای آشفتگی در Flow3D پنج مدل آشفتگی ارائه شده است: طول اختلاط پرانتل، یک معادله، دو معادله k-ɛ، مدل‌های k-ɛ RNG و مدل شبیهسازی بزرگ
مدلسازی 1-General 2-Physics 3-Fluids 4- Meshing & Geometry
5-Boundaries 6-Initial 7-Output 8-Numerics
General زمان اتمام - تعداد سیالات – حالت جریان (که شامل حالت تراکمپذیر یا تراکمناپذیر است.)
Physics شامل بخشهایی نظیر ویسکوزیته که شامل حالتهای سیال ویسکوز و غیرویسکوز است، شتاب ثقل زمین، که در جهت قائم مختصات برابر 81/9- وارد میشود، کشش سطحی، حفرهزدایی، آبشستگی رسوب و ...
Fluids ویسکوزیته، جرم حجمی، تراکمپذیری، مشخصات گرمایی و آحاد
Meshing & Geometry برای مشخص کردن حدود مشبندی، بلوکهایی تعیین میشود که کلیه اندازه سازههای مورد نظر و فضای آزاد در داخل آن تعریف میشود. میتوان همه جزئیات سازه مورد نظر را در یک بلوک هم در نظر گرفت. سیستم مختصاتی میتواند از نوع کارتزین یا استوانهای باشد.
Boundaries در مختصات کارتزین برای تعریف شرایط مرزی،6 درجه مشخص داریم که با توجه به جهت مثبت x, y, z شامل Xmax ,Xmin, Ymax, Ymin, Zmax, Zmin میباشد.
Initial در این قسمت، با توجه به ویژگیهای مسئله شرایط اولیه اعمال میگردد.
Output در این بخش، ویژگیها و امکاناتی برای داشتن مشخصات خاصی از نتایج ارائه میشود.
Numerics در قسمت گزینههای ضمنی برای تنش ویسکوز، هدایت گرمایی و ... امکان انتخاب بین حل صریح یا ضمنی وجود دارد.
برخی از تواناییهای مدل Flow3D جهت شبیهسازی با نمایش شکل مدل عبارتند از:

شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازهاین نرمافزار معادلههای حاکم بر حرکت سیال را با استفاده از تقریب احجام محدود حل میکند. محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیمبندی میشود که برای هر سلول مقدارهای میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد یعنی همه متغیرها در مرکز سلول محاسبه میشوند بجز سرعت که در مرکز وجوه سلول حساب میشود.
در این نرمافزار از دو تکنیک عددی جهت شبیهسازی هندسی استفاده شده است:
1- روش حجم سیال (VOF): این روش برای نشان دادن رفتار سیال در سطح آزاد مورد استفاده قرار میگیرد. این روش بر مبنای تقریبهای سلول دهنده - پذیرنده است که اولین بار توسط Hirt و Nichols در سال 1981 بیان شد.
2- روش کسر مساحت – حجم مانع (FAVOR): از این روش جهت شبیهسازی سطوح و احجام صلب مثل مرزهای هندسی استفاده میشود. هندسه مسئله با محاسبه کسر مساحت وجوه و کسر حجم هر المان برای شبکه که توسط موانعی محصور شدهاند تعریف میشود. همان طور که کسر حجم سیال موجود در هر المان شبکه برای برقراری سطوح سیال مورد استفاده قرار میگرفت، کمیت کسر حجم دیگری برای تعیین سطوح صلب مورد استفاده قرار میگیرد.
فلسفه روش FAVOR بر این مبناست که الگوریتمهای عددی بر مبنای اطلاعاتی شامل فقط یک فشار، یک سرعت، یک دما و ... برای هر حجم کنترل است، که این با استفاده از مقدارهای زیادی از اطلاعات برای تعریف هندسه متناقض است. بنابراین روش FAVOR، المانهای ساده مستطیلی را حفظ میکند، در صورتی که میتواند اشکالی با هندسه پیچیده در حد سازگاری با مقادیر جریان میان‌گیری شده را برای هر المان نشان دهد.
3-4-2 معادلات حاکمدینامیک سیالات محاسباتی، روشی برای شبیهسازی جریان است که در آن معادلات استاندارد جریان از قبیل معادلات ناویر استوکس و معادله پیوستگی قابل حل برای تمام فضای محاسبات می‌باشد. فرم کلی معادله پیوستگی به صورت شکل زیر بیان می‌شود:
416382464733(3-3)
00(3-3)
که درآن VF ضریب حجم آزاد به سمت جریان و مقدار R در معادله فوق، ضریب مربوط به مختصات به صورت کارتزین و یا استوانه‌ای می‌باشد. اولین عبارت در سمت راست معادله پیوستگی مربوط به انتشار تلاطم بوده و به صورت زیر قابل تعریف می باشد:
424413450800(3-4)
00(3-4)
عبارت دوم در سمت راست معادله (3-3) بیانگر منشأ دانسیته است که برای مدلسازی تزریق توده مواد اهمیت دارد:
428985427305(3-5)
00(3-5)
همچنین فرم کلی معادلات حرکت (مومنتم) در حالت سه بعدی به صورت زیر می‌باشد:
4361180396875(3-6)
00(3-6)

که در معادلات فوق Gx , Gy , Gz مربوط به شتاب حجمی می‌باشند. پارامترهای fx ,fy ,fz شتابهای ناشی از جریان‌های لزج بوده و bx , by , bz نیز شامل روابط مربوط به افت در محیطهای متخلخل هستند.
3-4-3 مدلهای آشفتگیاکثر جریانهای موجود در طبیعت به صورت آشفته میباشند. در اعداد رینولدز پایین، جریان آرام بوده ولی در اعداد رینولدز بالا جریان آشفته میشود، به طوری که یک حالت تصادفی از حرکت در جایی که سرعت و فشار بطور پیوسته درون بخشهای مهمی از جریان نسبت به زمان تغییر میکند، گسترش مییابد. این جریانها بوسیله خصوصیاتی که در ادامه ارائه شدهاند شناسایی میگردند:
1- جریانهای آشفته به شدت غیر یکنواخت هستند. در این جریانها اگر تابع سرعت در برابر زمان ترسیم شود، بیشتر شبیه به یک تابع تصادفی خواهد بود.
2- این جریانها معمولاً سهبعدی هستند. پارامتر سرعت میانگین گاهی اوقات ممکن است تنها تابع دو بعد باشد، اما در هر لحظه ممکن است سهبعدی باشد.
3- در این نوع جریانها، گردابهای کوچک بسیار زیادی وجود دارند. شکل کشیده یا عدم تقارن گردابها، یکی از خصوصیات اصلی این جریانها است که این امر با افزایش شدت آشفتگی، افزایش مییابد.
4- آشفتگی، شدت جریانهای چرخشی در جریان را افزایش میدهد که این عمل میتواند باعث اختلاط شود. فرآیند چرخش در سیالاتی رخ میدهد که حداقل، میزان یکی از مشخصههای پایستار آنها متغیر باشد. در عمل، اختلاط بوسیله فرآیند پخش انجام میشود، به این نوع جریانها غالباً جریانهای پخششی نیز میگویند.
5- آشفتگی جریان باعث میشود جریانهایی با مقادیر متفاوت اندازه حرکت با یکدیگر برخورد کنند. گرادیانهای سرعت بر اثر ویسکوزیته سیال کاهش مییابند و این امر باعث کاهش انرژی جنبشی سیال میشود. به بیان دیگر میتوان گفت که اختلاط یک پدیده، مستهلک کننده انرژی است. انرژی تلف شده نیز طی فرآیندی یکطرفه به انرژی داخلی (حرارتی) سیال تبدیل میشود.
تمام مشخصاتی که به آنها اشاره شد برای بررسی یک جریان آشفته مهم هستند. تأثیراتی که توسط آشفتگی ایجاد میشود بسته به نوع کاربری ممکن است ظاهر نشود و به همین دلیل باید این جریانها را با توجه به نوع و کاربری آن مورد بررسی قرار داد. برای بررسی جریانهای آشفته، روش‌های مختلفی وجود دارد که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره خواهد شد.
مدلهای آشفتگی، ویسکوزیته گردابهای (vt) و یا تنش رینولدز (-Uij) را تعیین میکند و فرضیات زیادی برای همه آنها حاکم است که عبارتند از:
معادلات ناویر استوکس میانگینگیری شده زمانی، میتواند بیانگر حرکت متوسط جریان آشفته باشد.
پخش آشفتگی متناسب با گرادیان ویژگیهای آشفتگی است.
گردابهها میتوانند ایزوتروپیک و یا غیر ایزوتروپیک باشند.
همه مقادیر انتقال آشفته توابع موضعی از جریان هستند.
در مدلهای آشفته باید همسازی وجود داشته باشد.
این مدلها میتوانند یک مقیاسی و یا چند مقیاسی باشند.
همه مدلها در نهایت به کالیبراسیون به صورت تجربی نیاز دارند.
بسیاری از مدلهای آشفتگی بر پایه فرضیه بوزینسک استوار هستند. مدلهای آشفتگی به پنج دسته تقسیم میشوند:
1- مدلهای صفرمعادلهای
2- مدلهای تکمعادلهای
3- مدلهای دومعادلهای
4- مدلهای جبری
5- مدلهای شبیهسازی گردابهای بزرگ
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهایدر این مدلها هیچگونه معادله دیفرانسیلی برای کمیتهای آشفتگی ارائه نمیشود. این مدلها نسبتاً ساده بوده و دادههای تجربی و آزمایشگاهی در آنها نقش اساسی دارد و تنشهای آشفتگی در هر جهت متناسب با گرادیان سرعت میباشد. نمونهای از این مدلها عبارتند از:
1- مدل لزجت گردابهای ثابت
2- مدل طول اختلاط پرانتل
3- مدل لایه برش آزاد پرانتل
3-4-3-2 مدلهای یک معادلهایاین مدلها بر خلاف مدلهای صفر معادلهای، از یک معادله برای انتقال کمیت آشفتگی استفاده میکنند. این معادله ارتباط بین مقیاس سرعت نوسانی و کمیت آشفتگی میباشد که جذر انرژی جنبشی آشفتگی به‌عنوان مقیاس سرعت در حرکت آشفته مد نظر میباشد و مقدار آن توسط معادله انتقال محاسبه میگردد.
3-4-3-3 مدلهای دومعادلهایمدلهای دو معادلهای سادهترین مدلها هستند که قادرند نتایج بهتری در جریانهایی که مدل طول اختلاط نمیتواند به صورت تجربی در یک روش ساده مورد استفاده قرار بگیرد، ارائه دهند. به طور مثال جریانهای چرخشی از این نمونهاند. تقسیمبندی این مدلها بر اساس محاسبه تنش رینولدز و یا ویسکوزیته گردابهای به صورت زیر است:
ویسکوزیته گردابهای
جبری
تنش رینولدز غیرخطی
این مدلها، دو معادله دیفرانسیلی را حل میکنند. به معادله k که از قبل بوده، معادله ɛ هم اضافه میشود. معادله انرژی جنبشی، k، بیانکننده مقیاس سرعت است، بدین صورت که اگر قرار باشد سرعتهای نوسانی مورد بررسی قرار بگیرند، میتوان جذر انرژی جنبشی حاصل از آشفتگی در واحد جرم را به عنوان مقیاس در نظر گرفت، معادله نرخ میرایی انرژی جنبشی، ɛ، نیز مقیاس طول است. در حقیقت مقیاس طول، اندازه گردابههای بزرگ دارای انرژی جنبشی را میدهد که باعث انتقال آشفتگی در توده سیال میشود.
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنشنرمافزار Flow3D مدل آشفتگی جدیدتری بر مبنای گروههای نرمال شده رینولدز پیادهسازی کرده است. این دیدگاه شامل روشهای آماری برای استحصال یک معادله متوسطگیری شده برای کمیت‌های آشفتگی است. مدلهای بر پایه RNG k-ɛ از معادلاتی استفاده میکند که شبیه معادلات مدل آشفتگی k-ɛ است اما مقادیر ثابت معادله که به صورت عملی در مدل استاندارد k-ɛ یافت شده‌اند، صریحاً از مدل RNG k-ɛ گرفته شدهاند. از این رو، مدل RNG k-ɛ قابلیت اجرایی گسترده‌تری نسبت به مدل استاندارد k-ɛ دارد. بویژه مدل RNG k-ɛ برای توصیف دقیقتر آشفتگی جریانهای با شدت کمتر و جریانهایی با مناطق دارای برش، قویتر شناخته شده است. در معادله RNG k-ɛ، فرمول تحلیلی برای محاسبه عدد پرانتل آشفته وجود دارد ولی در مدل k-ɛ، از یک مقدار ثابت که استفاده کننده مدل به آن معرفی میکند استفاده میگردد. در مدل RNG k-ɛ، تأثیر گرداب در آشفتگی لحاظ میگردد لذا دقت حل جریانهای چرخشی را بالا میبرد.
نرمافزار Flow3D از پنج مدل آشفتگی طول اختلاط پرانتل، مدل تک معادلهای، دومعادلهای k-ɛ، دومعادلهای RNG k-ɛ و روش گردابهای بزرگ (LES) بهره میبرد.
3-4-4 شبیهسازی عددی مدلدر این تحقیق، شبیهسازی عددی شامل دو قسمت میباشد:
1- قسمت اول مربوط به شبیهسازی هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه است که آزمایشات بکار رفته جهت واسنجی مدل، در کانال با مقیاس کوچک انجام شده است. کانال با مقیاس کوچک دارای طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر بوده که سازه ترکیبی مورد نظر با ضخامت 3 میلیمتر و در فاصله 2 متری از ابتدای کانال تعبیه شده است.
همچنین با استفاده از مدل واسنجی شده با دادههای آزمایشگاهی مربوط به هیدرولیک جریان، مدلهایی مربوط به سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی مدل شده و تأثیر میزان انقباض سرریز- دریچه بر نسبت دبی عبوری از روی سرریز به دبی عبوری از زیر دریچه بررسی شد.
2- قسمت دوم مربوط به شبیهسازی حفره آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه است که برای شبیهسازی عددی آبشستگی، از آزمایشات انجام شده توسط شهابی و همکاران (1389) در کانال با مقیاس بزرگ استفاده شده است. کانال با مقیاس بزرگ دارای طول 12 متر، عرض و ارتفاع 6/0 متر است. کف کانال به ارتفاع 25 سانتیمتر از رسوبات یکنواخت با D50= 1.5 mm و ضریب یکنواختی 18/1 پوشانده شده است. دریچه و سرریز ترکیبی با ضخامت 6 میلیمتر و در فاصله 4/6 متری از ابتدای کانال نصب شده است.
پس از واسنجی نرمافزار، مدل برای شرایط هندسی و هیدرولیکی مختلف اجرا شد و با انتگرال‌گیری پروفیل سرعت بالای سرریز و زیر دریچه، نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (QsQg) محاسبه شد. مشخصات مدلسازیهای انجام شده برای آبشستگی در جدول (3- 3) ارائه داده شده است.
جدول 3-3 محدوده دادههای بهکار رفته جهت شبیهسازی آبشستگیبازشدگی دریچه (cm) ارتفاع سازه (cm) مقادیر دبی (lit/s)
2 ، 1 8 34/11 66/10 98/9 68/8 52/7
2 ، 1 10 1/15 86/13 6/12 33/11 78/9
2 ، 1 12 26/16 14/15 4/14 88/13 3/11
3 ، 4 10 11/20 87/18 52/17 27/16 1/15
مراحل اصلی شبیهسازی عددی در نرمافزار Flow3D عبارتند از:
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدلدر صورتی که هندسه مدل آزمایشگاهی به صورت منظم باشد میتوان شکل آن را در خود نرم‌افزار Flow3D ترسیم نمود اما در صورتی که مدل مورد نظر شکل نامنظم داشته باشد نرمافزار قادر خواهد بود فایلهای ایجاد شده در نرمافزارهایی نظیر اتوکد و همچنین فایلهای توپوگرافی به صورت X, Y, Z را مورد استفاده قرار دهد. در این تحقیق، مدلهای بکار رفته در خود نرمافزار ترسیم شده است.
3-4-4-2 شبکهبندی حل معادلات جریانیکی از مهمترین نکاتی که بایستی در شبیهسازی عددی مورد توجه قرار بگیرد، شبکهبندی مناسب برای حل دقیق معادلات حاکم است. ساختن شبکه مناسب برای میدان حل معادلات، دقت محاسبات، همگرایی و زمان محاسبات را تحت تأثیر قرار میدهد. در کلیه مدلهای عددی صورت گرفته، ابعاد شبکه طوری تعیین شد که پارامترهای کنترل شبکه از قبیل حداکثر نسبت ابعاد شبکه در راستای طولی و عمقی و ضریب نسبت ابعاد شبکه در راستاهای مختلف و در مجاورت یکدیگر مناسب انتخاب شده باشد. برای نتایج دقیق و مؤثر، مقدار هریک از دو پارامتر فوق باید به عدد 1 نزدیک بوده و مقدار نسبت ابعاد شبکه در مجاور یکدیگر از 25/1 و همچنین نسبت ابعاد شبکه در راستاهای مختلف از 3 نباید بیشتر باشد (فلوساینس، 2008).
در بخش شبیهسازی هیدرولیک جریان که در کانال با مقیاس کوچک صورت گرفت، مشبندی شبکه جریان، به صورت سهبعدی و ابعاد شبکه در هر سه بعد یکسان و برابر 5 میلیمتر در نظر گرفته شد. (در صورتی که مشبندی شبکه جریان، یکنواخت صورت گرفت نتایج حاصل از مدل به دادههای آزمایشگاهی نزدیکتر و دقت مدل عددی بیشتر میشد). برای این مدلسازی، زبری کف کانال و بدنه سازه برابر 5/1 میلیمتر انتخاب شد.
مشبندی در مقطع عرضی مشبندی در مقطع طولی

شکل 3-10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک
در بخش شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی که در کانال با مقیاس بزرگ انجام شده است، جهت کاهش زمان تحلیل نرمافزار، شبکه جریان به صورت دوبعدی مشبندی شده و ابعاد شبکه در راستای Z به صورت یکنواخت و برابر 5 میلیمتر و در راستای X به صورت غیر یکنواخت و در نزدیکی سازه مورد نظر، تعداد مش بیشتر و اندازه آنها ریزتر در نظر گرفته شد به طوری که اندازه مش بین 6 تا 20 میلیمتر متغیر است. برای این مدلسازی، زبری کف کانال یکسان با قطر متوسط رسوبات و برابر با 5/1 میلیمتر انتخاب شد.
1501775101346000
شکل 3-11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ
3-4-4-3 شرایط مرزی کاناللایه مرزی ابتدا و انتهای مشها در کانال با مقیاس کوچک بر اساس جدول و شکل زیر تعیین شده است.

شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلبجدول 3-4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزارورودی کانال خروجی کانال دیوارههای کناری کانال کف کانال سقف کانال
دبی ورودی جریان خروجی دیوار دیوار تقارن

لایه مرزی ابتدا و انتهای مشها در کانال با مقیاس بزرگ بر اساس جدول و شکل زیر تعیین شده است.

شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوبجدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزارورودی کانال خروجی کانال دیوارههای کناری کانال کف کانال سقف کانال
فشار ثابت جریان خروجی دیوار دیوار تقارن
برای انتخاب فشار ثابت برای ورودی کانال، ارتفاع سیال در قسمت فشار ثابت برابر عمق ابتدایی جریان در حالت آزمایشگاهی انتخاب شد.
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدلبرای مدلسازی هیدرولیک جریان در بستر صلب، شرایط فیزیکی حاکم بر جریان، به صورت زیر انتخاب شد:
1- مقدار شتاب ثقل در جهت عکس عمق جریان و برابر 81/9- انتخاب شد.
2- چون سیال مورد استفاده در آزمایشات، آب زلال در نظر گرفته شده بود سیال از نوع نیوتنی انتخاب شد.
3- به‌دلیل آشفتگی جریان در آزمایشات، دو مدل آشفتگی k-ɛ و RNG k-ɛ در نرمافزار مورد ارزیابی قرار گرفت.
برای مدلسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی، شرایط فیزیکی حاکم بر جریان به صورت زیر انتخاب شد:
1- مقدار شتاب ثقل در جهت عکس عمق جریان و برابر 81/9- انتخاب شد.
2- چون سیال مورد استفاده در آزمایشات، آب زلال در نظر گرفته شده بود سیال از نوع نیوتنی انتخاب شد.
3- به دلیل آشفتگی جریان، سه مدل آشفتگی k-ɛ ، RNG k-ɛ و LES در نرمافزار مورد ارزیابی قرار گرفت.
4- مشخصات رسوبی که در مدلسازیها جهت کالیبراسیون حداکثر عمق آبشستگی تعریف شد در جدول زیر ارائه داده شده است:
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوبپارامتر مورد نظر مقدارهای انتخاب شده
ضریب دراگ 5/1 2/1 1 5/0
عدد شیلدز بحرانی 15/0 1/0 05/0 035/0
زاویه ایستایی 40 35 30
حداکثر ضریب تراکم مواد بستر 8/0 74/0 7/0 6/0 4/0 38/0
ضریب تعلیق مواد بستر 026/0 018/0 01/0
ضریب بار بستر 16 8
عوامل مؤثر در کالیبراسیون حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست سازه، پارامترهای حداکثر ضریب تراکم مواد بستر، عدد شیلدز بحرانی، ضریب دراگ، زاویه ایستایی و همچنین نوع مدل آشفتگی بودند.
3-4-4-5 شرایط اولیه جریانقبل از وارد کردن جریان در مدلسازی عددی، حالت اولیه کانال را انتخاب میکنند که در این تحقیق، قبل از ورود جریان، کانال تا قبل از سازه و تا لبه تاج سرریز از سیال مورد‌نظر در نظر گرفته شد.
3-4-4-6 زمان اجرای مدلنکته دیگری که در شبیهسازیهای عددی بسیار مهم است، زمان اجرای مدل تا رسیدن به یک مقدار مناسب از لحاظ پایداری و ماندگاری جریان است. بنابراین در کلیه آزمایشات شبیهسازی شده، زمان اجرای مدل برای شبیهسازی هیدرولیک جریان بین 30-15 ثانیه و برای شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی بین 5000 - 4000 ثانیه در نظر گرفته شد، که با سپری شدن این مدت زمان، جریان در کانال به صورت یکنواخت میشود.

user834

2-به توارث برسد (2).
1-3 انواع نشان‌گرهای ژنتیکینشان‌گرهای ژنتیکی عبارتند از:
1-نشان‌گرهای مورفولوژیک
2-نشان‌گرهای پروتئینی
3-نشان‌گرهای مولکولی در سطح DNA و RNA
1-3-1 نشان‌گرهای مورفولوژیک
کاربرد نشان‌گرهای مورفولوژیک به ده‏ها سال پیش از کشف DNA مربوط می‏شود. نشان‌گرهای مورفولوژیکی که پیامد جهش‏های قابل رویت در مورفولوژی هسته، از ابتدای این سده مورد استفاده قرار گرفتند. صفات مورفولوژیکی که عمدتا توسط یک ژن کنترل می‏شوند، می‏توانند به عنوان نشان‌گر مورد استفاده قرار گیرند. این نشان‌گرها شامل دامنه وسیعی از ژن‏های کنترل‌کننده صفات فنوتیپی هستند و جز نخستین نشان‌گرها به شمار می‌آیند و از زمان‏های بسیار دور یعنی از زمانی که محل ژن‏ها روی کروموزوم مشخص شد، مورد استفاده قرار می‏گرفتند (2).
معایب نشان‌گرهای مورفولوژیک
اغلب دارای توارث غالب و مغلوب بوده و اثرات اپیستازی و پلیوتروپی دارند.
تحت تاثیر شرایط محیطی و مرحله رشد موجود قرار می‏گیرند.
فراوانی و تنوع کمی دارند.
گاهی برای مشاهده و ثبت آنها باید منتظر ظهور آنها ماند.
اساس ژنتیک بسیاری از نشان‌گرهای مورفولوژیک هنوز مشخص نشده است‌(2).
1-3-2 نشان‌گرهای پروتئینی
در دهه‌ی 1950، نشان‌گرهای پروتئینی قابل مشاهده توسط الکتروفورز پروتئین‏ها تحول شگرفی را ایجاد نمودند. برخی از تفاوت‏های موجود در ردیفDNA بین دو موجود ممکن است به صورت پروتئین‏هایی با اندازه‏های مختلف تجلی کنند، که به روش‏های مختلف بیوشیمیایی قابل ثبت و مطالعه می‏گردند. این قبیل نشان‌گرها را نشان‌گرهای مولکولی در سطح پروتئین می‏نامند که از آن جمله می‏توان به سیستم آیزوزایم/آلوزایم اشاره کرد. معمول‏ترین نوع نشان‌گرهای پروتئینی آیزوزایم‏ها هستند که فرم‏های مختلف یک آنزیم را نشان می‏دهند. آیزوزایم‏ها به‏ طور گسترده در بررسی تنوع ژنتیکی به‌کار گرفته‌شدند. نشان‌گرهای پروتئینی تغییرات را در سطح ردیف و عمل ژن به صورت نشان‌گرهای هم‌بارز نشان می‏دهند. اما این دسته از نشان‌گرها هم دارای معایبی هستند. برخی از معایب آن‏ها عبارت‌اند از:
محدود بودن فراوانی این نوع نشان‌گرها؛
تعداد آیزوزایم‏های قابل ثبت و مشاهده که می‏توان از آنها به عنوان نشان‌گر استفاده کرد به یکصد عدد نمی‏رسد؛
محدود بودن تنوع ژنتیکی قابل ثبت در آیزوزایم‏ها‌(نداشتن چند شکلی)؛
پیچیدگی فنوتیپ‏های الکتروفورزی آیزوزایم‏ها به دلیل دخیل بودن آنزیم‏های مرکب از چند پلی‌پپتید مستقل در ترکیب برخی از آیزوزایم‏ها‌(3).
اما پیشرفت‏هایی که در زمینه‏ی الکتروفورز دو‏بعدی با قدرت تفکیک زیاد پدید آمده، تجزیه تحلیل هم‌زمان هزاران پروتئین را میسر ساخته و مجددا به‌عنوان فناوری پیشتاز در عرصه نشان‌گر‏های مولکولی مطرح شده‏اند. تاثیرپذیری نشان‌گرها از محیط که به‌طور معمول به‌عنوان یکی از محدودیت‏ها و نکات منفی نشان‌گرهای مولکولی یاد می‏شود، در مورد این نشان‌گر‏ها تبدیل به برتری شده و جایگاه متمایزی را در بین سایر نشان‌گرها به ارمغان آورده است. پروتئومیکس‌(مطالعه سراسری کل پروتئین‏های موجود در یک سلول یا یک ارگانیسم) می‏تواند به‌طور هم‌زمان برای مطالعه بیان ژن و هم‌چنین برای شناسایی پروتئین‏های واکنش دهنده به شرایط محیطی مورد استفاده قرار گیرد(3).
1-3-3 نشان‌گرهای مولکولیDNA وRNA
دسته‌ای دیگر از تفاوت‏های موجود در سطح DNA هیچ تظاهری ندارند. نه صفت خاصی را کنترل می‏کنند و نه در ردیف اسید‏های آمینه پروتئین‏ها تاثیری برجای می‌گذارند. این دسته از تفاوت‏ها را می‏توان با روش‏های مختلف شناسایی، قابل دیدن و ردیابی کرد و به عنوان نشان‌گر مورد استفاده قرار داد. این نشان‌گر‏ها که تعدادشان تقریبا نا‏محدود است، فقط از راه تجزیه و تحلیل مستقیم DNA قابل ثبت هستند. بنابراین به آنها نشان‌گرهای مولکولی در سطح DNA گفته می‏شود. نشان‌گرهای مولکولی فراوان و در هر موجود زنده‌ای می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. تاکنون تعداد زیادی از نشان‌گرهای DNA معرفی شده‌اند. این نشان‌گرها از نظر بسیاری از ویژگی‏ها مانند درجه‏ی چندشکلی، غالب یا هم‌بارز بودن، تعداد جایگاه‏های تجزیه شده در هر آزمایش DNA، توزیع در سطح کروموزوم، تکرار‌پذیری، نیاز یا عدم نیاز به توالی‏یابی DNA الگو و هزینه‏ی مورد نیاز با همدیگر متفاوت‌اند. انتخاب بهترین نشان‌گر به هدف مطالعه (انگشت نگاری، تهیه نقشه پیوستگی، ژنتیک جمعیت و روابط تکاملی) و سطح پلوئیدی موجود مورد مطالعه بستگی دارد‌(4).
مزایای کاربرد نشان‌گرهای مولکولی
عدم تاثیرپذیری آنها از شرایط محیطی خارجی و داخلی موجود؛
امکان به‌کارگیری آنها در مراحل نخستین رشد جنینی حیوانات و مراحل نخستین رشد موجودات؛
فراهم نمودن امکان مطالعه موجودات در خارج از فصل و محیط کشت؛
دقت و قابلیت مطلوب تفسیر نتایج؛
هم‌بارز بودن بسیاری از این نشان‌گرها؛
امکان استفاده از آنها در مورد گونه‏های منقرض شده؛
سهولت تشخیص افراد ناخالص از خالص؛
سهولت امتیازدهی و تجزیه و تحلیل نتایج؛
دسترسی به برنامه‏های رایانه‏ای قوی برای تجزیه و تحلیل و تفسیر سریع نتایج‌(4)
انواع نشان‌گرهای مولکولی
نشان‌گرهای DNA گروه بزرگی از نشان‌گرها را تشکیل می‏دهند. این نشان‌گرها سیر تحول و تکامل خود را به پایان نرسانده‏اند و ابداع و معرفی روش‏های متنوع و جدیدتر ثبت و مشاهده‏ی تفاوت‏های ژنتیک بین موجودات از طریق مطالعه‏ی مستقیم تفاوت‏های موجود در بین ردیف‏های DNA هم‌چنان ادامه دارد. نشان‌گر‏های DNA در مدت یک دهه تکاملی شگرف و تحسین‌برانگیز داشته‏اند‌(5).
ابداع و معرفی واکنش زنجیره‌ای پلی‌مراز یا PCR یک روش سریع تکثیر آزمایشگاهی قطعه یا قطعه‌های مورد نظر DNA است. در واقع PCR روشی بسیار قوی است که تکثیر ردیف منتخبی از مولکول یک ژنوم را تا چندین میلیون در کم‌تر از نیم‌روز امکان‌پذیر می‏سازد. اما این فرایند هنگامی امکان‌پذیر است که دست‌کم ردیف کوتاهی از دو انتهای قطعه DNA مورد نظر معلوم باشد. در این فرایند که تقلیدی از فرایند همانندسازی DNAدر طبیعت است، الیگونوکلئوتیدهای مصنوعی که مکمل ردیف شناخته شده دو انتهای قطعه‏ی مورد‌نظرDNA هستند، به‌عنوان آغازگر مورد استفاده قرار می‏گیرند تا واکنش آنزیمی همانندسازی DNA درون لوله‌ی آزمایش امکان‌پذیر شود. این همانند‏سازی فرایندی آنزیمی است و توسط انواع مختلفی از آنزیم‏های پلی‌مراز صورت می‏گیرد. امروزه تعداد زیادی از این نوع آنزیم‏ها به صورت تجاری دردسترس هستند‌(6).
واکنش زنجیره‏ای پلی‌مراز (PCR) در سال 1983 توسط کری‌مولیس در حالیکه در یک نیمه شب تابستانی در حال رانندگی بود، ابداع گردید و سبب انقلاب عظیمی در زیست شناسی مولکولی شد(6).
همان‌گونه که در شکل 1-1 نشان داده شده است، نشان‌گرهای DNAبه دو دسته‏ی کلی طبقه‌بندی می‏شوند.
نشان‌گرهای DNAمبتنی بر PCR
نشان‌گرهای DNA غیر مبتنی PCR(6).

شکل 1-1 انواع نشان‌گرهای ژنتیکی‌(10)
1-3-3-1 نشان‌گرهای غیر مبتنی بر PCRاین دسته از نشان‌گرهای DNA بدون استفاده از روشPCR تولید می‌شوند و مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انواع نشان‌گرهای غیر مبتنی بر PCR به شرح زیر است:
تفاوت طول قطعات حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‏های محدودگر(RFLP)
پویش ژنومی نشانه‏های هضم (RLGS)
ماهوارک‏ها
1-3-3-1-1 تفاوت طول قطعات حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‌های محدودگر( (RFLPسرگروه نشان‌گرهای غیر‌مبتنی برPCR ، همان تفاوت طول قطعه‏های حاصل از هضم DNA توسط آنزیم‏های محدودگر یا RFLP است. از بین نشان‌گرهای مولکولی DNA، RFLP ها اولین نشان‌گرهایی بودند که برای نقشه‌یابی ژنوم انسان توسط بوتستین و همکاران در سال 1980 و پس از آن برای نقشه‌یابی ژنوم گیاهان توسط بر و همکاران در سال 1983 مورد استفاده قرار گرفتند. در اوایل دهه 1980 بوتستین و همکاران استفاده از تفاوت طول قطعه‏های حاصل از هضم یا RFLP را برای مطالعه‏ی مستقیم DNA و یافتن نشان‌گر‏های ژنتیک جدید معرفی کردند. این تحول از پیامد‏های منطقی کشف آنزیم‏های محدودگر بود. این آنزیم‏ها که بسیار اختصاصی‏ هستند، ردیف‏های ویژه‏ای را روی مولکولDNA شناسایی کرده و آنها را از محل خاصی (نقطه‏ی برش) برش می‏دهند‌(7).
RFLP الزاما مختص ژن‏های خاص نیست، بلکه در کل ژنوم پراکنده است. ازاین رو، از نشان‌گرهای RFLP برای نقشه‌یابی تمام ژن‌ها در ژنوم انسان استفاده می‏شد(5). علاوه برRFLP که هنوز هم از قدرتمندترین و معتبرترین نشان‌گرهایDNA است، انواع مختلف نشان‌گرهایDNA با تفاوت‌های زیادی از نظر تکنیکی و روش تولید، نحوه‌ی کاربرد، امتیاز‌بندی، تجزیه و تحلیل و تفسیر نتایج به سرعت ابداع ومعرفی شده‌اند‌(7).
مهم‌ترین مزایای RFLP
تکرارپذریری، دقت و قابلیت اعتماد این نشان‌گر فوق‌العاده زیاد است؛
این نشان‌گر هم‌بارز است و امکان تشخیص افراد خالص را از افراد ناخالص فراهم می‏آورد؛
فراوانی این نشان‌گر در حد بالایی است؛
RFLP تحت تاثیر عوامل محیطی داخلی و خارجی نبوده و صد در صد ژنتیکی است(8).
برخی معایب RFLP
دشواری، پیچیدگی و وقت‌گیر بودن؛
RFLP ژنوم‌های بزرگ نیازمند کاربرد مواد پرتوزا یا روش‌های پیچیده‏تر و گران‏تر بیوشیمیایی است؛
RFLP نیازمند نگه‌داری میکروارگانیسم‌ها به‌منظور تهیه‏ی کاوشگر است که خود بر پیچیدگی این روش می‏افزاید؛
هزینه‏ی اولیه و نگه‏داری کاوشگر‏ها و کاربرد آنها بسیار زیاد است؛
نیازمندی به مقدار نسبتا زیاد DNA از محدودیت‏های دیگر روش RFLPاست به‌طوری که ده‏ها میکروگرم از DNAبرای هر فرد به منظور تجزیه‏ی ژنوم مورد نیاز است؛
از دیگر محدودیت‏های این نشان‌گر آن است که در گونه‏های بسیار نزدیک به یکدیگر این نوع نشان‌گر‏ها آلل‏های مشابهی را نشان می‏دهند(8).
1-3-3-1-2 پویش ژنومی نشانه‏های هضم (RLGS)در سال1991، هاتادا و همکاران روشی را برای شناسایی و انگشت‌نگاری موجودات عالی ابداع و معرفی کردند. پیش از ابداع این روش که بر مبنای نشان‌دار کردن هم‌زمان انتهای هضم شده‏ی هزاران قطعه‌ی DNA است، ردیابی و ثبت موجودات عالی با روش نشان‌دار کردن انتهای هضم شده غیر ممکن می‌نمود. دو دلیل اصلی برای این تصور ذکر شده است:
ژنوم موجودات عالی بسیار بزرگ و پیچیده است برای مثال ژنوم انسان 109×3 جفت باز دارد و در نتیجه‏ی هضم آن با آنزیمی مانند EcoRI بیش از یک میلیون قطعه‌ی DNA به وجود می‌آید. تفکیک این تعداد مولکولDNA حتی با الکتروفورز دو بعدی نیز غیر ممکن است.
معمولا DNA ژنومی در هنگام استخراج به صورت تصادفی و غیر‌اختصاصی شکسته می‌شود و ایجاد مولکول‏هایی با انتهای تصادفی می‏کند. این امر سبب ایجاد پس‌زمینه‌ی ناشی از نشان‌دار شدن این انتهاها طی فرایند نشان‌دارکردن می‏شود‌(9).
برای رفع این دو نقص تدابیری پیش‏بینی شد و روش RLGS ابداع گردید. این روش جدید که برای تجزیه و تحلیلDNA ژنومی به‌کار می‌رود، بر مبنای این فرضیه است که نقاط برش اختصاصی آنزیم‏های محدودگر می‌توانند به‌عنوان نشانه و وجهه تمایز ارقام و افراد به کار گرفته‌شوند.
در این روش انتهای آزاد مولکول‌های DNA که در اثر صدمات مکانیکی در طی استخراج به وجود آمده‏اند، مسدود می‏شود. سپس برای کاهش پیچیدگی، DNA ژنومی توسط آنزیم‏های محدودگر، با محل برش نادر، هضم و نقاط برش به‌طور مستقیم با فسفر پرتوزا نشان‌دار می‏شوند. آنزیم‏های با محل برش نادر معمولا هزاران قطعه DNA به وجود می‏آورند. سپس با الکتروفورز دو‌بعدی، قطعه‏های هضم‌شده‏یDNA از هم جدا شده و خودپرتونگاری صورت می‏گیرد. این روش یک الگوی دو بعدی با هزاران نقطه‏ی پراکنده (قطعه‏های نشان‌دارDNA) ایجاد می‏کند که هر یک می‏توانند به عنوان یک نشان‌گر به کار گرفته شوند(10)


برخی از مزایای روشRLGS
در هر آزمایش هزاران نشان‌گر به‌دست می‌آید؛
مقدار کمی DNAمورد نیاز است؛
در صورت استفاده از آنزیم‌های محدودگر متفاوت، تفاوت‏های بیشتری ظاهر و ثبت خواهند شد[10].
برخی از معایب روش RLGS
DNA مورد نیاز برای این روش باید از کیفیت مطلوبی برخوردار باشد؛
هضم ناقص DNA توسط آنزیم‏های محدودگر نتایج تکرار ناپذیر و گمراه کننده‏ای خواهد داشت؛
این روش پیچیدگی فوق العاده‏ای داشته و تفسیر نتایج حاصل از آن دشوار است(10).
1-3-3-1-3 ماهوارک‏ها
ماهوارک‏ها نخستین بار در سال 1985 توسط جفری و همکاران گزارش شدند. پس از آن در سال 1988 تکثیر جایگاه‏های ژنی خاص نواحی تکرارشونده، روی ماهوارک‏ها در ژنوم انسان انجام شد.
این دسته از نشان‌گرها از نظر تکنیکی مبتنی بر استفاده از کاوشگرهای مصنوعی و کاربرد مواد پرتوزا و روش ساترن هستند.
ماهوارک‌ها واحدهایی 10 تا 100 جفت بازی هستند که ممکن است صدها بار تکرار شده باشند. آنها معمولا یک هسته مشترک 10 تا 15 جفت بازی دارند که احتمالا در تنوع‌پذیری ماهوارک‌ها موثرند. ماهوارک‌ها بیش‌تر در نواحی یوکروماتین ژنوم پستانداران، قارچ‌ها و گیاهان متمرکز‌ند. تنوع‌پذیری ماهوارک‌ها در حدی است که گاهی در انگشت‌نگاریDNA انسان مورد استفاده قرار می‏گیرند. از جمله‌ی ماهوارک‌ها می‏توان به تکرارهای پشت سر هم با فراوانی بالا (VNTR) اشاره کرد[11]. VNTR ها به دو دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند: VNTR تک مکانی و VNTR چند مکانی.
دسته‏ی نخست، تعداد متفاوت ردیف‌های تکراری در یک جایگاه ژنی و دسته‏ی دوم تعداد متفاوت ردیف‌های تکرار‌شونده در چندین جایگاه ژنی را نشان می‌دهند. الگوی بانددهی به‌دست آمده با استفاده از کاوشگر‌های VNTR تک مکانی ساده‏تر و قابل فهم‌تر است، زیرا هر فرد تعداد کمی باند واضح را نشان می‏دهد. در حالی‌که تعداد باندهای به دست آمده از کاوشگرهای مخصوص VNTRچند‌مکانی بیش‌تر است، به‌طوری که به‌طور هم‌زمان تا بیش از 30 باند به دست می‏آید(12).
در نخستین نشان‌گرهای مبتنی بر ماهوارک‌ها، از الیگونوکلئوتید‏های حاوی ریزماهواره به عنوان کاوشگر استفاده گردید و توسط علی و همکاران انگشت‌نگاری الیگونوکلئوتیدی نام‌گذاری شد.
از کاوشگرهای الیگونوکلئوتیدی نشان‏دار‌شده مکمل با موتیف‌های کوتاه تکرار‌شونده در هیبریداسیون در ژل، با به کارگیری DNAژنومی برش داده شده با آنزیم‌های برشی خاص و الکتروفورز ژل آگارز استفاده شده است. گوبتا و وارشنی در سال2000 طی تحقیقات خود مراحل زیر را برای انگشت‌نگاری الیگونوکلئوتیدی مطرح کردند:
جداسازیDNA ژنومی با وزن مولکولی زیاد
هضم DNAژنومی با یک آنزیم محدودگر مناسب
تفکیک قطعه‌های حاصل از هضم روی ژل آگارز
انتقال ساترن قطعه ها به غشا
دو ‏رگ‏گیری غشا با کاوشگر‏های(نشاندار با مواد پرتوزا یا غیر پرتوزا) الیگونوکلئوتیدی دربردارنده‏ی ردیف‌های دو یا سه تایی تکراری
خودپرتونگاری یا رنگ آمیزی برای مشاهده‏ی قطعه‌های دو رگ‌شده.
به‌کمک این روش می‌توان تنوع نواحی تکرار‌شونده‏ی مورد نظر را آشکار کرد. قطعه‌هایی از DNA که با الیگونوکلئوتیدها دو ‌رگ می‌شوند، در دامنه‌ای از اندازه‏ی چند صد جفت تا ده کیلو جفت باز قرار می‏گیرند. هم‌چنین گاهی بیش از یک نوع ماهواره در داخل یک قطعه‏ی برش داده شده قرار می‌گیرد. تفاوت‏هایی که این نوع نشان‌گرها نشان می‏دهند، به دلیل تفاوت در طول قطعه‌های برش داده‌شده‌ای است که در بردارنده‏ی ماهوارک‌ها هستند. از این روش برای شناسایی ژنوتیپ‌ها و همچنین در ژنتیک جمعیت استفاده می‌شود(12).
پس از مدتی، لیت و لوتی و سه گروه دیگر همین روش را برای ریزماهواره‏ها(عمدتا از نوع (CA)n) به‌کار بردند و دریافتند که ریز ماهواره‏ها به دو دلیل به مراتب آسانتر از ماهوارک‌ها با روش PCR تکثیر می‏شوند:
1-ریزماهواره‏ها کوچکتر از ماهوارک‏ها هستند؛
2-ردیف‌های تکرار‌شونده ریز ماهواره‏ای فراوانتر و توزیع آنها در کل ژنوم یکنواخت‌تر ازماهوارک‏هاست(13).
1-3-3-2 نشان‌گرهای مبتنی بر PCRنشان‌گرهای مبتنی بر PCR نشان‌گرهایی هستند که از توالی الیگونوکلئوتیدی به عنوان آغازگر برای تکثیر قطعه‏ی خاصی از DNA استفاده می‌کنند. روش‏های مختلف در این گروه، در طول و توالی آغازگرها، سختی شرایط PCR و روش‏های جداسازی و آشکار کردن قطعات با همدیگر فرق دارند.
انواع نشان‌گرهای مبتنی بر PCR به شرح زیر است:
تفاوت طول قطعه‌های حاصل از تکثیر(AFLP)
DNA چند شکل تکثیر‌شده‏ی تصادفی(RAPD)
تفاوت تک نوکلئوتیدی(SNP)
نشان‌گرهای مبتنی برنقاط نشانمند از ردیف (STS)
1-3-3-2-1 تفاوت طول قطعه‌های حاصل از تکثیر (AFLP)
در سال 1995 نشان‌گرهای جدیدی ابداع و معرفی شدند که به نظر می‌رسد بسیاری از محدودیت‌های نشان‌گر‌های پیشین را نداشته باشند. در این روش که AFLP نامیده می‏شود نشان‌گرهایی تولید می‏شوند که علاوه بر دارا بودن مزایایRFLP مانند دقت و تکرار‌پذیری ویژگی‌های مثبت روش‌های مبتنی بر واکنش زنجیره‌ای پلی‌مراز را نیز دارند. پایه‌ی این روش تکثیر انتخابی برخی قطعه‌ها از بین تمام قطعه‌های هضم شده‌ی DNA است و سه مرحله‌ی مجزا دارد:
هضمDNA با یه جفت آنزیم محدودگر و اتصال آنها به آداپتور‌های اولیگونوکلئوتیدی؛
طراحی، ساخت آغازگر و تکثیر انتخابی دسته‌ای از قطعه‌های حاصل از هضم .با استفاده از ردیف بازی آداپتور‌ها و نیز ردیف بازی نقاط برش، طراحی و ساخت آغازگر انجام می‌شود، اما برای تکثیر انتخابی قطعه‌های حاصل از هضم دو، سه یا چند نوکلئوتید به انتهای’3 ردیف آغازگر اضافه می‌شود که موجب می‌گردد فقط قطعه‌هایی تکثیر‌شوند که ردیف بلافصل آنها در مجاورت نقطه‌ی برش ،مکمل نوکلئوتیدهای یاد شده باشد؛
جداسازی قطعه‌های حاصل از تکثیر روی ژل‌های توالی‌یابی(پلی‌اکریل‌آمید) و خودپرتونگاری یا رنگ‌آمیزی نقره برای ثبت نتیجه‌ها.
با استفاده از این روش تعداد زیادی از قطعه‌های حاصل از هضم، تکثیر و قابل رویت می‌شوند. این در حالی است که نیازی به دانش اولیه در مورد توالی‌بازی قطعه‌هایی که تکثیر می‌شوند، وجود ندارند. هر یک از این قطعه‌هایی که به صورت باند روی ژل ظاهر می‌شوند، می‌توانند به عنوان یک نشان‌گر ژنتیک مورد استفاده قرار گیرند.
تعداد قطعه‌هایی که با این روش تکثیر می‌شوند، به دقت و توانمندی روش‌های جداسازی (الکتروفورز)، ثبت نتایج و تعداد نوکلئوتید اضافه شده به انتهای آغازگر بستگی دارد. معمولا در این روش بین پنجاه تا صد قطعه‌ی حاصل از هضم تکثیر و با استفاده از ژل‌های پلی‌اکریل‌امید واسرشت ساز ثبت می‏شوند(19)
مزایای AFLP
این روش در مقایسه یا سایر روش‌ها بیشترین تعدا نشان‌گر‌ها به ازای هر ژل را ایجاد می‌کند؛
در این روش نیازی به تهیه و تدارک و نگه‌داری کاوشگر نیست .دقت و تکرار‌پذیری این نشان‌گر به دلیل انتخاب دمای زیاد هم رشته‌سازی و اتصال آغازگر به DNA الگو بیشتر از RAPD است(20).
معایب AFLP
پیچیدگی نسبی این روش در مقایسه با سایر روش‌های میتنی برPCR ؛
عدم اطلاع از جایگاه ژنی نشان‌گر‌ها؛
غالب بودن این نشان‌گر موجب عدم امکان تشخیص افراد خالص از ناخالص می‏گردد؛
تکثیر قطعه‌های غیر‌واقعی در AFLP موجب کاهش قابلیت اعتماد این روش می‏گردد(20).
1-3-3-2-2 DNA چندشکل تکثیرشده‏ی تصادفی(RAPD)در این روش از تک آغازگرهایی به طول هشت تا ده نوکلئوتید که ردیف بازی آن به طور قراردادی تعیین می‌گردد، استفاده می‏شود. در این واکنش یک آغازگر منفرد نقاط مکمل خود را روی دو رشته‏ی DNA ژنومی می‌یابد و در آن نقاط به رشته‌های DNAمتصل می‌شود. چنانچه محل اتصال آغازگرها در روی دو رشته‏ی مقابل به هم نزدیک باشند(فاصله‏ای که DNA قابل تکثیر باشد)، ردیف بین آن دو نقطه طی واکنش PCR تکثیر خواهد شد. فراورده‌های واکنش PCRروی ژل آگارز از هم جدا می‏شوند. تولید هر باند بیانگر وجود شباهت زیاد بین ردیف بازی آغازگرها و ردیف بازی محل اتصال درDNA ژنوم است. به طور معمول هر آغازگر تکثیر چندین جایگاه مختلف را درDNA ژنومی هدایت خواهد کرد. وجود یا عدم وجود یک باند واحد در ژل های RAPD بیانگر جهش نقطه‌ای در محل اتصال آغازگرها و یا حذف یا (اضافه) شدن در ناحیه قابل تکثیر است. بنابراین چند شکلی در RAPDمعمولا به شکل حضور و غیاب یک باند پدیدار می‏شود. بدین معنی که نشان‌گرهای RAPD از نوع غالب‌اند و افرادی که دو نسخه از یک آلل دارند، به طور کمی از افرادی که یک نسخه از آن آلل را دارند، قابل تشخیص نیستند. تفاوت طول قطعه‏ها در RAPD از طریق تکثیر قطعه‌های DNA مکمل با ردیف‌های آغازگرهای اختیاری (ردیف مشخص ولی تصادفی) به‌دست می‌آیند. قطعه‏های تکثیر شده به صورت نوارهایی با وزن مولکولی متفاوت به‌طور مستقیم روی ژل قابل مشاهده‌اند (15).
مزایای RAPD
عدم نیاز به کاوشگر، مواد پرتوزا و غیره؛
امکان بررسی هم زمان چندین جایگاه در ژنوم؛
عدم نیاز به اطلاعات اولیه در مورد ریف DNA برای ساخت آغازگر(16).
معایب RAPD
عدم تکرار پذیری؛
حساسیت بسیار به آلودگی؛
در صورت تغییر شرایط محیطی ظهور باندهای جدید؛
نامعلوم بودن جایگاه نشان‌گر RAPD روی نقشه‌ی ژنتیکی(16).
1-3-3-2-3 تفاوت تک نوکلئوتیدی(SNP)تنوع‌ها و تفاوت‌هایی که به واسطه‏ی اختلاف در یک جایگاه نوکلئوتیدی(به علت جایگزینی، حذف یا ازدیاد) اتفاق می‌افتند، با عنوان تفاوت تک نوکلئوتیدی نامیده می‏شوند. این نوع از تنوع به‌وفور در ژنوم انسان اتفاق می‏افتد به طوری که مطالعات انجام گرفته توسط کاتانو-آنولز و گرس هوف (1998) در ژنوم انسان و اسب نشان می‏دهد که در فاصله‏ی هر دویست و پنجاه تا چهارصد نوکلئوتید یک SNP وجود دارد(17).
با اینکه‌SNP ها به وفور در ژنوم انسان یافت می‌شوند، ولی ایجاد و توسعه‌ی نشان‌گرهای SNP چندان آسان نیست. تهیه نشان‌گر‏های SNP شامل مراحل زیر است:
تعیین ردیف DNA اطراف SNP؛
تکثیر قطعه‌ای منحصر به فرد از DNA به کمک PCR به منظور غربال SNP؛
شناسایی SNP که شامل مشاهده‌ی دو آلل در افراد مختلف می‌باشد؛
مکان‌یابی نشان‌گر SNP و تعیین جایکاه خاص کروموزومی آن؛
تعیین فراوانی دو آلل در جمعیت؛
بررسی SNP در افراد و ژنوتیپ‌های مختلف(17).
برخی از معایب نشاگرهای SNP
SNPها به دلیل داشتن فقط دو آلل در یک جایگاه ژنی نسبت به نشان‌گر‌های چند آللی، اطلاعات کمتری را در نقشه‌های پیوستگی نشان می‌دهند؛
شناسایی نشان‌گرSNP بسیار پر‌هزینه و هم‌چنین زمان‌بر است(17).
1-3-3-2-4 نشان‌گرهای مبتنی برنقاط نشانمند از ردیف(STS)هر نشان‌گری که مبتنی بر واکنش PCR باشد و با استفاده از آغازگرهای اختصاصی (معمولا بیش از بیست نوکلئوتید) ایجاد شود، یک نقطه‌ی نشانمند از ردیف نامیده می‏شود، زیرا پیش از طراحی آغازگر، بی‏شک در یک مرحله ردیف‌یابی صورت گرفته است. نشان‌گرهایی همچون تفاوت طول قطعه‌های قابل تکثیر (ALP) و ریزماهواره‏ها از آن جهت که مستلزم ردیف‏یابی برای طراحی آغازگر به منظور تکثیر DNA در یک نقطه‌ی خاص هستند، ذیل STS دسته‌بندی می‌شوند:
-تفاوت طول قطعه‏های قابل تکثیر(ALP)
-ریز ماهواره‌ها (18).
1-3-3-2-4-1 تفاوت طول قطعه‏های قابل تکثیر(ALP)
ALP یکی از ساده‏ترین و سریع‏ترین نشان‌گرهای مبتنی بر PCR است. اگر ردیف باز‏های قطعه‏ای از DNA در یک موجود مشخص باشد (یا دست کم بخشی از دو انتهای آن قطعه معلوم باشد)، براساس آن می‏توان به طراحی و ساخت مصنوعی آغازگرهایی به طول بیست تا سی نوکلئوتید اقدام کرد. چنان‌چه نمونه‏های مختلف DNA توسط این آغازگرها و از طریق واکنش زنجیره‏ای پلی‌مراز تکثیر و سپس روی ژل الکتروفورز از هم جدا شوند، در صورت وجود اختلاف در طول قطعه‏ی قابل تکثیر، باندهایی به اندازه‏های مختلف تولید خواهند شد که بیانگر وقوع پدیده‏ی حذف یا اضافه در بین نمونه‏های مورد مطالعه است. این تفاوت در اندازه‏ی قطعه‏های قابل تکثیر که جهش‏های ژنتیک را نشان می‏دهد به عنوان نشان‌گرهای ژنتیک مورد استفاده قرار می‏گیرد(14).
مزایای ALP
از نظر کاربردی در بین نشان‌گرهای DNA،یکی از سریع ترین و ارزان‌ترین‌ها است؛
به‌کاربرد مواد پرتوزا یا بیوشیمیایی پیچیده نیاز ندارد؛
به‌تدارک، نگهداری و کاربرد کاوشگرها نیاز ندارد؛
بسیار اختصاصی عمل می‌کند، تکرار پذیری آن خوب است و تا حد بسیار زیادی می‌توان به نتایج آن اعتماد داشت؛
به‌مقدار خیلی کمی از DNA نیاز است؛
هم‌بارز بودن این نشان‌گر امکان تشخیص افراد خالص از هر یک از انواع افراد ناخالص را فراهم می‌آورد(14).
معایب ALP
طراحی و ساخت آغازگرها، به اطلاعات اولیه در مورد ردیف DNAژنوم مورد مطالعه نیاز دارد که با توجه به اینکه ژنوم بسیاری از موجودات به طور کامل در دسترس نیست این روش استفاده بسیار کمی دارد؛
هزینه‌ی اولیه مورد نیاز به منظور تولید تعداد کافی نشان‌گر ژنتیک با توزیع مناسب در سرتاسر ژنوم بسیار زیاد و مستلزم صرف وقت است(14).
1-3-3-2-4-2 ریزماهواره‌هاریزماهواره‏ها شامل واحدهای یک الی شش تایی تکرار شونده هستند که در ژنوم بیشتر یوکاریوت‏ها پراکنده‏شده‏اند. به طوری که در هر ده کیلو جفت باز از ردیف DNA دست کم یک ردیف ریزماهواره‏ای دیده می‏شود. طول ریز‌ماهواره‏ها معمولا کمتر از 100 جفت باز بوده و توسط دو ردیف منحصر به فرد در دو طرف محدود شده‏اند. ریزماهواره‏ها به سه گروه عمده‌ی تکرارهای کامل، تکرارهای ناکامل (معمولا توسط بازهای غیرتکرارشونده قطع می‌شوند) و تکرارهای مرکب(دو یا تعداد بیشتری از واحدهای مجاور یکدیگر) تقسیم می‏شوند. تعداد تکرارها در هر واحد بسیار متفاوت است. حداقل تعداد واحد تکرار‌شونده برای ریز ماهواره‏های دو نوکلئوتیدی به ترتیب ده و هفت بار تکرار تعیین شده است(21).
مزایای ریزماهواره‏ها
کاربرد آنها و تفسیر نتایج نسبتا ساده است؛
سیستم چند آللی(تا 11 آلل) از ویژگی‌های بارز این نوع نشان‌گر است؛
ریزماهواره‌ها بسیار متنوعند؛
به وفور در ژنوم یوکاریوت‏ها یافت می‏شوند؛
بیشتر ریزماهواره‏ها غیر‏عملکردی هستند؛
همبارز هستند [22].
1-4 فراوانی، توزیع و سازماندهی ریزماهواره‏ها در داخل ژنومریزماهواره‌ها بسیار فراوان بوده و در کل ژنوم موجودات به صورت تصادفی پراکنده اند. فراوانی ریزماهواره ها در بین موجودات زنده متفاوت است. برای مثال تخمین زده شده است که ژنوم انسان به طور میانگین ده برابر بیشتر از گیاهان ریزماهواره دارد. علاوه برDNA کروموزومی تعداد زیادی ریزماهواره در DNA کلروپلاست ها نیز گزارش شده است. به کمک روش‏هایی از قبیل دورگه‏گیری در ژل، نقشه‏یابی ژنتیکی و فیزیکی و هم چنین دورگه‏گیری در محل فلورسنت، ثابت شده است که ریزماهواره ها به طور یکنواخت در ژنوم پراکنده‏اند. اگرچه در برخی موارد می توانند به صورت مجتمع قرار گرفته باشند(12).
1-5 مکانیسم ایجاد تنوع در طول توالی‏های تکراریچنین فرض می‏شود که جهش در تعداد واحدهای تکرار شونده در هر یک ازDNA های تکرار شونده با یکی از دو سازوکار کراسینگ آور نامساوی(uco) یا جفت نشدن ناشی از سرخوردن در طول رشته (خطای همانندسازی DNA ) صورت می‏گیرد. بیشتر عقیده بر این است که ریزماهواره‏ها و ماهواره‏ها توسط سازوکار کراسینگ آور نامساوی ایجاد می‏شوند، ولی در مورد ریزماهواره‏ها برخی افراد یکی از دو سازوکار و برخی دیگر هر دو سازوکار را موثر می‏دانند(23).
1-5-1 کراسینگ اور نابرابرگاهی کراسینگ اور نابرابر در داخل تکرارهای ریزماهواره‏ای بین کروموزوم های مشابه یا خواهری اتفاق می‏افتد و سبب تغییر در تعداد واحدهای تکرار شونده می‏شود.(شکل 1-2).کراسینگ اور نابرابر می‏تواند هم در میوز و هم میتوز اتفاق بیفتد. چنین توجیه می‏شود که وجود نواحی تکرارشونده احتمالا مانع از ردیف شدن کامل در همولوگ یا کروموزوم‏های خواهری می‏شود. به نظرمی‏رسد که این نوترکیبی مکانیزم اصلی ایجاد تنوع مینی‏ستلایتی است(23).

شکل 1-2 کراسینگ آور و مبادلات نابرابر بین کروماتیدهای خواهری سبب ایجاد حذف شدگی یا الحاق می‌شود(23.)
1-5-2 عدم جفت شدن ناشی از سرخوردن DNA در طول رشته(خطاهای همانند سازی)گاهی DNA پلی‌مراز در طول همانند سازی در نواحی تکرار شونده‏ی ریز ماهواره‏ای سر می‏خورد و موجب تغییر در تعداد واحد تکرار شونده می‏شود. در حقیقت سر خوردن پلی‌مراز در طول نواحی تکراری موجب عدم جفت شدن کامل دو رشته‏ی DNA شده و در نهایت حلقه‌هایی در رشته‌ی الگو یا رشته‏ی جدید ایجاد می‏شود(شکل1-3). این امر مکانیسم اصلی به وجود آورنده‏ی چندشکلی در میکروستلایت‌هاست(23).

شکل 1-3 متزلزل بودن پلی‌مراز حین همانندسازی DNA می‏تواند طول تکرار را به اندازه یک یا دو واحد تغییر دهد(23).اگر نتیجه‏ی همانند سازی ایجاد واحد های تکرار شونده‏ی اضافی باشد، حلقه در رشته ی جدید و اگر نتیجه‌ی همانند سازی کاهش در تعداد واحد‏های تکرار شونده باشد، حلقه در رشته‏ی الگو تشکیل خواهد شد(23).
گلدستین و شلوترر فرضیه‏ی عدم جفت شدن ناشی از سر‏خوردن در طول رشته را نسبت به فرضیه کراسینگ آور نامساوی به دلایل زیر به واقعیت نزدیکتر دانسته‏اند:
الف)‌در انسان بسیاری از تغییرات ریز ماهواره‏ای موجب تغییر در نشان‌گر های مجاور ناحیه ی ریز ماهواره‏ای نمی‌شود. بنابراین در ایجاد چنین تغییراتی نوترکیبی بی‏تاثیر است. از آنجا که جهش در فرضیه کراسینگ اور نامساوی، وابسته به نوترکیبی است، تغییرات ریز ماهواره ای و عدم تغییر نقاط مجاور با این فرضیه قابل توجیه نیست.
ب)‌نقصان در ژن‏هایی که در نوترکیبی نقش اساسی دارند تاثیری در پایداری ریز ماهواره‏ها ندارد.
ج)‌مطالعات انجام گرفته در ساکارومایسزسرویزیه نشان می‏دهد که پایداری ریز ماهواره‏ها در سلول‏هایی که تقسیم میوز را انجام می‏دهند مشابه با یاخته ها در تقسیم میتوز است. با توجه به اینکه نوترکیبی در میوز بیشتر از میتوز است، پس اگر فرضیه‏ی کراسینگ اور نامساوی صادق باشد، باید ریز ماهواره‏ها در میوز ناپایدارتر از میتوز باشد(23).
1-6 دامنه تنوع واحدهای تکرارشوندهدو مدل متفاوت برای توصیف دامنه‏ی تنوع تعداد واحدهای تکرار شونده‏ی ریز ماهواره‏ای وجود دارد:
1.مدل جهش گام به گام
2. مدل آللی نا محدود
1-6-1 مدل جهش گام به گاماگر فرض کنیم در ریزماهواره‏ها یک گام معادل تغییر در یک واحد تکرار شونده باشد، بنابر این مدل ریز ماهواره‏ها از نظر اندازه فقط در تعداد محدودی گام تفاوت دارند، به‌طوری که هر گام از گام بعدی به وسیله‏ی یک واحد تکرار شونده جدا می‏شود. در این مدل چنین فرض می‏شود که بسیاری از جهش‏های با فراوانی زیاد، فقط ریزماهواره‏ها را در یک گام یا دو گام‌(در یک زمان) تغییر می‏دهند. طرفداران این نظریه معتقدند که در بیشتر آزمایش‏ها، بیشترین تغییر در ساختار ریزماهواره‏ها مربوط به افزایش یا کاهش در یک واحد تکرار شونده بوده است(10).
1-6-2 مدل آللی نا‏محدودبر اساس این مدل هیچگونه محدودیتی در اندازه‏ی پتانسیل ریزماهواره‏ها وجود ندارد. از این رو تعداد نا محدودی از انتخاب‏ها می‌توانند اتفاق بیفتند که تمامی آنها احتمال یکسان را داشته باشند.
بسیاری از پژوهشگران معتقدند که ترکیبی از این دو مدل(عموما تغییر در یک یا دو واحد تکرار شونده و به مقدار کمتر تغییرات بزرگتر) بهتر می‌تواند تغییرات جهشی در ریزماهواره‏ها را توضیح دهد(10).
1-7 مارکرهای STRتوالی‏های تکراری کوتاه پشت سر هم(STRS) ، توالی‏های تکرارشونده کوتاه با طول 1-13 نوکلئوتید هستند که به شکل سر به دم قرار می‏گیرند. در ژنوم انسان، معمول‏ترینSTR ، توالی دو نوکلئوتیدی [CA]n است،که در این فرمول n تعداد تکرارهاست که معمولا بین 5 تا 20 بار متغیر است(24).
1-8 کاربرد مارکرهای STRمارکرهایSTR کاربردهای فراوانی دارد که از مهمترین آنها تعیین هویت افراد است(25). تعیین هویت در موارد بسیاری کاربرد دارد که از جمله‏ی آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- مطالعات شجره‏ای و روابط فامیلی
2- شناسایی هویت قربانیان حوادث
3- تعیین هویت در موارد جنایی
4- ردیابی تاریخ بشر و مطالعات جمعیتی(26).
1-8-1 مطالعات شجره‏ای و روابط فامیلیاز مارکرهایSTR می توان برای بررسی خویشاوندی دو یا چند نفر استفاده کرد. این نوع مطالعه را آنالیز فامیلی می‌گویند و کاربرد متداول آن در بررسی رابطه والدین ـ فرزندی است(27).
هرساله بیش از 300000 مورد تست ابویت به منظور تعیین رابطه پدر فرزندی در ایالات متحده انجام می‏شود. این تست‏ها معمولا شامل یک مادر، یک کودک و یک یا چند پدر مدعی است. همانطور که می‏دانیم هر فرد دارای دو سری آلل می‏باشد که یک سری آن را از پدر و سری دیگر را از مادر دریافت کرده است. بدین منظور آلل‏های پدر و فرزند برای یافتن تعدادی از جایگاه‏هایSTR مورد بررسی قرار می‏گیرند. اساس این تست بر این است که در فقدان جهش، آلل‏های کودک باید مطابقت کاملی با آلل‏های پدری و مادری داشته باشد(28-29-30).

شکل 1-4 آلل‏های فرزندان مجموعه‏ای از آلل‏های والدین آنها می‏باشد(26).علاوه بر این بسیاری از افراد برای شناسایی اقوام خود از مارکرهایSTR استفاده می‏کنند. برای مثال با آنالیز STR های کروموزومY می توان نسبت فامیلی میان مردان یک خانواده را مشخص کرد. زیرا همان‌طور که می‏دانید کروموزومY توارث پدری دارد و از پدر به تمام پسران به ارث می‌رسد. پس طبیعی است که تمام پسران خانواده در همه‏ی نسل‌هاSTR های یکسانی روی کروموزوم Y خود داشته باشند. آزمایشی که بدین منظور انجام می‏گیرد آزمایش Y-filer نامیده می‏شود. به کمک این آزمایش می‏توان روابط میان برادرها، عمو و برادرزاده و... را مشخص نمود(27-31).
1-8-2 شناسایی هویت قربانیان حوادثفجایع بزرگ، طبیعی یا بدست بشر، می‌تواند جان افراد بسیاری را بگیرد، تست‏‏‏هایی که برای شناسایی قربانیان حادثه انجام می‏شود، تست تعیین هویت قربانیان حادثه نامیده می‏شود. از این تست در مواردی مانند سقوط هواپیما ،آتش سوزی‏های بزرگ و حوادث تروریستی استفاده می‏شود. در این قبیل حوادث با استفاده از اسامی افراد، خانواده‏های آنها شناسایی می‏شوند و پس از مراجعه‏ی خانواده‌ها، از اعضای خانواده شامل پدر، مادر، فرزند، خواهر و برادر نمونه‏ی DNA گرفته می‏شود و نواحی STR آنها بررسی می‏شود. پس از این مرحله با استفاده از DNAبه دست آمده از بقایای اجساد پروفایل ژنتیکی آنها تهیه می‏شود و در نهایت با مقایسه‏ی پروفایل‏های تهیه شده هویت قربانیان شناسایی می‏شود(32).
1-8-3 تعیین هویت در موارد جناییتعیین هویت در موارد جنایی شامل دو بخش می‏باشد:
شناسایی افراد مجهول الهویه
ردیابی مجرمین(25).
1-8-3-1 شناسایی افراد مجهول الهویههر ساله میلیون‏ها نفر در سراسر جهان تحت شرایط مشکوکی مفقود می‏شوند. بسیاری از این افراد قربانی فعالیت‏های مجرمانه از قبیل تجاوز و قتل می‏شوند و هویت آنها ناشناس باقی می‏ماند. در این موارد هم می‏توان از مارکرهای ژنتیکی موجود در DNA افراد برای تعیین هویت آنها استفاده کرد(33).
سه دسته نمونه در مورد افراد قربانی وجود دارد:
1-نمونه مستقیم از فرد قربانی
2-نمونه خانواده قربانی
3-نمونه‌های ناشناس باقی مانده از انسان در صحنه‏ی جرم
این نمونه‏ی باقی مانده می‏تواند استخوان، دندان، بافت، تار مو، لکه ی خون و یا هر چیز دیگری باشد(34).
1-8-3-2 ردیابی مجرمینعلاوه بر این می‏توان از آنالیز DNA برای ردیابی و شناسایی مجرمین استفاده کرد. این که فردی مرتکب جرم و جنایتی بشود و نمونه‌ای از DNA خود را به جا نگذارد، تقریبا غیرممکن است. مو، لکه‌های خون و حتی اثر انگشت، مقادیر بسیار جزئی از DNA را دارند که برای مطالعه با PCR کافی هستند. این بررسی‌ها لازم نیست که بلافاصله انجام شوند، زیرا در سال‌های اخیر، با آزمایش DNA روی مواد بایگانی شده، تعدادی از جنایات گذشته ـ با عنوان پرونده‌های مختومه ـ نیز روشن شده است(35).
باید به خاطر داشته باشیم که یک پروفایل DNA به تنهایی فاقد اعتبار است و کاربردی ندارد. همیشه برای بررسی یک پروفایل DNA نیاز است که یک مقایسه‏ای انجام شود:
1-نمونه ی مورد بررسی که با Q مشخص می شود
2-نمونه شناخته شده که با K نمایش داده می شود
در موارد جنایی، نمونه ی صحنه ی جرم (Q) با نمونه ی فرد مظنون (K) و یا مظانین (K1,K2,K3,K...) مقایسه می شود . در یک مورد بدون مظنون، نمونه ی صحنه ی جرم با نمونه هایی که در اطلاعات کامپیوتری از افراد سابقه دار وجود دارد، بررسی می شود . (K1,K….,KN)(34).

شکل 1-5 شناسائی مجرمین به کمک مارکرهای STR(26).1-8-4 ردیابی تاریخ بشر و مطالعات جمعیتیباستان شناسان با بررسی و مقایسه توالی DNA انسان‌های امروزی با افراد مرده، به کشف منشأ تکاملی انسان امروزی و مسیرهای استقرار انسان در کره زمین می‌پردازند. این زمینه تحقیقاتی آرکئوژنتیک نامیده می‌شود(35).
ردیابی مهاجرت انسانی در طول تاریخ با استفاده از آنالیز DNA روش نوینی است. هدف از این کار تخمین ارتباط میان جمعیت ها بر اساس شباهت‏ها و تفاوت‏هایDNA آنها است. به همین منظور پروژه‏ی عظیمی در سال2005 به منظور ردیابی تاریخ بشر انجام شد که در آن از ده ها هزار نفر از افراد در سراسر جهان آزمایش به عمل آمد. اساس کار بر این مطلب است که اگر تکامل ژنوم‏ها به دلیل انباشتگی جهش ها رخ داده باشد، بنابراین میزان اختلاف در توالی نوکلئوتید های دو ژنوم می تواند زمان حضور جد مشترک آنها را مشخص نماید. انتظار می رود دو ژنومی که اخیرا از یکدیگر جدا شده اند در مقایسه با دو ژنومی که جد مشترک آنها قدیمی‏تر است، اختلاف کمتری داشته باشند(36).
در مطالعه روی یافتن مبدا انسان‏های امروزی و الگوی جغرافیایی مهاجرت‏های بشر از مطالعه‏ی ژن‏ها در جمعیت‏ها می‏توان استفاده کرد. بدین منظور ژن‏های انتخابی جهت بررسی باید دارای گوناگونی باشند. در صورت فقدان گوناگونی ژن‏ها، اطلاعات فیلوژنتیکی بدست نمی‏آید، زیرا همه‏ی افراد حتی اگر به جمعیت‏های مجزایی تقسیم شده باشند که تنها به صورت متناوب با یکدیگر آمیزش داشته‏اند، همچنان دارای همانندی‏های بسیاری خواهند بود. بدین معنی که توالی DNA مورد استفاده در آنالیز فیلوژنتیکی باید از متنوع ترین توالی‏های متغیر باشد(36).
در انسان از سه نوع توالی استفاده می‏شود :
ژن های چند آللی مانند اعضای خانواده‏ی HLA، که اشکال بسیار متفاوتی دارند .
ریز ماهواره‏ها که STR ها نیز جز این گروه به حساب می‏آیند .
DNA میتوکندریایی که به دلیل فقدان سیستم‏های ترمیمی موجود در هسته‌های سلول انسان که نسبتا به سرعت دچار انباشتگی نوکلئوتیدی می‏شوند. انواع مختلف DNA میتوکندریایی موجود در یک گونه را هاپلوگروه می‏نامند(36).
باید توجه نمود که آلل‌ها و هاپلوگروه‌های مختلف به طور هم‌زمان در جمعیت‌ها وجود دارند. به این ترتیب این لوکوس‏ها چند شکلی بوده و به کمک مقایسه ترکیب آلل‌ها و یا هاپلوگروه‌های آنها می‌توان اطلاعات مربوط به وابستگی بین افراد مختلف را بدست آورد. به دلیل جهش‌های ایجاد شده در سلول‏های تولید مثلی هر یک از موجودات، آلل‏ها و هاپلوگروه‏های جدیدی در جمعیت ظاهر می‏شوند. هر یک از آلل‏ها، فراوانی آللی خود را دارند که در طول زمان به دلیل انتخاب طبیعی و تغییر ژنتیکی اتفاقی تغییر می‌کند. انتخاب طبیعی به دلیل تغییر در تناسب (توانائی یک موجود جهت بقا و تولید نسل) رخ می‌دهد و بنابر نظریه‌ی داروین منجر به حفظ انواع مناسب و از بین رفتن انواع زیان آور می‏گردد. به این ترتیب انتخاب طبیعی، فراوانی آلل‏های کاهنده‏ی تناسب را کم کرده و فراوانی آلل‏های افزاینده‌‌ی تناسب را افزایش می‏دهد. در حقیقت در یک جمعیت آلل‏های اندکی ایجاد می‏شوند که تاثیر قابل توجهی بر تناسب موجود داشته باشند، اما هم‌چنان فراوانی آنها به دلیل تغییر ژنتیکی اتفاقی که جز جدا نشدنی طبیعت تولد،تولید مثل و مرگ است در حال تغییر می‏باشد. به دلیل انتخاب طبیعی یا تغییر ژنتیکی اتفاقی ممکن است یک آلل در جمعیت غالب شده و فراوانی آن به صد در صد نیز برسد، به طوریکه این آلل در جمعیت تثبیت شود. اگر یک گونه به دو جمعیت تقسیم شود به طوریکه آمیزش‌های فراوانی بین دو جمعیت رخ ندهد، فراوانی آلل در دو جمعیت به طور مختلف تغییر می‌کند. بنابراین پس از چند ده نسل این دو جمعیت ویژگی‏های ژنتیکی مجزایی را کسب می‏کنند. سرانجام جایگزینی ژنی متفاوتی در این دو جمعیت اتفاق می‏افتد ولی حتی قبل از آن نیز می‏توان از روی اختلاف فراوانی آللی در دو جمعیت، آن دو را از هم باز شناخت(36).
محققان طی سال‏ها تحقیقات در سراسر جهان با استفاده از اصول تئوری اطلاعات، پارامترهای عمومی برای هر جمعیت را به منظور تعیین مقدار اطلاعاتی که مارکرهای STR در جمعیت‏ها به ما می‏دهند، تعریف کردند. در یک نمونه‏گیری از مارکرهای افراد از سراسر جهان، مارکرهایی که بیشترین چندشکلی را در میان جمعیت‏های مختلف داشتند و منحصر به جمعیت‏های خاص بودند، انتخاب شدند .امروزه از این مارکرها برای بررسی تنوع و تفاوت میان جمعیت‏ها استفاده می‏شود(37).
1-9 سایر کاربردهای مارکرهای STRمارکرهای مختلف STR تحت عنوان کیت های تجاری مختلف در کنار تست‏های تعیین هویت کاربردهای گسترده‏ی دیگری دارند که از مهم ترین آنها می‏توان به موارد زیر اشاره کرد:
جمع آوری سلول های جنینی از خون مادر؛
بیماری های نقشه‏ی ژنومی؛
مشخص نمودن خطوط سلولی؛
تعیین هویت افراد استفاده کننده‏ی سرنگ مشترک؛
تشخیص کلون‏های موفق؛
بررسی و نظارت بر روی پیوند عضو؛
تشخیص کایمرهای ژنتیکی؛
تشخیص تومورهای سرطانی(26).
1-9-1 جمع آوری سلول های جنینی از خون مادرهنگامی که یک خانم باردار است تعدادی از سلول‌های جنینی می‏توانند از راه جفت وارد جریان خون مادر شوند. جمع‌آوری این سلول ها که تحت عنوان micro chimerism خوانده می‏شود و بررسی آنها با مارکرهای STR یک روش غیر تهاجمی برای تعیین رابطه‌ی پدر فرزندی است. همچنین با استفاده از این روش می‏توان جنسیت جنین را نیز تعیین نمود(26).
1-9-2 نقشه‏ی ژنوم بیماری‏ها
اسکن ژنوم انسان برای شناسایی نقشه ژنوم بیماری‏ها به طور معمول با استفاده از حدود چهارصد نشان‌گر STR در سراسر ژنوم در فواصل 10 سانتی مورگان انجام می‏شود. مرکز تحقیقات بیماری‏های ارثی در طول سال ها مطالعات و آزمایشات بسیاری را روی صدها نفر با استفاده از مارکرهای STR انجام داده است. هدف از این آزمایشات یافتن ارتباط میان فراوانی آللی در جمعیت های مختلف و بیماری های ژنتیکی بود. در پژوهش‌های صورت یافته ارتباط میان برخی مارکرها و بیماری‏ها مشخص شد. پس از آن از مارکر‏های مذکور می‏توان برای شناسایی تعیین دقیق محل ناشناخته‏ی ژن بیماری استفاده کرد(26).
1-9-3 تعیین هویت افراد استفاده کننده از سرنگ مشترکیکی دیگر از کاربردهای مارکرهایSTR نشان دادن به اشتراک گذاری سرنگ در میان مصرف کنندگان مواد مخدر است. با این روش و با استفاده ازجایگاه D8 آزمایشگاه قادر به تشخیص هویت فرد و یا افرادی است که از یک سرنگ مشترک برای تزریق مواد مخدر استفاده کرده‏اند. با این روش می‏توان هویت شخصی را که منشا انتقال بیماری عفونی بوده و از سرنگ مشترک با سایر افراد استفاده می‏کرده تعیین نمود(26).
1-9-4 تشخیص کلون‏های موفقهنگامی که یک موجود کلون می‏شود ازSTR Typing برای آزمایش آن موجود استفاده می‏شود. برای مثال در کلون کردن موجوداتی مانند سگ و گربه. این روش برای آزمودن میزان موفقیت در کلون کردن به کار می‏رود. اگر یک پروفایل STR یکسان میان موجود کلون شده و سلول‎های مادری اولیه مشاهده نشود، در این صورت کلون کردن موفقیت آمیز نبوده(26).
1-9-5 بررسی و نظارت روی پیوند عضواز کاربردهای دیگر مارکرهای STR، نظارت پیوند سلول‏های پیوند شده بعد از پیوند مغز استخوان است، آزمایش STR از فردی که پیوند گرفته می‏تواند در تشخیص نارسایی پیوند مفید واقع شود(26).
1-9-6 تشخیص کایمرهای ژنتیکیChimerism حضور دو خط سلولی ژنتیکی متفاوت در یک ارگانیسم است که می‏تواند از طریق پیوند سلول‏های بنیادی خونی و یا انتقال خون و یا به طور ارثی در شخص اتفاق بیفتد. در سال 2004 آزمایشی روی افراد دهنده و گیرنده‏ی پیوند انجام شد که توانایی بالای 27 نشان‌گر STR به کار گرفته شده، ازجمله نشان‌گرهای CODIS در تشخیص کایمرها شگفت انگیز بود(26).
1-9-7 مشخص نمودن خطوط سلولیدر آزمایشگاه خطوط سلولی می‏توانند با سایر خطوط سلولی آلوده شوند. در نتیجه ممکن است با هم مخلوط و یا به یکدیگر تبدیل شوند احراز هویت خط سلولی انسان در حال حاضر به وسیله ی سازمانی در آمریکا انجام شده است. به کمک مارکرهای STR می‏توان آلودگی متقاطع بین خطوط سلولی مختلف را به سرعت کشف کرد و همچنین می‏توان برای مشخص کردن خطوط سلولی انسان به عنوان یک مرجع جهانی سود جست. در طول چند سال گذشته بیش از 500 خط سلولی از انسان به کمک این روش و با استفاده از 8 جایگاه STR بدست آمده است(26).
1-9-8 تشخیص تومورهای سرطانیفقدان هتروزیگوسیتی (LOH) پدیده‏ای است که در آن حذف در یک ناحیه‏ی لوکوس منجر به عدم تکثیر در PCR می‏شود، به طوری که یک هتروزیگوت واقعی به عنوان یک هموزیگوت به نظر می رسد. این پدیده در بسیاری از افراد مبتلا به تومورهای سرطانی دیده می‏شود. بررسی روی بافت های سرطانی با بافت نرمال با استفاده از STR نشان می‏دهد که جایگاه های مختلف در بافت سالم ارتفاع بلندتری نسبت به بافت های سرطانی نشان می دهند؛چرا که LOH سبب حذف در آن ناحیه شده است(26).
1-10 روش‏های کلی شناسایی هویت افراد در سطح مولکولیدو روش کلی برای شناسایی هویت افراد در سطح مولکولی عبارتند از:
اثر انگشت ژنتیکی از طریق هیبرید کردن با DNA جستجوگر
تعیین الگوی DNA با PCR توالی‌های کوتاه تکراری(38).
1-10-1 روش انگشت‌نگاری ژنتیکی از طریق هیبرید کردن با DNA جستجوگراولین روشی که در آنالیز DNA با هدف شناسایی افراد به کار رفت، روشی بود که در اواسط دهه 1980 توسط سر آلک جفری از دانشگاه لیستر ارائه شد . این روش براساس نوع دیگری از تنوع ژنوم انسان، موسوم به توالی تکراری بسیار متغیر پراکنده بود. همانگونه که از نام این توالی‌ها بر می‌آید، این توالی‌ها عبارتند از یک توالی تکراری که در جایگاه مختلفی‌(به‌طور پراکنده) از ژنوم انسان وجود دارد. نکته کلیدی این توالی‌ها این است که جایگاه ژنتیکی آنها متنوع است و در افراد مختلف در جایگاه‌های مختلفی از ژنوم قرار دارند(38).
توالی که در ابتدا برای انگشت‌نگاری ژنتیکی بکار رفت، توالی GGGCAGGANG (N: هریک از چهار نوکلئوتید) بود. برای تهیه اثر انگشت یک نمونه، DNA آن را با آنزیم محدودگر برش می‌دهند و قطعات حاصل را با استفاده از الکتروفورز ژل آگارز از هم تفکیک کرده و با آزمون ساترن بلات مورد بررسی قرار می‌دهند. هیبریداسیون با جستجوگری که دارای این توالی بود چند سری از نوارها را مشخص کرد. هریک از این نوارها مربوط به قطعه‌ای از DNA هضم شده بود که دارای این توالی تکراری بود. به دلیل تنوع جایگاه‌های این توالی اگر این آزمون با نمونه DNA فرد دیگری تکرار شود، نتیجه متفاوتی به دست می‌آید و می‌توان نتایج حاصل را انگشت‌نگاری ژنتیک این افراد محسوب نمود . در شکل 1-6 مراحل انگشت نگاری ژنتیکی نشان داده شده است(38).

شکل 1-6 مراحل انگشت نگاری ژنتیکی(38)
1-10-1-1 محدودیت‏های روش انگشت نگاریاین روش در کارهای جنایی خود را بسیار ارزشمند نشان داد اما سه محدودیت داشت:
مقادیر بالایی از DNA برای انجام آزمون مورد نیاز است، زیرا این روش نیازمند آنالیز هیبریداسیون است. برای انگشت‌نگاری نمی‌توان از مقادیر اندک DNA موجود در مو و لکه‌های خون استفاده کرد.
بحث کردن در مورد الگوهای حاصل از انگشت‌نگاری مشکل است، زیرا نوارهای حاصل شدت و ضعف‌های متفاوتی دارند. از نظر قانونی، کوچک‌ترین اختلاف شدت در انگشت‌نگاری ژنتیکی یک متهم برای برائت او کافی است.
با وجود اینکه جایگاه‌های تکراری پراکنده بسیار متنوع هستند، اما اندک احتمالی نیز برای یکسان بودن یا حداقل تشابه الگوی حاصل از دو فرد وجود دارد. این موضوع می‌تواند منجر به برائت یک متهم شود(38).
1-10-2 روش پروفایلینگ
روش قدرتمند پروفایلینگ DNA چنین مشکلاتی را ندارد. در پروفایلینگ از توالی‌های معروف به توالی‌های چند شکلی STR استفاده می‌شود. در این روش، به وسیله PCR با پرایمرهایی که به توالی‌های جانبی STR می‌چسبند، به سرعت می‌توان مقادیر بسیار اندک DNA را افزایش داد. بعد از PCR، محصولات از نظر اندازه نوارها یا وجود نوارهایی که الل‌ یا آلل‌های موجود در نمونه DNAی مورد آزمون هستند، با الکتروفورز ژل آگارز بررسی می‌شوند. روش پروفایلینگ DNA، به دلیل استفاده از PCR بسیار حساس است و امکان انجام آزمون روی مو و دیگر نمونه‌هایی که مقادیر اندکی DNA دارند، فراهم می‌آورد. در نتایج حاصل نیز شکی وجود ندارد و مقایسه میان پروفایل‌های DNA معمولا به عنوان یک مدرک پذیرفته می‌شود. با استفاده از این روش امکان اینکه دو نفر، البته بجز دوقلوهای یکسان، دارای پروفایل‌ مشابهی باشند برابر یک در 1015 می‌باشد. با توجه به جمعیت کره زمین که حدود 109×6 می‌باشد، امکان تشابه آماری پروفایل مربوطه در دو نفر به قدری اندک است که می‌تواند غیرممکن تلقی گردد. نوع هر STR با PCR بوسیله پرایمرهایی که با فلورسنت نشاندار شده‌اند و به دو طرف نواحی تکرار شونده متصل می‌گردند، تعیین می‌شود. سپس الل‌های موجود در STRها با تعیین اندازه به وسیله ژل الکتروفورز موئینه‌ای مشخص می‌شوند. دو یا چند STR می‌تواند با PCR چندگانه مشخص گردد، مشروط به اینکه محصولات از لحاظ اندازه همپوشانی نداشته باشند یا هر جفت پرایمر با فلورسانت متفاوتی نشاندار شده باشند تا امکان تشخیص در ژل الکتروفورز موئینه را داشته باشند. در شکل 1-7 مراحل روش پروفایلینگ نشان داده شده است‌(38).

شکل 1-7 مراحل پروفایلینگ ‌DNA(36).1-11 تاریخچه استفاده از مارکرهایSTR
مارکرهای STRبرای اولین بار به عنوان ابزاری قوی در تست تعیین هویت انسانی در سال 1990 به‌کار گرفته شدند. دستگاه پزشکی قانونی ((FSS مطالعه برای شناسایی جایگاه‌های جدید و ارتباط جایگاه های شناخته شده با تنوع در جمعیت‏ها را آغاز کرد. پس از آن پلیس سلطنتی کانادا (RCMP) به همراه تعدادی از آزمایشگاه‌های اروپا تلاش‌های اولیه را در رابطه با جایگاه های STR آغاز کردند. اولین جایگاه‏های مورد استفاده شامل چهار جایگاه TH01،VWA ، FES/FPS و.F13A1 نسل دوم کیت‌ها ((SGM شامل جایگاه‌های TH01، VWA‌، FGA ،D8S1179 ،D18S51 و D21S11 بود. پایگاه داده‌های ملی DNA انگلستان ((NDNAD در سال 1995 جایگاه ژن آمیلوژنین (برای تعیین جنسیت) را به کیت SGM اضافه کرد. با توجه به تکنولوژی STR Typingو موفقیت‏هایی که در این زمینه در انگلستان به‌دست آمد، FBI درصدد برآمد که با استفاده از لوکوس‌های STR، بنیان CODIS را شکل دهد(41).
1-12 CODIS چیست؟سیستم شاخص اندیس‌دهی ترکیبی CODISشامل سیزده جایگاه STRاست. در شکل 1-8 محل قرارگیری این جایگاه‌ها روی کروموزوم‌های انسان نشان داده شده‌اند. نرم افزار CODIS در سال 1990 به عنوان نرم افزاری برای FBI تاسیس گردید. این نرم افزار در صورت اولیه برای آنالیز پروفایل‏های RFLP مورد استفاده قرار می‏گرفت که در بانک اطلاعاتی قابل جستجو بود. تکنولوژی DNA پزشکی قانونی و تکنولوژی کامپیوتری با یکدیگر ادغام گردیدند و باعث بهبود این نرم افزار شدند و این بهبود در جهت نیاز‌های پزشکی قانونی صورت گرفت. در سال 1997نرم افزار CODIS بر اساس مارکرهای STR طراحی شد. سیزده جایگاه STRکه امروزه تحت عنوان CODIS خوانده می‏شوند، عبارتند‌از:
D8S2179
D21S11
D7S820
CSF1PO
D3S1358
TH01
D13S317
D16S539
VWA
TPOX
D18S51
D5S818
FGA (42).

شکل 1-8 جایگاه‌های CODIS روی کروموزوم های انسان(25).1-13 کیت مورد استفاده در تعیین هویت
برای تعیین هویت از کیتAmp FI STR Identifiler PCR Amplification استفاده می‌شود، که حاوی 15 جایگاه تترانوکلئوتید STRبه همراه مارکر آمیلوژنین که برای تشخیص جنسیت به کار می‏رود می‏باشد. از این پانزده جایگاه، سیزده جایگاه، جایگاه‌های شناخته شده‏ی سیستم اندیس دهی ترکیبی‌(CODIS) هستند، اما علاوه بر آنها دو جایگاه دیگر هم در این کیت گنجانده شده است. جدول(۱-1) نشان دهنده‌ی نام جایگاه‏های موجود در CODIS، به همراه موقعیت کروموزومی هر یک از جایگاه‏ها و آلل‏های موجود در هر جایگاه است(43).
جدول 1-1 جایگاه‏های موجود در کیت ABIآلل‌های موجود در هر جایگاه موقعیت کروموزومی نام جایگاه
8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 8 D8S2179
24,24.2,25,26,27,28,28.2,29,29.2,
30,30.2,31,31.2,32,32.2,33,33.2,
34,34.2,35,35.2,36,37,38 21q11.2-q21 D21S11
6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 7q11.21-22 D7S820
6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 5q33.3-34 CSF1PO
12,13,14,15.16,17,18,19 3p D3S1358
4,5,6,7,8,9,9.3,10,11,13.3 11p15.5 TH01
8,9,10,11,12,13,14,15 13q22-31 D13S317
5,8,9,10,11,12,13,14,15 16q24-qter D16S539
15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,
26,27,28 2q35-37.1 D2S1338
9,10,11,12,12.2,13,13.2,14,14.2,15,
15.2,16,16.2,17,17.2 19q12-13.1 D19S433
11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,
22,23,24 12p12-pter VWA
6,7,8,9,10,11,12,13 2p23-2per TPOX
7,9,10,10.2,11,12,13,13.2,14,14.2,
15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25
26,27 18q21.3 D18S51
X,Y Amelogenin
7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 5q21-31 D5S818
17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,26.2
27,28,29,30,30.2,31.2,32.2,33.2,
42.2,43.2,44.2,45.2,46.2,47.2,48.2
50.2,51.2 4q28 FGA
1-14 معرفی استان‏ها1-14-1 استان کرمانشاه
کرمانشاه یکی از باستانی‌ترین شهرهای ایران است و بر اساس افسانه ها توسط طهمورث دیوبند - پادشاه افسانه‌ای پیشدادیان ساخته شده است. برخی از مورخین بنای آن را به بهرام پادشاه ساسانی نسبت می‌دهند. کرمانشاه در زمان قباد اول و انوشیروان ساسانی به اوج عظمت خود رسید. در اوایل حکومت شاه اسماعیل صفوی سلطان مراد آق قویونلو با 70 هزار نفر کرمانشاه و همدان را اشغال کرد. صفویه برای جلوگیری از تجاوز احتمالی امپراطوری عثمانی این شهر را مورد توجه قرار داد. در زمان شیخ علیخان زنگنه صدر اعظم صفوی به آبادانی و رونق کرمانشاه افزوده شد. تاورنیه، جهانگرد و بازرگان فرانسوی، درباره کرمانشاه چنین نوشته‌ است: ” هم زمان با حمله افغان و سقوط اصفهان که طومار فرمانروایی خاندان صفوی در نوردیده شد، کرمانشاه به جرم قرب جوار، با تهاجم عثمانی‌ها مواجه گردید و بار دیگر شهر رو به خرابی نهاد.“ نادر شاه به منظور آمادگی در مقابل تجاوز عثمانی‌ها، به این شهر توجهی خاص مبذول داشت. در زمان نادر شاه این شهر مورد هجوم عثمانی‌ها قرار گرفت. اما نادرشاه عثمانی‌ها را به عقب راند، ولی در اواخر زندگی نادرشاه، کرمانشاه با محاصره و تاراج عثمانی‌ها مواجه شد. کرمانشاه در عهد زندیه دستخوش آشوب فراوانی گردید. به طوری‌که درکتاب ”تحفه العالم“ عبدالصیف جزایری از کرمانشاه به عنوان خرابه نام برده شده است. در دوره قاجار تا حدی از حملات عثمانی‌ها به ناحیه کرمانشاه کاسته شد. در سال 1267ه.ق، امام قلی میرزا از طرف ناصرالدین شاه به سرحدداری کرمانشاه منصوب شد و مدت 25 سال در این شهر حکومت کرد و در همین دوره بناهایی را احداث و به یادگار گذاشت. این شهر در جنبش مشروطه سهمی به سزا داشت و در جنگ جهانی اول و دوم به تصرف قوای بیگانه درآمد و پس از پایان جنگ تخلیه شد. در نتیجه جنگ تحمیلی عراق علیه ایران، این شهر خسارات زیادی دید و پس از جنگ اقدامات مؤثری در جهت بازسازی آن صورت گرفت. در حال حاضر شهر کرمانشاه، مرکز استان کرمانشاه یکی از هفت کلانشهر کشور(تهران، مشهد، اصفهان، تبریز، شیراز، کرمانشاه و اهواز) است‌(44).
1-14-1-1 موقعیت جغرافیایی
استان کرمانشاه در موقعیت ۳۴ درجه شرقی و ۴۷ درجه شمالی شمالی قرار دارد. از شمال به کردستان، از غرب به کشور عراق، از شرق به استان لرستان و همدان و از جنوب به استان ایلام محدود می گردد. شهرستان‌های این استان عبارت‌اند از: اسلام‌آباد غرب، سنقر، پاوه، صحنه، ثلاث باباجانی، قصر شیرین، جوانرود، دالاهو، روانسر، کرمانشاه، کنگاور، گیلان غرب، سر‌پل ذهاب، هرسین. در شکل1-13 استان کرمانشاه به همراه شهرستان‌های آن دیده می‌شود(44).

شکل 1-9 موقعیت جغرافیائی استان کرمانشاه)44.(1-14-2 استان یَزدیزد سرزمینی کهن با پیشینه‌ای در خور توجه، در تاریخ پر فراز و نشیب ایران است. نام یزد برای اولین بار در آثار دوره‌ی ماد‌ها (701 تا 550 قبل از میلاد) دیده می‌شود که گواهی بر قدمت سه هزار ساله‌ی این سرزمین است. در دوره‌های هخامنشی، اشکانی و ساسانی نیز در اسناد و کتیبه‌ها بار‌ها به نام یزد برمی‌خوریم(45).
حسن پیر‌نیا، در کتاب خود،"ایران باستان"،به نقل از تاریخ هرودوت، مورخ یونانی(484 تا 420 قبل از میلاد)، بر مبنای کتیبه‌های داریوش، یزد را بنا بر رسم یونانیان، به نام ایساتیس می‌خواند. وی می‌افزاید: یزد در عصر اشکانی در قلمرو حکومت مهرداد اول بود و در این شهر به نام او سکه ضرب می‌کردند. در دوره‌ی پادشاهی اردشیر بابکان، (241-224‌م) بنیان‌گذار سلسله‌ی ساسانی، یزد زیر نفوذ او بود. پس از ظهور اسلام و فروپاشی دولت ساسانی، در زمان خلافت عمر، و به روایت برخی، در دوران عثمان (دهه ی سوم هجری)، شهر یزد و نواحی آن فتح شد. از آن زمان تا پایان حکومت امویان، فرمانروایان عرب بر این ولایت حکم‌رانی می‌کردند. چنان‌که آمده است، در دوران خلافت حضرت علی(ع)، مسلم ابن زیاد، والی فارس، مالیات یزد را هم می‌گرفت. چنین بود تا هنگامی‌که به‌دست خود ایرانیان، حکومت های مستقل و نیمه مستقلی تشکیل شد و فرمانروایان ایرانی بر ولایت یزد حاکم شدند(45).
مرکز این استان، شهر یزد است. یزد منطقه‌ای خشک و بیابانی است. گروه بزرگی از زرتشتیان ایران در استان یزد و بویژه شهر یزد زندگی می‌کنند. زبان مردم استان یزد فارسی با لهجه یزدی است. آبادی نشینی در این منطقه از قدمت طولانی برخوردار است. این سرزمین از گذرگاه‌های مهم در ادوار تاریخی محسوب می‌شده‌ است. این ناحیه در دوره هخامنشیان از راه‌های معتبر موسسه‌های راهداری، مراکز پستی و چاپاری برخوردار بوده‌است. راهداری در یزد قدیم چنان اهمیتی داشت که خاندان آل مظفر از منصب راهداری ناحیه میبد به پادشاهی رسیدند. با این‌همه این استان از درگیری‌ها و جنگ‌های تاریخ کشور ایران تا حدودی ایمنی داشته‌است. سخت‌گذر بودن راه‌ها به همراه محدودیت منابع آبی مانع عمده تسخیر این منطقه توسط بعضی از حکومت های بزرگ و کوچک حاشیه و پیرامون این منطقه در طول تاریخ بوده‌است. همان طور که در شکل 1-14 دیده می شود استان یزد دارای شهرستان های ابرکوه، اردکان، بافق، بهاباد، تفت، خاتم، صدوق، طبس، مهریز، میبد و یزد می باشد که شهرستان های مهریز و تفت از آب و هوای خوبی برخوردار می باشد (45).
1-14-2-1 موقعیت جغرافیایی
استان یزد در مرکز ایران در قلمرو سلسله جبال مرکزی ایران بین عرض های جغرافیایی 29 درجه و 48 دقیقه تا 33 درجه و 30 دقیقه شمالی و طول جغرافیایی 52 درجه و 45 دقیقه تا 56 درجه و 30 دقیقه شرقی از نصف النهار مبدا قرار گرفته است. استان یزد از سرزمین‌های تاریخی است که در میان ایالت های قدیمی و بزرگ پارس، اصفهان، کرمان و خراسان قرار داشته‌است(45).

شکل 1-10 موقعیت جغرافیائی استان یزد(45).1-15 هدف از تحقیق:آنچه که باعث استفاده از مارکرهای STR در جمعیت شناسی شده است، این واقعیت است که درجه فراوانی آللی هر مارکر STR در هر جمعیت منحصر به فرد است. در حقیقت طبق مطالعات انجام شده فراوانی آلل‏های STR در نژاد‏های مختلف و حتی در مناطق جغرافیایی خاص، تفاوت‏هایی را نشان داده است. بنابراین بررسی هر یک از لوکوس های STR در هر نژاد یا جمعیت خاص برای تفسیر صحت نتایج حاصل از انجام آزمایش های تعین الگوی ژنتیکی به کمکSTR و انجام محاسبات آماری مربوطه امری ضروری است. برای بهره گیری از فواید این فناوری نوپا در زمینه‏ی تشخیص افراد، ضروری است تا فراوانی آللی لوکوس‏هایSTR مختلف در جمعیت بومی کشور مورد بررسی قرار گیرند (45).
مطالعات گذشته روی جمعیت های ایرانی، حضور تعدادی از آلل‏ها را با پلی مورفیسم بالا نشان می‏دهد‌(37-46.)
هدف از این مطالعه به دست آوردن پارامترهای جمعیتی بر اساس فراوانی آللی به دست آمده از شانزده جایگاه STR، در جمعیت‏های کرمانشاه و یزد به منظور بررسی تفاوت ژنتیکی میان این دو جمعیت و سایر جمعیت‏ها می‏باشد.

فصل دوم
2-1 نمونه‌گیریبرای نمونه‌گیری از اقوام کرد و یزد از نمونه هایی که به آزمایشگاه ژنتیک پزشکی تهران رجوع می‌کردند، استفاده شد. پس ازکسب رضایت نامه 4 میلی لیتر خون محیطی از افراد غیر خویشاوند بر اساس محل تولد و اطلاعات مربوط به سه نسل گذشته (پدری و مادری) تهیه شد و در لوله‌های حاوی ماده ضد انعقاد (EDTA) ریخته شد برای تکمیل نمونه‌های یزدی از همکاری آزمایشگاهی در یزد استفاده گردید و برای نمونه‌های کرد به استان کرمانشاه رفته و از آزمایشگاه بیمارستان طالقانی نمونه‌گیری به عمل آمد.
2-2 استخراج DNA به روش نمک اشباعاستخراج DNA با استفاده از روش استاندارد نمک اشباع طبق مراحل زیر انجام شد:
۱- ۳ میلی لیتر از نمونه‌ی خون محیطی حاوی ماده‌ی ضد انعقاد EDTA، داخل فالکون ۱۵ میلی لیتری ریخته شد و با استفاده از آب مقطر سرد به حجم ۱۰ میلی لیتر رسانده شد. سپس فالکون به شدت حرکت داده شد این کار جهت لیز بهتر گلبول‌های قرمز از طریق فرآیند تورژسانس می‌باشد. سپس نمونه را در دستگاه EBA 20 Hettich zentrifugen به مدت ۱۰ دقیقه با دور ۵۰۰۰ سانتریفیوژ شد و محلول رویی خارج گردید و رسوب انتهایی فالکون نگه داشته شد.
۲- با افزودن آب مقطر سرد به رسوب، حجم آن به ۱۰ میلی لیتر رسانده شد و مجدداً با همان شرایط ذکر شده آن را سانتریفیوژ گردید و رسوب حاصل که حاوی گلبول‌های سفید است نگه داشته شد.
۳- پس از افزودن ml10 محلول I استخراج DNA به رسوب، حجم آن به ۱۰ میلی لیتر رسانده شد. سپس در شرایط ذکر شده آن را سانتریفوژ کرده و محلول رویی آن دور ریخته شد.
جدول2-1 محلولI استخراج DNA (محلول لیز کننده گلبول‌های قرمز)غلظت مواد
10 mM Tris-Hcl: pH:7.5
0.32 mM Sacarose
5 mM MgCl2
%1 Triton X-100
4-5/۱ میلی لیتر از محلول II استخراج DNA(از قبل تهیه شده به شرح زیر)، lμ ۲۵ سدیم دو دسیل سولفات ‌ SDS و lμ ۲۰ پروتئیناز K به رسوب سفید رنگ انتهای فالکون افزوده شد.
جدول 2-2 محلول II استخراج DNA (محلول لیز کننده گلبول‌های سفید)غلظت مواد
10 mM Tris-HCl: pH:8.2
2mM EDTA: pH:8
0.45mM NaCl
۵- نمونه‌ها به مدت ۳۰ تا ۴۵ دقیقه در دمایc° ۵۶ و یا به مدت یک شب در دمایc° ۳۷ در انکوباتور قرار داده شد تا رسوب حل شود.
۶- پس از افزودن lμ ۵۰۰ نمک اشباع به نمونه، به آرامی تکان داده شد و به مدت ۱۰ دقیقه در ۴۰۰۰ دور سانتریفیوژ شد. سپس محلول رویی به یک فالکون حاوی ۲ میلی لیتر اتانول خالص (۱۰۰ درصد) انتقال یافت و به آرامی حرکت داده شد تا کلاف DNA شکل بگیرد.
۷- کلاف DNA توسط سمپلر به درون یک ویال حاوی ۱ میلی لیتر الکل ۷۰ درصد انتقال یافت تا الکل 100 خارج شود. در مرحله‌ی بعدی ویال را به مدت ۳ دقیقه در ۱۳۰۰۰ دور در دستگاه 20 Hettich zentrifugen Mikro سانتریفیوژ گشت.
۸- محلول رویی دور ریخته شد و ویال حاوی DNA به مدت ۵ دقیقه در انکوباتور قرار داده شد تا اتانول کاملاً تبخیر گردد.
۹- بر حسب میزان DNA بین ۵۰ تا ۳۰۰ ماکرولیتر TE به آن افزوده و به مدت یک شب در انکوباتور C°۳۷ قرار داده شد تا DNA به طور کامل حل شود.
جدول 2-3 ترکیبات TEغلظت محتویات
10mM Tris-Hcl, PH:7.6
1mM EDTA, PH:8
2-3 آماده‌سازی نمونه‌ها جهت انجام تست DNA Typingدر هر واکنش Multiplex PCR بهتر است از lμ ۵ نمونه‌ی DNA انسانی با غلظت ng ۱۰۰-50 استفاده شود. اگر‌چه حساسیت آنالیزی این روش در حد ng۵۰-20 از DNA می‌باشد. روش استخراج و نگهداری DNA می‌تواند روی نتایج PCR تأثیر گذار باشد. این روش نیاز به کیت خاصی برای استخراج DNA ندارد با این وجود توجه به این مسئله که در نمونه‌ها غلظت بالایی از آلودگی با نمک وجود نداشته باشد حائز اهمیت است. در این روش نباید از خون هپارینه استفاده شود زیرا هپارین می‌تواند ممانعت کننده‌ی مرحله‌ی PCR باشد. نمونه‌ی DNA را باید در TE حل کرد. pH نمونه‌ی DNA باید بین ۸ تا ۵/۸ باشد تا از دپوریناسیون در طی مرحله‌ی حرارت دادن اولیه جلوگیری شود. بهتر است در صورتی‌که قصد نگهداری طولانی مدت نمونه‌های DNA را داشته، نمونه را در دمای C°۲۰- نگهداری کرد. اگرچه DNA پس از حل شدن در TE به شدت پایدار است اما نگهداری طولانی مدت آن در دمای C °۴ ممکن است منجر به آلودگی آن با میکروارگانیسم‌ها شود .

–391

2) اصل رعایت انصاف و امانت : تعهد به اجتناب از هر گونه جانب داری غیر علمی و حفاظت از اموال، تجهیزات و منابع در اختیار.
3) اصل رعایت حقوق : التزام به رعایت کامل حقوق پژوهشگران و پژوهیدگان(انسان،حیوان و نبات) و سایر صاحبان حق.
4) اصل احترام : تعهد به رعایت حریم ها و حرمت ها در انجام تحقیقات و رعایت جانب نقد و خودداری از هر گونه حرمت شکنی.
5) اصل رازداری : تعهد به صیانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد،سازمان ها و کشور و کلیه افراد و نهادهای مرتبط با تحقیق.
6) اصل حقیقت جویی : تلاش در راستای پی جویی حقیقت و وفاداری به آن و دوری از هرگونه پنهان سازی حقیقت.
7) اصل ترویج : تعهد به رواج دانش و اشاعه نتایج آن به همکاران علمی و دانشجویان به غیر از مواردی که منع قانونی دارد.
8) اصل مالکیت مادی و معنوی : تعهد به رعایت کامل حقوق مادی و معنوی دانشگاه و کلیه همکاران پژوهش.
9) اصل منافع ملی : تعهد به رعایت مصالح ملی و در نظر داشتن پیشبرد و توسعه کشور در کلیه همکاران پژوهش.
2663825-19050000
دانشگاه آزاد اسلامی تاریخ: ............ استان مرکزی- اراک شماره:..............
پیوست:...........
"تعهد نامه اصالت رساله یا پایان نامه"
اینجانب: وحید مرادی دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته در رشته: شیمی- آلی با شماره دانشجویی: 890631843 که در تاریخ: 4/7/91 از پایان نامه خود تحت عنوان: : مطالعه اثرات استریوالکترونی موثر بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن و -دیاستیبن با روش های مکانیک کوانتومی آغازین و تحلیلNBO با کسب نمره: 93/19
و درجه: عالی دفاع نموده ام بدینوسیله متعهد می شوم:
1- این پایان نامه حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاوردهای علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایان نامه، کتاب، پروژه - ریسرچو ...) استفاده نموده ام، مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منبع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کردهام.
2- این پایان نامه قبلاً برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین تر یا بالاتر) در سایر دانشگاهها و موسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
3- چنانچه بعد از فراغت از تحصیل، قصد استفاده و هرگونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و ... از این پایان نامه داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوزهای مربوطه را اخذ نمایم.
4- چنانچه در هر مقطعی زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را میپذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقرات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصیلیام هیچ گونه ادعایی نخواهم داشت.
نام و نام خانوادگی: وحید مرادی
تاریخ و امضا
1682753174900
گواهی امضادانشجوی فوق الذکر احراز هویت شد فقط امضای ایشان گواهی میگردد.
نام و نام خانوادگی رئیس پژوهش دانشکده
تاریخ و امضا
اراک –میدان امام خمینی-بلوارامام خمینی(ره)-شهرک دانشگاه آزاداسلامی- صندوق پستی 567/38135
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1-مقدمه2
1-2-بررسیهای انجام شده در این پروژه4
1-3- کامپیوتر و شیمی کوانتوم7
1-4-معرفی برنامههای کامپیوتر8
1-4-1-نرم افزار گوسین8
1-4-2-نرم افزار گرافیکیChem 3D9
1-4-3-برنامه اوربیتال مولکولی MOPAC9
فصل دوم : تاریخچه
2-1-مقدمه12
2-2-پیدایش13
2-3-ترکیبات اولیه16
2-4-مطالعات گذشته18
2-5-نتیجه31
فصل سوم : محاسبات شیمیایی
3-1-مقدمه34
عنوان صفحه
3-2-محاسبات شیمیایی35
3-2-1- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کلاسیک36
3-2-2- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کوانتومی39
3-2-2-1-روشهای نیمه تجربی40
3-2-2-2-روش‌های مکانیک کوانتومی آغازین42
3-3- تقریب بورن اپنهایمر43
3-4- روش‌های مبتنی بر اوربیتال مولکولی45
3-4-1- روش هارتری- فاک45
3-4-1-1-محدودیت‌های روش هارتری- فاک47
3-4-2- روش‌های ارتباط الکترونی(EC)48
3-5- روش‌های مبتنی بر توابع دانسیته50
3-5-1- تقریب دانسیته موضعی53
3-5-2- تصحیح شیب دانسیته54
3-5-3-روش پیوستگی آدیاباتیک( ACM)55
3-6-سری‌های پایه57
3-6-1- اوربیتال‌های اسلیتری و گوسی58
3-6-2-طبقه‌بندی سری‌های پایه60
3-6-2-1- سری‌های پایه کمینه62
عنوان صفحه
3-6-2-2- سری‌های پایه پاپل63
3-6-2-2-1- توابع پلاریزه‌کننده و پخش‌کننده65
3-6-2-3-سری‌های پایه پتانسیل‌های مغزی مؤثر66
3-6-2-4-سری پایه دانینگ67
3-7-اوربیتال‌های پیوند طبیعی67
3-7-1- ساختار برنامه NBO70
3-8-مقایسه روش‌های مکانیک کوانتومی71
3-9-روش کار73
3-9-1- تهیه فایل دادهها73
3-9-2- نحوه محاسبات برنامه MOPAC74
3-9-3- بهینه سازی ساختار هندسی74
3-9-4- شرح روش کار محاسبات کامپیوتری75
3-10- روش کار با نرم افزار گوسین79
3-10-1- هدف اصلی از انجام محاسبات80
3-10-2- روش محاسبه80
3-10-3- مجموعه پایه80
3-10-4-طرز کار80
عنوان صفحه
فصل چهارم : نتایج وبحث
4-1- مقدمه85
4-2- نتایج حاصل از محاسبات89
4-2-1- بررسی انرژی آزاد گیبس89
4-2-2- بررسی اثر آنومری تعمیم یافته90
4-2-3- بررسی ممان دوقطبی97
4-2-4- بررسی پارامترهای ساختاری100
4-3- نتیجه گیری103
مراجع
چکیده انگلیسی
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1- HYPERLINK "file:///G:/Documents%20and%20Settings/saye01/Desktop/1-3.doc"HYPERLINK "file:///G:/Documents%20and%20Settings/saye01/Desktop/1-3.doc" طرحی از مولکولهای مورد مطالعه در پیکربندیهای سیس و ترانس5شکل 2-1- اولین دیفسفن پایدار سنتز شده14
شکل 2-2- سیستم HX=XH دارای پیوند دوگانه16
شکل 2-3- ایزومریزاسیون سیس- ترانس آزوینزن19
شکل 2-4- شماتیک حالات انتقالات برای ایزومریزاسیون حرارتی سیس-ترانس آزوینزن20
شکل 2-5- واریانس انرژی(a) و جمعیت الکترونی (b)مربوط به اوربیتالهای HOMO و LUMO نسبت به زمان20
شکل 2-6- واریانس زوایای پیچشی CNNC (a) و زوایای پیوندی CNN (b) نسبت به زمان21
شکل 2-7- طیف UV/vis آزوینزن21
شکل 2-8- ΔE(E-Z) پیوند دوگانه X=Y22
شکل 2-9- پارامترهای مهم هندسی ترانس-دیفنیل دیفسفن (Ph-P=P-Ph)24
شکل 2-10- شماره گذاری اتمها برای دیفنیل دیفسفن و همچنین برای دیفنیل دیآزن27
شکل 2-11- زاویه و طول پیوند در ترانس و سیس آزوبنزن29
شکل 2-12- پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph30
شکل 2-13- پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph 30
عنوان صفحه
شکل 3-1- مقایسه توزیع اوربیتال‌های اسلیتری (a) و گوسی (b) در اطراف هسته60
شکل 3-2- مقایسه یک تابع STO با اوربیتال‌های نوع گوسی----------------------------------------------60
شکل 3-3- مقایسه سری‌های پایه STO-nG با یکدیگر63
شکل 3-4- سری پایهSTO-3G به عنوان متداولترین سری پایه کمینه63
شکل 3-5- انحراف برهم‌کنش donor-acceptor 69
شکل 3-6- ساختار برنامه NBO70
شکل 3-7- نمایی از محیط کار در نرم افزار Chem3D75
شکل 3-8- نمایی از Z-ماتریکس برای مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن76


شکل 3-9- نمایی از محیط کار در نرم افزار Chem3D76
شکل 3-10- نمایی از پنجره ورودی اطلاعات برای انجام محاسبات در مولکول 1و2-دیفنیل دی فسفن 77
شکل 3-11- نمایی از پنجره اطلاعات خروجی بعد از محاسبات در مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن 77
شکل 3-12- نمایی از پنجره ورودی اطلاعات برای انجام محاسبات NBOدر مولکول 1و2-دیفنیل دیآرسن78
شکل 3-13- نمایی از اطلاعات خروجی از محاسبات NBO در مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن78
شکل 3-14- نمایی از محیط کار گوسین79
شکل 3-15- نمایی از محیط کار در گوسین برای وارد کردن اطلاعات اولیه و اصلی81
شکل 4-1- انتقالات مورد بررسی در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 491
شکل 4-2- مقادیر انرژی پایداری حاصل از انتقالات الکترونی (E2) مربوط به ترکیبات 1 تا 492
عنوان صفحه
شکل 4-3- اثر آنومری تعمیم یافته GAE در ترکیبات 1 تا 496
شکل 4-4- جهت بردارهای ممان دوقطبی در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 499
شکل 4-5- شماره گذاری اتمها در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1تا 4100
شکل 4-6- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیآزن102
شکل 4-7- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیفسفن102
شکل 4-8- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیآرسن102
شکل 4-9- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیاستیبن103
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیفسفن15
جدول 2-2- طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیآرسن و دیاستیبن16
جدول 2-3- انرژیهای کل و نسبی سیستمهای HX=XH17
جدول 2-4- پارامترهای ساختاری برای سیستمهای HX=XH17
جدول 2-5- مقایسه طول پیوند تعادلی (Re) و زاویه (Φx) برای سیستمهای HX=XH17
جدول2-6- محاسبه پارامترهای ساختاری برای دیفسفن و دیآرسنهای مختلف25
جدول2-7- پارامترهای ساختاری و ممان دوقطبی برای ترانس و سیس آزوبنزن26
جدول2-8- پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیفسفن27
جدول2-9- پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیآزن28
جدول2-10- پارامترهای ساختاری بهینه شده برای RE=ER28
جدول 2-11- خواص فیریکی و مقادیر طول پیوند دوگانه تجربی برای مولPh-E=E-Ph31
جدول 4-1- مقادیر توابع ترمودینامیکی برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1106
جدول 4-2- انرژی رزونانسی انتقالات الکترونی دهنده-گیرنده برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1107
جدول 4-3- انرژی ΔEijوانتگرال همپوشانی(Fij) انتقالات الکترونی دهنده-گیرنده برای ترکیبات 4-1108
جدول 4-4- مقادیر ممان دوقطبی(µ) برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1109
جدول 4-5- جمعیت الکترونی اوربیتالهای دهنده-گیرنده برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1110
عنوان صفحه
جدول4-6- انرژی اوربیتال های پیوندی و ضد پیوندی برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1111
جدول4-7- پارامترهای ساختاری برای ترکیبات 4-1112
چکیده
مطالعه اثرات استریوالکترونی موثر برخواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن و –دیاستیبن با استفاده از روشهای مکانیک کوانتومی آغازین و تحلیلNBO
توسط: وحید مرادی
بر پایه روش (B3LYP/Def2-TZVPP) و تحلیل NBO خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن(1) ، 1و2-دیفنیل دیفسفن(2) ، 1و2-دیفنیل دیآرسن(3) و 1و2-دیفنیل دیاستیبن(4) بررسی شد. نتایج حاصل نشان داد که اختلاف انرژی آزاد گیبس (GTrans-Cis)Δ در دمای 298.15 درجه کلوین و فشار یک اتمسفر بین پیکربندی ترانس و سیس از ترکیب 1 به ترکیب 4 کاهش مییابد. روش B3LYP/Def2-TZVPP پایداری پیکربندی ترانس ترکیبات 1 تا 4 نسبت به پیکربندی سیس مربوطه را نشان داد.
بر اساس نتایج بدست آمده ناپایداری پیکربندی سیس از ترکیب 1 به 4 کاهش مییابد. تحلیل NBO برهمکنش اوربیتالهای دهنده-گیرنده (LP→ σ* QUOTE →σ ) نشان داد که اثر آنومری تعمیم یافته (GAEtotal= GAETrans - GAE Cis) مرتبط با (LPM1→ σ* M2-Cphenyl) و ( σM1-Cphenyl σ* M2-Cphenyl ) از ترکیب 1 به ترکیب 4 کاهش مییابد. بنابراین تغییرات آنومری تعمیم یافته نمیتواند تغییرات محاسبه شده انرژی آزاد گیبس را توضیح دهد. تغییرات GAE میتواند توسط عناصر غیر قطری مربوطه آن کنترل شود.
مقدار ممان دوقطبی محاسبه شده پیکربندی سیس از ترکیب 1 به 4 کاهش مییابد. همچنین روند مشاهده شده اختلاف ممان دوقطبی (Δμcis-trans) بین پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 4 مشابه با روند کاهشی مشاهده شده برای تغییرات ΔG مربوطه است. بنابراین مدل الکترواستاتیک مرتبط با برهمکنش دوقطبی-دوقطبی توجیه کننده مقادیر G محاسبه شده برای ترکیب های 1 تا 4 است.
یک رابطه مستقیم بین محاسبه GAE و پارامتر ∆ [rM1-Cphenyl (Trans)–(Cis)] وجود دارد. رابطه بین ΔGtrans-cis ، GAEtrans-cis ، Δμcis-trans ، پارامترهای ساختاری و رفتار پیکربندی ترکیبات 1 تا 4 بررسی شد.
فصل اول
مقدمه

1-1-مقدمه
انرژی کل یک مولکول با شکل آن رابطهای مستقیم دارد، این انرژی کل ازچند مولفه تشکیل میشود که آنها را تا حدی میتوان به ویژگیهای ساختاری مشخصی نسبت داد. از جمله عواملی که در انرژی کل یک مولکول سهم دارند و ارتباط قابل درکی با ساختارمولکول دارند، میتوان به برهمکنشهای غیرپیوندی ،کشش حلقه درسیستمهای حلقوی ، کششهای پیچشی ناشی از پوشیدگی پیوندها، ناپایدار شدن به دلیل انحراف طول پیوندی یا زاویه پیوندی از مقادیر بهینه اشاره کرد. برعکس عوامل پایدارکنندهای هم وجود دارند که دارای قیدهای هندسی هستند. اکثر این عوامل را میتوان در زمره اثرهای فضا الکترونی به شمار آورد یعنی برای بیشینه شدن برهمکنشهای پایدارکننده به یک رابطه هندسی خاص نیاز دارند علاوه بر این، برهمکنشهای دیگری نیز وجود دارند مثل تشکیل پیوند هیدروژنی یا برهمکنشهای دوقطبی –دوقطبی که برای آنها قدرت برهمکنش شدیداً ، به شکل هندسی مولکول بستگی دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>D.Menard</Author><Year>1984</Year><RecNum>22</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>D.Menard,M.st-Jacques,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of American Chemistry Society </secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><volume>106</volume><section>2055</section><dates><year>1984</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1].
اصولی که تحلیل تعادلهای صورت بندی برآنها استوار است، درچارچوبی بسط یافتهاند که خود پایه در مکانیک کلاسیک دارد. یک مولکول، کم انرژیترین شکلی را به خود میگیرد که ازچرخش حول پیوندهای ساده خود و تنظیم زاویهها و طول پیوندها حاصل می شود. از آنجا که طول پیوندها وزوایای پیوندی از مولکولی به مولکول دیگر نسبتا به طورجزئی تغییر میکند، شکل مولکولی در وهله نخست به وسیله فرایندهای چرخشی آن تعیین می شود. بسیاری از مولکولها به دلیل انحراف از شکلهای هندسی ایدهآل، یک کشش از خود نشان میدهند. انرژی کشش، مقدار انرژی اضافی در مقایسه با یک مولکول مرجع و فاقد کشش است.
از دیدگاه اوربیتال مولکولی، انرژی مولکول برابر حاصل جمع انرژی اوربیتالهای اشغال شده است. محاسبه انرژی کل درآرایش فضایی متفاوت نشان میدهد که انرژی تابعی از شکل هندسی است.
تفسیرفیزیکی این حکم برحسب موثر بودن همپوشانی اوربیتالها امکان پذیر است. همپوشانی میان اوربیتالهایی که برهمکنش پیوندی دارند، انرژی مولکولی را کاهش میدهند. اصطلاح اثرفضا الکترونی برای آن دسته ازروابط میان ساختار چرخشی و انرژی واکنش پذیری به کار میرود که میتوان آنها را به برهمکنشهای اوربیتالی به شکل هندسی ربط داد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>D.Menard</Author><Year>1981</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>D.Menard,M.st-Jacques, </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of American Chemistry Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><volume>59</volume><section>1160</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
در ترکیبات آلی اثرات متعددی برای توجیه ارجحیت ترکیب، ارائه شدهاست. این اثرات شامل اثر آنومری، فوق مزدوج شدن، برهمکنش دوقطبی-دوقطبی، رزونانس، تداخلات فضایی و غیره است. در هندسه ارجح بسیاری از مولکولها مشخص شده است که بیشترین برهمکنش بین بهترین جفت دهنده تنها و بهترین پیوند گیرنده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>N.D. Epiotis</Author><Year>1977</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>N.D. Epiotis, R.L. Yates, R.J. Larson, C.R. Kirmayer, F. Bernardi,</author></authors></contributors><titles><title>Directional effects of .sigma. Conjugation on geometrical isomerism,</title><secondary-title>Journal of American Chemistry Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><pages>8379-8388</pages><volume>99</volume><section>8379</section><dates><year>1977</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3].
اثر آنومری موثرترین فاکتورکنترل صورتبندی در ترکیبهای آلی است. اثر آنومری اثری استریوالکترونی است که طی آن در حلقههای سیکلوهگزانی، گروههای متصل شده به کربن شماره دو، قرارگیری در حالت محوری را به حالت استوایی ترجیح میدهند. این در حالیست که بر طبق دافعههای فضایی برای این گروهها قرارگیری در حالت استوایی مورد انتظار است. توضیح برای توجیه اثر آنومری این است که در حالت استوایی ممان دو قطبی هر دو هترواتم در یک جهت میباشند، در حالیکه در حالت محوری ممانها تقریبا مخالف یکدیگرند ، بنابراین برآیند آنها عددی کوچکتر است، پس در فرم محوری پایداری بیشتر و انرژی کمتر خواهد بود.
به اثر آنومری در ترکیبهای دارای پیوند دوگانه اثر آنومری تعمیم یافته گفته میشود. اثر آنومری تعمیم یافته نیز اثری استریوالکترونی است که طی آن در سیستمهای غیرحلقوی، گروههای متصل شده به اتمها، قرارگیری در حالت سیس را به حالت ترانس ترجیح میدهند. این در حالیست که بر طبق دافعههای فضایی برای این گروهها قرارگیری در حالت ترانس مورد انتظار است.
از طریق این مطالعه نظری، ما امیدواریم به موارد ذیل دست یابیم :
الف (به اثرات استریوالکترونی در پیکربندی مختلف از مولکولها
ب) به مشخص شدن عامل توجیه کننده انرژی آزادگیبس در تعیین پایداری پیکربندی مختلف از مولکولها
 ج) به ارتباط منطقی بین نتایج محاسبات با فاکتورهای مورد بررسی
د) به پارامترهای ساختاری و تاثیر آن
ه) به نتایج قابل قبول و سازگار با نتایج تجربی مربوطه
1-2-بررسیهای انجام شده دراین پروژه
ارزیابی صحیح از انتقالات دهنده-گیرنده و حالت هندسی و انرژی یک سیستم ، یک روش قدرتمند برای مطالعه واکنشهای شیمیایی میباشد. در این راستا، به منظور مقایسه پایداری پیکربندی در ترکیبات دارای باند دوگانه E = E حاوی عناصر نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان یک تحقیق در رابطه با عوامل موثر بر این پایداری، با استفاده از روش مکانیک کوانتومی آغازین و همچنین تحلیل اوربیتال پیوند طبیعی، را انجام میدهیم. مولکولهایی که ما بررسی میکنیم عبارتند از:
1,2-diphenyldiazene (Ph-N=N-Ph) 1،2-دی فنیل دی آزن
1,2-diphenyldiphosphene (Ph-P=P-Ph)1،2-دی فنیل دی فسفن
1,2-diphenyldiarsene (Ph-As=As-Ph) 1،2-دی فنیل دی آرسن
1,2-diphenyldistibene (Ph-Sb=Sb-Ph) 1،2-دی فنیل دی استیبن

شکل 1-1 : طرحی از مولکولهای مورد مطالعه در پیکربندیهای سیس و ترانس
اثرات استریوالکترونی، اثرات الکترواستاتیک و اثرات فضایی برروی خواص پیکربندی سیستمهای مورد نظر در این تحقیق تاثیر گذار خواهند بود. با توجه به اینکه تقابلهای همسو بودن این تاثیرات مشخص نیست در این تحقیق به این مطلب پرداخته خواهد شد.
پرسش اصلی تحقیق ( مساله تحقیق ) این است که چگونه اثرات استریوالکترونی میتوانند بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن، -دیفسفن ،-دیآرسن ، -دیاستیبن تاثیرگذار باشد ؟
فرضیهای که در اینجا برای این بررسیها مطرح میشود این است که پیشبینی میشود اولاً اثرات استریوالکترونی بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیلدیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن ، -دیاستیبن تاثیرگذار باشد ثانیاً بین تغییرات ممانهای دوقطبی و خواص پیکربندی مولکولهای مورد مطالعه ارتباط منطقی و محکمی وجود داشته باشد.
پژوهش حاضر به بررسی این تاثیرات که میتواند ناشی از اثرات استریوالکترونی و فضایی باشد ، با استفاده از روش های مکانیک کوانتومی آغازین در سطح نظری B3LYP/ Def2-TZVPP و تحلیل NBO میپردازد. هدف از انجام این تحقیق، بررسی چگونگی اثرات استریوالکترونی بر خواص پیکربندی و ساختاری مولکولهای مورد نظر میباشد.
ساختارهای مورد مطالعه در این تحقیق با نرم افزار chem3Dتهیه و در سطوح نظری مناسب بهینه میشوند. پس از انجام مراحل بهینهسازی، بر روی ساختارهای حاصل تحلیل NBO انجام خواهد شد و سپس اثرات آنومری از روی انتقالات الکترونی، اثرات الکترو استاتیک و فضایی محاسبه شده و همبستگی بین اختلاف انرژی آزاد گیبس، اثر آنومری تعمیم یافته، پارامترهای ساختاری و ممانهای دو قطبی، در ترکیبهای مورد نظر مورد بررسی قرار میگیرد.
در این پروژه ابتدا به بررسی روند انرژی آزادگیبس پرداخته خواهد شد و سپس عوامل موثر بر پایداری مولکول مورد بررسی قرار میگیرند که آیا میتوانند نتایج حاصل از انرژی آزاد گیبس را توجیه کنند، این عوامل عبارتنداز:
اثرات آنومری :
فرمی از مولکول که اثر آنومری بیشتری دارد نسبت به فرمی که اثر آنومری کمتری دارد، پایدارتر است.
ممان دوقطبی :
در فاز گازی، فرمی از مولکول که ممان دوقطبی کمتری داشته باشد، پایدارتر است.
اثرات فضایی :
هرچه یک مولکول اثرات فضایی ناپایدارکننده کمتری داشته باشد، پایدارتر است.
1-3- کامپیوتر و شیمی کوانتوم
بیگمان سالها پیش که نخستین کامپیوترها پا به عرصه علم و فناوری گذاشتند هیچ کس حتی تصور هم نمیکرد که روزی فرا برسد که علوم تجربی همچون شیمی، فیزیک، و حتی زیست شناسی تا این حد وابسته به کامپیوتر باشد.
علم شیمی در این میان گوی سبقت را از سایر علوم ربوده است. نگاهی گذرا به هزاران پروژه - ریسرچعلمی که سالانه در سراسر جهان منتشر میشود موید این ادعا است. این مقالات در شاخههای گوناگون شیمی انتشار مییابد، اما ناگفته پیداست که مباحث شیمی کوانتوم در این میان بیشترین سهم را به خود اختصاص دادهاند.
1-4- معرفی برنامههای کامپیوتری
1-4-1- نرم‌افزار گوسین
از جمله مهمترین و شاید بتوان گفت پرکاربردترین، نرم‌افزارها در زمینه به کارگیری رایانه در پژوهش‌های شیمی، نرم‌افزار قدرتمند Gaussian است .این نرم‌افزار مجموعه‌ای از برنامه‌های به هم پیوستهای است که انواع محاسبات کوانتوم مکانیکی را انجام می‌دهد. اساس Gaussian بر این پایه استوار است که مدل‌های تئوری باید برای همه سیستم‌های مولکولی، با هر اندازه و نوعی به طور یکسان قابل اجرا باشند. این نرم‌افزار قادر به محاسبه بسیاری از خواص مولکول‌ها و واکنش‌هاست .برخی کاربردهای برنامه Gaussian عبارتند از:
ساختار و انرژی مولکول
ساختار و انرژی حالت گذار
فرکانس ارتعاشی
طیفهای رامان و IR
خواص ترموشیمیایی
انرژی پیوندها و واکنشها
مسیر واکنشها
بارهای اتمی
ممان چند قطبی
محاسبات را می‌توان در فاز گازی یا در محلول، در حالت پایه یا حالت برانگیخته انجام داد. از این رو گوسین را میتوان یک ابزار قدرتمند برای کاوش در حیطههای گوناگون از مطالعات شیمیایی نظیر اثرات جانشینیی، مکانیسم واکنشها، پایداری و ... به کار برد.
1-4-2- نرم افزار گرافیکی Chem 3D
Chem3D یک نرم افزار گرافیکی است که ساختار مولکول مورد نظر را میتوان به وسیله آن رسم کرد.
در این نرم افزار بهینهسازی مقدماتی ترکیبات، با روش مکانیک مولکولی MMx انجام میشود. به این ترتیب ساختار بهینه شده، به صورت یک فایل ورودی به نام Z-ماتریکس برای برنامه کامپیوتری MOPAC آماده میشود.
1-4-3- برنامه کامپیوتری اوربیتال مولکولی MOPAC
MOPAC یک برنامه اوربیتال مولکولی نیمه تجربی برای مطالعه واکنشهای شیمیایی شامل مولکولها، یونها و همچنین ساختار مربوط به آنها میباشد. این برنامه شامل روشهای نیمه تجربی میدان خود سازگار MINDO/3, MNDO, AMI, PM3 بوده و مجموعهای از محاسبات مربوط به طیفهای ارتعاشی، مقادیر ترمودینامیکی، اثرات جابجایی ایزوتوپی و ثابت نیرو را در بر میگیرد. همچنین عناصر تعریف شده در برنامه فوق اکثرا˝ عناصر اصلی و تعداد محدودی از عناصر واسطه مانند جیوه است.
فصل دوم
تاریخچه
2-1-مقدمه
همانند آنالوگهای اتیلن عناصر گروه 14 جدول تناوبی ، عناصر گروه 15 جدول تناوبی هم ، یک نقش محوری در توسعه شیمی پیوندهای چندگانه ایفا میکنند. شیمی ترکیبات دارای پیوندهای چندگانه میان عناصر سنگین گروه اصلی توجه زیادی را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. با توجه به اصطلاح قاعده پیونددوگانه کلاسیک، فقط عناصر ردیف دوم در جدول تناوبی باید قادر باشند که تشکیل ترکیبات پایدار حاوی پیوند دوگانه بدهند، در واقع، قانون پیوند دوگانه، یک بار برای تمام عناصر که فراتر از ردیف اول جدول تناوبی هستند اعمال شد، که در آن کربن، نیتروژن و اکسیژن در تشکیل پیوندهای چندگانه موفقتر بودند و پیوند دوگانه در عناصر سنگینتر ناموفق بود زیرا فاصله طولانی بین این عناصر اجازه همپوشانی کافی به اوربیتالهای p را نخواهد داد. این قاعده پیوند دوگانه کلاسیک ، توسط تعدادی از تلاشهای ناموفق در سنتز ترکیبات تایید شد. بهعنوان مثال، کولر و مایکلس گزارش دادند که از واکنش تراکم PhPCl2 و PhPH2 مولکول دیفنیل دیفسفن تشکیل میشود، که فسفوبنزن نامیده میشود. اما بعد از آن برای اولین بار، اندازهگیری وزن مولکولی و سپس تجزیه و تحلیل ساختار با اشعه X ، نشان داد که این محصول ترکیبی از فسفوبنزن و اُلیگومر است. اشتباه مشابهی در مورد دی آرسن نیز رخ داد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tokitoh</Author><Year>2000</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Norihiro Tokitoh</author></authors></contributors><titles><title>New aspects in the chemistry of low-coordinated inter-element compounds of heavier Group 15 elements</title><secondary-title>Journal of Organometallic Chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Organometallic Chemistry</full-title></periodical><pages>217-227</pages><volume>611</volume><section>217</section><dates><year>2000</year></dates><work-type>Review</work-type><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]. پس از این شکستها، دانشمندان متوجه شدند که جایگزینهای به اندازه کافی بزرگ برای جلوگیری از اُلیگومرشدن این گونههای واکنشپذیر لازم است پیوندهای چندگانه در میان عناصر سنگینتر گروه اصلی تمایل دارند، فعالیت بالاترشان نسبت به کربن و نیتروژن همنوع خود را نشان دهند. با این حال، با لیگاندهای به اندازه کافی بزرگ، پیوندهای چندگانه مربوط به P, As, Si, Ge و دیگر عناصر میتواند به صورت ترکیبات پایدار سینتیکی سنتز و مورد مطالعه قرار گیرد. چرا در عناصر سنگین گروههای اصلی، هیبرید شدن باهم خیلی ضعیف است؟ هیبریداسیون موثر زمانی رخ میدهد که اوربیتالهای اتمی تشکیل دهنده انرژیهای مشابه و همپوشانی فضایی بزرگ داشته باشند. انرژی نسبی اوربیتالهای اتمی، در واقع بیشتر به نفع هیبریداسیون برای عناصر سنگینتر است. دلیل اصلی این اتفاق، احتمالاً ظرفیت بسیار متفاوت و توزیع شعاع اوربیتال ظرفیت s و p ، برای ردیف اول در جدول تناوبی در مقایسه با دیگر عناصر دارای اوربیتال ظرفیت p تقریبا با همان حدود شعاع است، اوربیتال ظرفیت p عناصر سنگینتر به میزان قابل توجهی گسترده تر نسبت به اوربیتال s است. به این ترتیب، درجه هیبریداسیون کاهش مییابد و جفت تنها، بیشتر خصوصیت s را در ستون جدول تناوبی با رفتن به سمت پایین را قبول میکند.
دانش سنتز، ساختار، شیمی کئوردیناسیون و واکنش ترکیبات دارای پیوندهای چندگانه میان عناصر سنگین نسبتاً در مراحل اولیه است، و به تازگی بررسی شدهاند.
2-2-پیدایش
سبکترین مشتقات دارای پیوند دوگانه، ترکیبات آزو، دیآزنها هستند پس از کشف دو ایزومر(سیس و ترانس ) در سال 1937 از آزوبنزن، آنها به موضوعاتی برای مطالعات تجربی و نظری متعدد تبدیل شدند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>G.S. Hartley</Author><Year>1937</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[5, 6]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>G.S. Hartley ,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>281</pages><volume>140 </volume><dates><year>1937</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>G.S. Hartley</Author><Year>1938</Year><RecNum>11</RecNum><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>G.S. Hartley,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>633</pages><section>633</section><dates><year>1938</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5, 6].
چندین دهه است که دیآزنها در همه جا شناخته شدهاند. پایداری پیوند دوگانه با جایگزینی گروههای بسیار بزرگ راه بدست آوردن ترکیبات همنوع بالاتر از دیآزنها بود. یوشی فوجی و همکارانش در سال 1981 اولین دی فسفن پایدار را سنتز کردند، که یک نقطه عطف واقعی در شیمی بود( در زیر تصویر آنرا میبینید) Mes*P=PMes* ، ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Yoshifuji</Author><Year>1981</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Yoshifuji, I. Shima, N. Inamoto, K. Hirotsu, T. Higuchi</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J.Am. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J.Am. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>4587</pages><volume>103</volume><section>4587</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7].

شکل 2-1 : اولین دیفسفن پایدار سنتز شده
از زمان جداسازی دیفسفن بالا، تمرکز کارها برروی شیمی این کلاس جدید از ترکیبات گسترش یافته است. یوشی فوجی دیفسفن را از احیا (2،4،6-تری-ترشیوبوتیل فنیل)دیکلرودیفسفین با عنصر منیزیم به دست آورد و ثابت شده است که احیا عوامل مختلف دیگر میتواند در سنتز دیفسفن موثر باشند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Yoshifuji</Author><Year>1981</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Yoshifuji, I. Shima, N. Inamoto, K. Hirotsu, T. Higuchi</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J.Am. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J.Am. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>4587</pages><volume>103</volume><section>4587</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7].
از آن زمان به بعد، دیفسفنهای بسیار دیگری سنتز شدهاند و ساختارشان مشخص شده است. این رویکرد نیز با موفقیت در مورد سنتز این دو دیآرسن، Mes*As=AsCH(SiMe3)2 و (SiMe3)3CAs=AsC(SiMe3)3 ، توسط کولی و همکارانش در سالهای 1985-1983 استفاده شد. داستان پیوند دوگانه As=As با ارائه دو ترکیب جدید توسط تاملی و همکارانش در سال 1999 با استفاده از لیگاندهای خیلی حجیم متا-تری فنیل -C6H3-2,6-Mes2 و -C6H3-2,6-Trip2 تکمیل شد. این محققین همچنین موفق به سنتز دیاستیبن و همچنین دیبیسموتنهای مربوطه شدند. با این حال، اولین ترکیبات دارای پیوند دوگانه همانند Sb=Sb و Bi=Bi توسط توکیتو و همکارانش در سال 1998- 1997 سنتز شد. سنتز ساختار و واکنشهای دیفسفنها وترکیبات همنوع خود، توسط کولی در سال 1984، کولی و نورمن در سال 1986، یوشی فوجی در سال 1990، وبر در سال 1992 و پاور در سال 1999 بصورت جامع مورد بررسی قرار گرفته شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
جدول 2-1 : طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیفسفن ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]

جدول 2-2 : طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیآرسن و دیاستیبن ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]

2-3- ترکیبات اولیه
اولین کارهای تئوری انجام شده بر روی دیفسفن HP=PH توسط ایتو و ناگاسه در سال 1986 ارائه شد. ناگاسه و همکارانش در سال 1990، محاسبات بر روی (HX=XH (X = P As, Sb, Bi را انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]. [WIDAUER, 2000 #4]
ترکیبات مختلف بررسی شده در شکل 2-2 ارائه شده است، چند نمونه از دادههای مربوطه نیز درجداول زیر آمده است.

شکل 2-2 : سیستم HX=XH دارای پیوند دوگانه با تقارن C2h ( (X = P As, Sb, Bi
جدول 2-3 : انرژیهای کل و نسبی سیستمهای HX=XH ( (X = P As, Sb, Bi

جدول 2-4 : پارامترهای ساختاری(طول پیوند دوگانه X=X برحسب آنگستروم و زاویه HXX برحسب درجه) برای سیستمهای HX=XH( (X = P As, Sb, Bi

جدول 2-5 :مقایسه طول پیوند تعادلی (Re) برحسب آنگستروم و زاویه فلپ (Φx) برحسب درجه
برای سیستمهای HX=XHدر این روش با سایر روشها و کارهای تجربی
( (X = P As, Sb, Bi

محاسبه انرژی کل و نسبی، پارامترهای ساختاری و مقایسه طول پیوند تعادلی و زاویه برای تمام گونهها در جداول ارائه شده است. کارهای تئوری قبلی نشان دادند که فرم ترانس ازHX=XH پایداترین فرم از تمام گونههای X = N, P, As, Sb است. ایتو و ناگاسه در سال 1986، جانسون و همکارانش در سال1987 محاسبات درباره ایزومرهای مختلف از N2Hو همچنین ناگاسه و همکارانش در سال 1990، اسشولرو همکارانش در سال 1997 محاسبات مربوط به ترکیبات HX=XH با X = P, As,Sb, Bi را انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
2-4-مطالعات گذشته :
در سال 2012 گورگی و همکارانش پلیمرهای حاوی آزوبنزن را سنتز و رفتار ایزومریزاسیون وابسته به جانشینیی آنها را بررسی کردند. آنها گفتند که برای آزوبنزن، حداکثر جذب قوی انتقال *π-π در350 نانومتر نهفته است و جذب ضعیفتر انتقال *π-n را میتوان حدود 450 نانومتر یافت(در محلول(THF.  نوار پرانرژی انتقال *σ-σ ، در 230 نانومتر است. ترانس آزوبنزن مسطح دارای ممان دو قطبی نزدیک به صفر است. ایزومر ترانس را میتوان با تابش به ایزومر سیس غیر مسطح مربوطه تبدیل کرد. در اینجا حلقههای فنیل بنا به دلایل فضایی خارج از سطح پیچ خوردهاند، بنابراین تا حدودی سیستم کانژوگه را از بین بردهاند.  از این رو، جذب در 320 نانومتر را شدیداً کاهش میدهد در حالی که در 450 نانومتر به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. علاوه بر این، در ایزومر سیس ممان دو قطبی را از 0 تا 3 دبی افزایش میدهد. پس از تابش با نور UV به ایزومر ترانس، ایزومریزاسیون پیوند دوگانه صورت میگیرد و پیکربندی از ترانس به سیس تغییرمیکند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ulrike Georgi</Author><Year>2012</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ulrike Georgi, Philipp Reichenbach , Ulrich Oertel, Lukas M. Eng , Brigitte Voit</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of azobenzene-containing polymers and investigation of their substituent-dependent isomerisation behaviour</title><secondary-title>Reactive &amp; Functional Polymers </secondary-title></titles><periodical><full-title>Reactive &amp; Functional Polymers</full-title></periodical><pages>242-251</pages><volume>72</volume><section>242</section><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].

شکل 2-3 : ایزومریزاسیون سیس-ترانس آزوبنزن
نسبت ایزومرهای سیس و ترانس وابسته به میزان واکنش ایزومریزاسیون مختلف، در شدت نور، در بازده کوانتومی فتوشیمیایی ایزومریزاسیون سیس - ترانس و ترانس - سیس و همچنین ضریب جذب از ایزومرهای مربوطه در طول موج تابش است. میزان واکنشهای حرارتی به نوبه خود وابسته به مکانیسم ایزومریزاسیون که میتواند صورت بگیرد با وارونه شدن یکی از نیتروژنهای مرکزی از گروه آزو که منجر میشود به دوباره هیبرید شدن یکی از اتمهای نیتروژن از حالت هیبرید sp2 به حالت هیبرید sp ، و یا از طریق یک مکانیزم چرخش که به شدت مورد علاقه مشتقاتی با ممان دو قطبی قوی است. شکل(2-3) را ببنید. ظاهر این مکانیسمهای متفاوت، به شدت وابسته به قطبیت مولکول و محیط اطراف هستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ulrike Georgi</Author><Year>2012</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ulrike Georgi, Philipp Reichenbach , Ulrich Oertel, Lukas M. Eng , Brigitte Voit</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of azobenzene-containing polymers and investigation of their substituent-dependent isomerisation behaviour</title><secondary-title>Reactive &amp; Functional Polymers </secondary-title></titles><periodical><full-title>Reactive &amp; Functional Polymers</full-title></periodical><pages>242-251</pages><volume>72</volume><section>242</section><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].

شکل 2-4 : شماتیک حالات انتقالات برای ایزومریزاسیون حرارتی سیس-ترانس آزوبنزن
در سال 2008، یوان و همکارانش یک مطالعه دینامیک نیمه کلاسیک برروی فتوایزومریزاسیون ترانس- سیس آزوبنزن انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Shuai Yuan</Author><Year>2008</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">8</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Shuai Yuan, Wei Feng Wu, Yusheng Dou, Jian She Zhao</author></authors></contributors><titles><title>Trans–cis photoisomerization of azobenzene by excitation: A semiclassical dynamics study</title><secondary-title>Chinese Chemical Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chinese Chemical Letters</full-title></periodical><pages>1379-1382</pages><volume>19</volume><section>1379</section><dates><year>2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].
در مطالعه دینامیک شبیهسازی شده، گزارش شد که تشکیل ایزومر سیس به پیروی از حرکت چرخشی در اطراف پیوند N=N است ]11[.

شکل 2-5 : واریانس انرژی (a) و جمعیت الکترونی (b) مربوط به اوربتالهای HOMO و LUMO نسبت به زمان

شکل 2-6 : واریانس زوایای پیچشی CNNC(a) و زوایای پیوندی CNN (b) نسبت به زمان
در سال 1958 زیمرمن و همکارانش طیف آزوبنزن را ارائه دادند. همانطور که میتوان در شکل 2-7 دید ، ایزومر ترانس آزوبنزن یک جذب قوی در 318 نانومتر و یک جذب ضعیف در 432 نانومتر را نشان میدهد. ایزومر سیس دارای دو باند جذب است، یک جذب قوی در 260 نانومتر و یک جذب ضعیف در 440 نانومتر است. همپوشانی آشکار در جذب این دو ایزومر وجود دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zimmerman.G</Author><Year>1958</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zimmerman.G , Chow.L , Paik.U </author></authors></contributors><titles><secondary-title>American Chemical Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>American Chemical Society</full-title></periodical><pages>3528-3531</pages><volume>80</volume><section>3528</section><dates><year>1958</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].

شکل 2-7 : طیف UV/vis آزوبنزن
در سال 2009 سیمپسون و همکارانش محاسباتی درباره ایزومریزاسیون و موانع پیچش فنیل با استفاده (DFT) در سطح نظری B3LYP /6-31 + G ** در ترکیبات Aryl-X=Y- Aryl انجام دادند که در آن X,Y = C, N, P میباشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].

شکل2-8 : E(E-Z) Δ و موانع چرخش در پیچش پیوند دوگانه X=Y محاسبه شده در سطح نظری **B3LYP/6-31+G
X,Y = C, N, P
سیمپسون و همکارانش دریافتند که ایزومر ترانس دارای انرژی ساختار پایینتر برای هر چهار مولکول مورد مطالعه است، بنابراین پایدارترین ایزومر است. پیکربندی ترانس1و2-دیفنیل دیآزن دارای تقارن C2h است. مولکولهای Aryl-X=Y=Aryl ، حاوی فسفر مسطح نیستند. حلقه فنیل متصل به اتم فسفر بین 30 و 35 درجه برای 1و2-دیفنیل دیفسفن میچرخد. برای ایزومر ترانس- و سیس-1و2-دیفنیل دیآزن مقدار Eبه ترتیب برابر با 15.8 و 48.2 کیلو کالری بر مول است و برای ایزومر ترانس- و سیس- 1و2-دیفنیل دیفسفن مقدار Eبه ترتیب برابر با 5.5 و 38.7 کیلو کالری بر مول است. موانع چرخش در مورد پیوند دوگانه میتواند بوسیله استحکام پیوند π ، تعیین شود.. شکل 2-8 نشان میدهد که ضعیفترین پیوند π در مولکول P = P یافت میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
میزان ایزومریزاسیون حرارتی برای چند دیفسفن مشابه به صورت زیر مشاهده شده است که :
)Z → E: ∆G‡ ~20 kcal/mol at 0 °C∆ ، H‡ = 5/29 ± 4/1 kcal/mol and ∆S‡ = 38 6± cal/mol K (
آنتروپی فعالسازی نسبتاً بزرگ ممکن است به علت ازدحام فضایی باشد که توسط ایزومریزاسیون، رها میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
پیکربندی ترانس 1و2-دیفنیل دیآزن دارای تقارن C2h است. مولکولهای حاوی فسفر مسطح نیستند. حلقه فنیل متصل به اتم فسفر بین 30 و 35 درجه برای 1و2-دیفنیل دیفسفن میچرخد. انرژی ساختاری پایین این مولکولها تعادل بین مولکولی بین سیستم π کانژوگه در سراسر مولکول را منعکس میکند که همواره به سوی مسطح بودن مولکولی است، و ممانعت فضایی، پیکربندی غیر مسطح را القا میکند. این ممانعت فضایی به علت زاویه کوچک لیگاند بیشتر تشدید میشود، که در نتیجه اثر کمتر هیبریداسیون sp2  در عناصر سنگین گروه اصلی میباشد. زاویه معادل در 1و2-دیفنیل دیآزن بسیار نزدیک به 120 درجه است. انرژی در 90 τ = ، که در آن حلقه فنیل به پیوند مرکزی X = Y متعامد است، نشان میدهد که کانژوگه در سراسر مولکول و نیز برای مولکول حاوی فسفر کاهش مییابد. در دیفسفن تجربی مشخص شد، که استفاده از گروه بزرگ برای حفاظت از واکنش پذیری پیوند دوگانه منجر میشود به طیف گسترده ای از زاویه پیچش فنیل، که اکثر آنها زوایا بیشتر از 45 درجه دارند. پیکربندی الکترونی یکسان نیتروژن و فسفر نشان میدهد که ایزومریزاسیون در دیفسفن به احتمال زیاد آیینه آزوبنزن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
در سال 2009 پنگ و همکارانش برای محاسبه سطوح انرژی پتانسیل با بهینهسازی ترکیب 1و2-دیفنیل دیفسفن، در سطح نظری نسبتاً بالای ((B3LYP/6–31+G(d,p) یک پروژه - ریسرچارائه دادند. DFT و TDDFT را برای ترکیب 1و2-دیفنیل دیفسفن به همراه مختصات کامل، در زاویای مختلف از پیچش فنیل بکار گرفتند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Huo-Lei Peng</Author><Year>2009</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Huo-Lei Peng, John L. Payton, John D. Protasiewicz, M. C. Simpson</author></authors></contributors><titles><title>Twisting the Phenyls in Aryl Diphosphenes (Ar-P=P-Ar). Significant Impact upon Lowest Energy Excited States</title><secondary-title>J Phys Chem A.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J Phys Chem A.</full-title></periodical><pages>7054-7063</pages><volume>133</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]. دیفسفنها به طور معمول دو جذب بزرگ UV/vis نشان میدهند، که هر دو عمدتاً به گروه P=P اختصاص داده میشود.

شکل 2-9 : پارامترهای مهم هندسی ترانس-دیفنیل دیفسفن ((Ph-P=P-Ph در سطح ( B3LYP/6–311+G(2df,2p بهینهسازی شدهاند. مقایسه ساختارهای Mes P=P-Mes* * و Dmp-P=P-Dmp نیز فراهم شده است τ1 زاویه پیچش 3-2-1-1) ) وτ2 زاویه پیچش 3'-2'-1'-1) ) زوایای پیچش فنیل نسبت به پیوند تقریبا مسطحP = P هستند (زاویه پیچش در 2-1-1'-2' = τPP). Rpp طول پیوند P=P است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Huo-Lei Peng</Author><Year>2009</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Huo-Lei Peng, John L. Payton, John D. Protasiewicz, M. C. Simpson</author></authors></contributors><titles><title>Twisting the Phenyls in Aryl Diphosphenes (Ar-P=P-Ar). Significant Impact upon Lowest Energy Excited States</title><secondary-title>J Phys Chem A.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J Phys Chem A.</full-title></periodical><pages>7054-7063</pages><volume>133</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].
در سال 2001 گیلوزو وهمکارانش ساختار الکترونی از مشتقات دیفسفن و دیآرسن را بررسی کردند. در جدول2-6 نتایج بعضی پارامترها آمده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>karinne miqueu</Author><Year>2001</Year><RecNum>21</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>21</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">21</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>karinne miqueu , jean-marc sotiropoulos , genevieve guillouzo . et.all</author></authors></contributors><titles><title>The electronic nature of the -Pn=Pn- derivatives (Pn=P/As)</title><secondary-title>journal of Molecular Structure</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Structure</full-title></periodical><pages>139-146</pages><volume>545</volume><section>139</section><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15].
جدول2-6 : محاسبه پارامترهای ساختاری برای دیفسفن و دیآرسن های مختلف در سطح نظری B3LYP/6–311+G(d,p)

استپانیک و دیگر همکارانش ساختار و طیف ارتعاشی سیس و ترانس آزوبنزن را در سال 2001 بررسی کردند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>V.Stepanic</Author><Year>2001</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>V.Stepanic , G. Baranovic , V.Smrecki</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Molecular Structure</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Structure</full-title></periodical><pages>89-109</pages><volume>569</volume><number>569</number><section>89</section><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
جدول2-7 : پارامترهای ساختاری و ممان دوقطبی برای ترانس و سیس آزوبنزن در سطح نظری B3LYP/6–311+G(d,p)

شکل2-10 و جداول 2-8 و2-9 با استفاده از محاسبات کوانتومی آغازین روش CASSCF) ) توسط آماتاتسو در سال 2009 ارائه شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Amatatsu</Author><Year>2009</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[17]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Yoshiaki Amatatsu</author></authors></contributors><titles><title>Potential Energy Surfaces for the S1 S0 Relaxation of trans-Diphenyldiphosphene in the P=P Rotation-Restricted Condition</title><secondary-title>J. Phys. Chem. A</secondary-title></titles><periodical><full-title>J. Phys. Chem. A</full-title></periodical><pages>9667-9674</pages><volume>113</volume><section>9667</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17].

شکل2-10 : شماره گذاری اتمها و نمادهای زاویه پیوند، طول پیوند و زاویه پیچشی برای دیفنیل دیفسفن
جدول2-8 : پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیفسفن در سطح نظری CASSCF) )

جدول2-9 : پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیآزن در سطح نظری CASSCF) )

مطالعات خوبی درباره ایزومریزاسیون آزوبنزن توسط وانگ و همکارانش در سال 2009 انجام شد. آنها با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتومی آغازین روش CASSCF دریافتند که ترانس آزوبنزن با تقارن C2h نسبت به سیس آزوبنزن با تقارن C2 دارای انرژی پایینتری است( 16.2 کیلوکالری بر مول). در جدول 2-10 میتوانید پارامترهای ساختاری برای RE=ER بهینه شده در سطح نظری B3LYP/6-31G(d)) ) را مشاهده کنید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Luoxin Wang</Author><Year>2009</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">14</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Luoxin Wang, Weilin Xu , Changhai Yi, Xiaogong Wang </author></authors></contributors><titles><title>Isomerization and electronic relaxation of azobenzene after being excited to higher electronic states</title><secondary-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</full-title></periodical><pages>792-796</pages><volume>27</volume><section>792</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18].
جدول2-10 : پارامترهای ساختاری بهینه شده برای RE=ER محاسبه شده در سطح نظری B3LYP/6-31G(d)) )

شکل زیر هم تصویری از پارامترهای ساختاری آزوبنزن است که در سال 2009 توسط وانگ و همکارانش ارائه شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Luoxin Wang</Author><Year>2009</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">14</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Luoxin Wang, Weilin Xu , Changhai Yi, Xiaogong Wang </author></authors></contributors><titles><title>Isomerization and electronic relaxation of azobenzene after being excited to higher electronic states</title><secondary-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</full-title></periodical><pages>792-796</pages><volume>27</volume><section>792</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18].

شکل2-11 : زاویه و طول پیوند در ترانس و سیس آزوبنزن
در سال 2010 چن و سو سطوح انرژی پتانسیل واکنش حلقهزایی، مولکولهای گروه 15 Ph-E = E-Ph به 2- بورا فرروسنوفان را با استفاده از نظریه تابعی چگالی (B3LYP/LANL2DZ) مورد مطالعه قرار دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jian-Yi Chen</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jian-Yi Chen , Ming-Der Su</author></authors></contributors><titles><title>Diboration of the EdE Double Bond by [2] Metallocenophanes (E=N, P, As, Sb, and Bi): A Theoretical Study</title><secondary-title>Organometallics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Organometallics</full-title></periodical><pages>5812-5820</pages><volume>29</volume><section>5812</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19]. پارامترهای هندسی کلیدی Ph-E = E-Ph برای هر دو حالت یکتایی و سه تایی به ترتیب در شکل 2-12 و 2-13 آورده شده است. علاوه بر این، محاسبه خواص فیزیکی مولکول Ph-E = E-Ph برای مقایسه با برخی از دادههای تجربی در جدول 2-11 داده شده است.

شکل 2-12 : پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph

شکل 2-13 : پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph
توافق خوبی بین نتایج محاسباتی بدست آمده این دانشمندان و دادههای تجربی وجود دارد که نشان دهنده قابل اعتماد بودن روش و نتایج است. نکته مهم اینکه ساختار ترانس همیشه ثابت شده که نسبت به ساختار سیس پایدارتر است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jian-Yi Chen</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jian-Yi Chen , Ming-Der Su</author></authors></contributors><titles><title>Diboration of the EdE Double Bond by [2] Metallocenophanes (E=N, P, As, Sb, and Bi): A Theoretical Study</title><secondary-title>Organometallics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Organometallics</full-title></periodical><pages>5812-5820</pages><volume>29</volume><section>5812</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19].
جدول 2-11 : خواص فیریکی از جمله انرژی تفکیک پیوند، انرژی تبدیل ترانس به سیس و مقادیر طول پیوند دوگانه تجربی برای مولکول Ph-E = E-Ph

2-5 نتیجه
آنچنان که مشاهده شد، مطالعات متعدد محاسباتی درباره ترکیبات مورد نظر ما یا مشتقات مختلف دیگر از این ترکیبات گزارش شده است اما هنوز یک تصویر مناسب با استفاده ازروشهای مکانیک کوانتومی آغازین در سطح نظری B3LYP/ Def2-TZVPP و تحلیل NBO که مولکول Ph-E = E-Ph حاوی اتمهای نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان را بررسی نماید نشان داده نشده است. اطلاعات تجربی در مورد ایزومریزاسیون ترکیبات مورد نظر منتشر شده اما دادههای تجربی یا نظری در مورد اثرات عدم استقرار و برهمکنش دوقطبی-دوقطبی برروی خواص پیکربندی ترکیبات ما منتشر نشده است. بررسی دقیق این پژوهش، درک بهتری از تاثیر اثرات مختلفی همچون اثرات استریوالکترونی، اثرات الکترواستاتیک و اثرات فضایی در تعیین پایداری گونههای مورد نظر بالا، که تاکنون ارائه نشده است، را فراهم میکند. در اینجا، ما یک بررسی کامل برای تعیین پایداری گونههای Ph-E = E-Ph حاوی اتمهای نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان را گزارش میکنیم. این مطالعه میتواند نشان دهنده اطلاعات بسیار مفیدی باشد که ضمن تایید، گسترش میدهد آنچه را که درباره پایداری مولکولهای موردنظر شناخته شده است و همچنین کمک میکند تا زمینهای برای مطالعات آینده ایجاد شود.
فصل سوم
محاسبات شیمیایی
3-1- مقدمه :
در اواخر قرن هفدهم، ایساک نیوتن موفق شد مکانیک کلاسیک و قوانین حرکت اجسام ماکروسکوپی را کشف کند. در اوایل قرن بیستم فیزیکدان‌ها دریافتند که مکانیک کلاسیک از توجیه صحیح رفتار ذرات خیلی کوچک، نظیر الکترون‌ها و هستۀ اتم‌ها و مولکول‌ها عاجز است و معلوم شد که رفتار چنین ذراتی توسط مجموعه‌ای از قوانین به نام مکانیک کوانتومی توصیف می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>L. N. Levine</Author><Year>1991</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="11">L. N. Levine,</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="italic" font="default" size="11">QuantumChemistry</style></title><secondary-title><style face="normal" font="default" size="11">Prentice, Hall</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Prentice, Hall</full-title></periodical><dates><year><style face="normal" font="default" size="11">1991</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
شیمی کوانتومی دانش کاربرد مکانیک کوانتومی در مسایل مربوط به شیمی است. اثر شیمی کوانتومی در تمام شاخه‌های وابسته به شیمی قابل لمس است. مثلاً دانشمندان شیمی فیزیک، مکانیک کوانتومی را به کمک مکانیک آماری در محاسبات مربوط به خواص ترمودینامیکی (مانند آنتروپی و ظرفیت حرارتی گازها)، در تفسیر طیف‌های مولکولی به منظور تأئید تجربی خواص مولکولی (مانند طول‌ها و زوایای پیوندی، گشتاورهای دوقطبی، سدهای مربوط به دوران داخلی، تفاوت‌های انرژی بین ایزومرهای همدیس)، در محاسبات نظری خواص مولکولی برای محاسبۀ خواص حالات‌ گذار در واکنش‌های شیمیایی به منظور برآورد ثابت‌های سرعت واکنش، برای فهم نیروهای بین مولکولی و بالاخره برای بررسی‌ ماهیت پیوند در جامدات به کار می‌برند. دانشمندان شیمی آلی از مکانیک کوانتومی برای برآورد پایداری‌های نسبی مولکول‌ها محاسبۀ خواص واسطه‌های واکنش، بررسی سازوکار واکنش‌های شیمیایی، پیش‌بینی میزان ترکیبات و تحلیل طیف‌ها استفاده می‌کنند. دانشمندان شیمی تجزیه، به صورتی گسترده از روش‌های طیف سنجی کمک می‌گیرند. شدت و فرکانس‌های خطوط طیفی، تشابه کمک مکانیک کوانتومی قابل فهم و تفسیر هستند.
دانشمندان شیمی معدنی از نظریه میدان لیگاند که یک روش تقریبی مکانیک کوانتومی است، در توضیح خواص یون‌های مرکب فلزات واسطه سود می‌برند.
3-2-محاسبات شیمیایی
شیمی محاسباتی شاخه‌ای از شیمی نظری است که می‌تواند ساختار، انرژی‌ و دیگر خصوصیات شناخته شده یا نشده مولکول‌ها را پیشگویی کند. برای انجام محاسبات باید از کامپیوترهای رقمی استفاده نمود که سیستم‌های شیمیایی را شبیه‌سازی می‌نمایند. از طرف دیگر تمام روش‌های محاسباتی برای مطالعه‌ی یک مولکول مناسب نمی‌باشد. پس در ابتدا باید یک روش نظری مناسب را برای مطالعۀ یک مولکول انتخاب نمود. در شیمی محاسباتی، سیستم‌هایی که به طور دقیق قابل حل می‌باشند، عبارتند از سیستم‌های تک ذره‌ای یا دو ذره‌ای که سیستم دو ذره‌ای با استفاده از دستگاه مختصات مرکز جرم می‌تواند به دو مسئله تک ذره‌ای تبدیل شود. در مورد سیستم‌های چند ذره‌ای محاسبات ریاضی بسیار پیچیده و طولانی موردنیاز است. قبل از اختراع کامپیوتر، تعداد سیستم‌هایی که با دقت بالا قابل حل بودند، انگشت شمار بود. هم‌اکنون کامپیوتر در بسیاری از شاخه‌های علوم به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در نتیجه شاخه‌ای جدید از شیمی به نام شیمی محاسباتی که در آن کامپیوتر به عنوان یک وسیلۀ تجربی مانند طیف نگار NMR، IR مربوط به مسایل شیمیایی است. به طورکلی روش‌های محاسباتی که برای مطالعه مکانیسم واکنش‌ها، پایداری ترمودینامیکی، ساختار و خواص مولکولی، از قبیل انرژی، طول پیوند و زاویه پیوندی به کار ‌رود، شامل دو روش اصلی مکانیک مولکولی (کلاسیک)1 و مکانیک کوانتومی می‌باشد.
3-2-1- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کلاسیکپایه و اساس این محاسبات، روش‌های مکانیک نیوتن است. در این روش‌ها قوانینی مانند قانون هوک مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله این روش‌ها، روش تجربی میدان نیرو1(EFF) (مکانیک مولکولی نیز نامیده می‌شود) می‌باشد. روش مذکور از الگوی یک مولکول که در آن اتم‌ها توسط پیوندها به هم دیگر متصلند شروع می‌شود. برای برهم‌کنش بین اتم‌های ناپیوندی نیز سهمی منظور می‌شود. این روش‌ها توسط وستهایمر، هندریکسون، وایبرگ، الینر، وارشل و دیگران توسعه یافت.
انرژی الکترونی مولکولی U، به صورت زیر نوشته می‌شود:
(3-1)
که به ترتیب شامل انرژی کشش پیوند، انرژی خمشی پیوند و انرژی برهم‌کنش واندروالس و انرژی پیچشی می‌باشد. در روش MMP2 انرژی کشش پیوند به صورت تابع درجه دومی از تغییر هریک از طول‌های پیوند از طول تعادلی پیش‌بینی شده به صورت تعریف می‌شود:
(3-2)
که در آن ثابت نیرو برای کشش پیوند، i است.
در مورد یک جابجایی جزیی هسته‌ها از مواضع تعادلیشان، U به طور تقریبی یک تابع درجه دومی از است. انرژی خمشی پیوندبه صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:
(3-3)
در رابطۀ فوق،، به ترتیب مبین زاویۀ موجود، زاویه تعادلی مورد انتظار و ثابت نیروی خمشی برای زاویۀ پیوندی i است. طول‌ها و زوایای مورد انتظار و عبارت از کمیت‌های انتخاب شده از هندسه‌های تعادلی معین، برای مولکول‌های کوچک آزادند (مثلاً طول‌های نوعی پیوند یگانه کربن- کربن برابر 53/1آنگستروم است). انرژی برهم‌کنش واندروالسی به صورت مجموع برهم‌کنش‌های بین زوج اتم‌های ناپیوندی بیان می‌شود. انرژی برهم‌کنش واندروالس به صورت زیر تعریف می‌شود:
(3-4)
مقدار انرژی واندروالسی به فاصلۀ مابین اتم‌ها بستگی دارد، از رابطۀ فوق زمانی استفاده می‌شود که باشد. در رابطۀ فوق r فاصلۀ مابین اتمی، مجموع شعاع واندروالسی دو اتم را نشان می‌دهد. به عنوان ثابت انرژی برای یک زوج اتم از رابطه
(3-5)
به دست می‌آید. و پارامترهای مربوط به سختی هر اتم می‌باشد. بنابراین برای دو اتم از یک نوع است. زمانی که باشد، معادله مربوط به انرژی واندروالسی به صورت زیر است:
(3-6)
عبارت مربوط به انرژی پیچشی به صورت زیر است:
(3-7)
که در آن ، و سدهای انرژی بوده و زاویۀ پیچش حول پیوند مشخص شده است. لازم به ذکر است که اگر مولکول دارای یک یا چند حلقه کوچک باشد، به منظور دخالت دادن کرنش فضایی حاصل، جملات دیگری اضافه می‌شوند. اگر مولکول دارای گروه‌های قطبی باشد، برای نمایش برهم‌کنش‌های الکتروستاتیکی بین این گروه‌ها، جملاتی اضافه می‌شود.
علاوه بر این‌، در مورد ترکیبات آروماتیکی، اطلاعاتی از قبیل مراتب پیوندهای ناشی از محاسبات مکانیک کوانتومی الکترون نیز شرکت می‌کنند. اگر پیوندهای هیدروژنی درون مولکولی وجود داشته باشد برای آن نیز جملاتی منظور می‌شود. چون تابع انرژی پتانسیلU برای ارتعاش مولکولی تولید می‌شود، لذا می‌توان روش EFF را به منظور محاسبه فرکانس‌های ارتعاشی مولکول به کار برد. توجه داشته باشید که تراز انرژی صفر به صورتی انتخاب می‌شود که با همه طول‌ها و زوایای پیوندی دارای مقادیر متداول و متناظر بوده و در آن برهم‌کنش‌های واندروالس ناپیوندی و یا برهم‌کنش‌های دورانی داخلی مطرح نباشد. در یک چنین حالت فرضی به خوبی می‌توان انرژی مولکولی را به صورت مجموعه‌ای از انرژی‌های پیوند تجربی تقریب کرد. به منظور اعمال روشEFF، داشتن داده‌های کافی برای انتخاب مقادیر پارامترها، ضروری است. از این رو، اغلب کاربردهای روش مزبور، در مورد هیدروکربن‌ها بوده است. مولکول‌های شامل گروه‌های قطبی منزوی نیز به راحتی از این طریق بررسی می‌شوند.
هم چنین با توجه به این که روش مذکور برای حالت پایۀ مولکول‌ها فرمول‌بندی شده‌اند، نمی‌تواند وضعیت‌های هندسی را که شامل فرایند شکستن یا گسستن پیوند می‌باشد را تعیین نماید. با این حال روش مکانیک مولکولی، برای محاسبه پایداری نسبی ساختارهای مولکولی مفید است زیرا محاسبات مربوط به آن مثل محاسبات اوربیتال مولکولی وقت‌گیر نیست و برای مطالعه مولکــول‌های نسبتاً بزرگ آلی مناسب می‌باشد.
تحقیـقات وسیعی در این زمیــنه توسط کولمـن1انجام شـده است که به نام روش AMBER 4.0 معروف است.
3-2-2- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کوانتومی
اساس محاسبات مکانیک کوانتومی نظریه اوربیتال مولکولی می‌باشد که از تقریب اوربیتال مولکولی هارتری فاک11استفاده می‌شود. از میان روش‌های مکانیک کوانتومی می‌توان به معادله موجی شرودینگر22، نمایش برداری دیراک33، جوردان44 و محاسبات ماتریسی هایزنبرگ55و بورن66اشاره کرد.
از میان روش‌های مذکور، نمایش‌برداری دیراک روش گسترش یافته‌تری در مقایسه با روش‌های دیگر است. معادله موجی شرودینگر از میان روش‌های فوق، شناخته شده‌تر می‌باشد. به همین دلیل در اکثر مسایل شیمیایی با حدس هامیلتونی واقعی7و تابع موج واقعی معادله شرودینگر حل می‌شود.
(3-8)
که در آنعملگر هامیلتونی، تابع موج و E انرژی تابع موج است. روش‌های محاسباتی مکانیک کوانتومی گستردگی بسیاری دارد، و شامل روش‌های ساده و پیچیده می‌باشد. از روش‌های محاسباتی ساده می‌توان نظریه هوکل را نام برد، که در آنها الکترون‌های لایه ظرفیت در نظر گرفته می‌شود و از روش‌های پیچیده، روش محاسباتی آغازین را می توان نام برد.
در حد فاصل روش‌های فوق روشهای نیمه تجربی قرار دارند، که هریک از آنها نیز روش‌های مختلفی را در بر می‌گیرند. اما وجه اشتراک تمام این روش‌ها این است که با استفاده از گرادیان انرژی ساختار مولکول را بهینه می‌کنند، یعنی یک مولکول با مناسب‌ترین پیکربندی و کمترین مقدار انرژی به دست می‌آید. علاوه بر این‌ها روش دیگری به نام روش دینامیک مولکولی وجود دارد که با استفاده از معادلات نیوتنی رفتار سیستم‌های فیزیکی را شبیه‌سازی می‌کند.
تفسیر واکنش شیمیایی براساس برهم‌کنش‌های بین اتم‌ها و مولکول‌ها دینامیک شیمیایی نامیده می‌شود. با پیشرفت این علم امیدی در دل شیمیدانان زنده می‌شود، که دیگر مجبور نخواهند بود نظاره‌گر آن باشند که واکنش شیمیایی چه محصولی برای او تولید می‌کند، بلکه می‌توانند به کمک دینامیک مولکولی، واکنش را به سوی تولید محصول دلخواه سوق ‌دهند.
با توجه به مطالب ذکر شده روش‌های محاسبات مکانیک کوانتومی به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شود:
روش نیمه تجربی11
روش آغازین22
3-2-2-1- روش‌های نیمه تجربی
اگر در حل معادله شرودینگر به جای برخی انتگرال‌ها جواب آنها را قرار دهیم یا از بعضی از انتگرال‌ها که سهم ناچیزی در جواب معادله دارند صرف نظر کنیم، به این ترتیب تعداد انتگرال‌هایی که باید حل شوند کم شده و زمان لازم برای رسیدن به ساختار بهینه کمتر می‌شود. به این روش که حل معادله‌ی شرودینگر در آن با تقریب حل می‌شود روش‌های نیمه تجربی گویند.
روش‌های نیمه تجربی دو هدف را دنبال می کنند:
اختار حاصل از این محاسبه با روش‌های تجربی یکسان باشد. به این نوع روش‌ها، روش مکتب دوار3گویند.
ممکن است هدف این باشد که ساختار حاصل از این روش به ساختار حاصل از روش آغازین نزدیک باشد. به این روش، روش مکتب پاپل4گویند.
روش‌های نیمه تجربی معرفی شده به صورت زیر هستند:
1- روش اوربیتال مولکولی الکترون آزاد(FEMO)
2- روش اوربیتال مولکولی هوکل(HMO)
3- روش پار، پاپل، پاریزر(PPP) 4- روش گسترش یافته هوکل(EHMO) 5- روش چشم‌پوشی کامل از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی(CNDO)
6- روش چشم‌پوشی متوسط از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی(INDO)
7- INDO عمود شده متقارن(SINDO)
8- روش برهم‌کنش پیکربندی اغتشاشی با استفاده از اوربیتال‌های متمرکز(PCILO)
9- روش چشم‌پوشی از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی (NDDO)
10- روش ابقاء جزئی هم‌پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی(PRDDO)
11- روش اصلاح شده چشم‌پوشی متوسط از هم‌پوشانی دیفرانسیلی(MINDD)
12- روش اصلاح شده چشم‌پوشی از هم‌پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی(MINDO)
13- روش تصحیح شده (AM1) MNDO
14- روش تصحیح شده (PM3) AM1
3-2-2-2 -روش‌های مکانیک کوانتومی آغازین
از این روش برای بررسی مولکول‌های کوچک استفاده می‌شود که یکی از معتبرترین روش‌های موجود می‌باشد که در آن تعداد بسیار محدودی تقریب استفاده شده است. این روش نسبت به روش‌های دیگر از ویژگی خاصی برخوردار است و آن این است که پیش‌بینی‌های آن براساس اصول اولیه کوانتومی نظیر ثابت‌های اساسی، سرعت نور، بار الکترون و ثابت پلانک بیان شده است.در این روش با حل معادله شرودینگر به انتگرال‌های روتان12می‌رسیم (روتان اولین کسی بود که به جای اوربیتال‌ها استفاده از توابع پایه را بنا نهاده است)، اگر تمام این انتگرال‌های چند الکترونی- چندمرکزی را حل کرده و بدون هیچ نوع دستکاری و تقریب به جواب برسیم، با (Ab initio) عمل کرده‌ایم.
در این روش از عملگر هامیلتونی استفاده می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>L. N. Levine</Author><Year>1991</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="11">L. N. Levine,</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="italic" font="default" size="11">QuantumChemistry</style></title><secondary-title><style face="normal" font="default" size="11">Prentice, Hall</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Prentice, Hall</full-title></periodical><dates><year><style face="normal" font="default" size="11">1991</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20] .عبارت Ab initio بیانگر روش پیچیده برای حل اوربیتال‌های مولکولی بر مبنای اصول اولیه می‌باشد. در روش آغازین انتگرال‌ها را پارامتر ثابت در نظر نمی‌گیرند و باید حل شوند که این امر امکان‌پذیر نمی‌باشند. در این روش با اینکه فرضیات ساده‌ای در نظر گرفته می‌شود، اما به جواب‌های دقیق می‌توان دست یافت و با توجه به اینکه به زمان محاسباتی زیادی نیاز دارد، بیشتر برای مولکول‌های کوچک به کار می‌رود.
(3-9)
مشخصه هسته i و j مشخصه الکترون می‌باشد.
روش‌های آغازین در میان دیگر روش‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. تعیین توابع موج الکترونی دقیق برای مولکول‌ها کار دشواری است. با روش‌های آغازین می‌توان الگوی مناسبی را برای توابع موج الکترونیکی مولکول انتخاب کرده، و محاسبات را بدون تقریب‌های بیشتر یا داده‌های تجربی انجام داد. بنابراین در محاسبات آغازین تقریب براساس الگو قرار می‌گیرد. این امر به وضوح بر اعتبار نتایج حاصل، تأثیرگذار خواهد بود. به طوری که انتخاب نامناسب الگو منجر به نتایج ناصحیح و گمراه‌کننده می‌شود.
3-3-تقریب بورن اپنهایمر1خواص شیمیایی اتم‌ها و مولکول‌ها به کمک ساختار الکترونی آن‌ها تعیین می‌شود. الکترون‌ها بسیار سبکتر از هسته‌ها هستند و در اکثر مسائل ساختار مولکولی می‌توان حرکت الکترونی و هسته‌ای را به طور جداگانه بررسی کرد. الکترون‌ها بسیار سریعتر از هسته‌ها حرکت می‌کنند و می‌توان تصور کرد که الکترون‌ها ذاتاً یک پتانسیل استاتیکی را به واسطه هسته‌ها تجربه می‌کنند. به عبارت دیگر، ملاحظه می‌شود که هسته‌ها در معرض پتانسیل متوسطی به واسطۀ الکترون‌ها قرار دارند. این مطلب اساس جداسازی بورن- اپنهایمر است که در آن برای یک مولکول معادله شرودینگر کلی که حرکات الکترون‌ها و هسته‌ها را توصیف می‌کند، به دو معادلۀ مجزا برای الکترون‌ها و هسته‌ها تبدیل می‌شود. اگر هسته‌ها و الکترون‌ها را به صورت نقاط مادی در نظر بگیریم در این صورت هامیلتونی مولکول به صورت زیر است :
(3-10)
که در آن و مشخصه‌های هسته و و مشخصه‌های الکترون‌ها هستند. جمله اول موجود در معادلۀ بالا عملگر انرژی جنبشی هسته‌ها، جمله دوم مربوط به عملگر به انرژی جنبشی الکترون‌ها و جمله سوم مربوط به دافعۀ بین هسته‌ها است که در آن ، فاصلۀ بین هسته‌های و با اعداد اتمی را بیان می‌کند. جمله چهارم، بیانگر جاذبه بین الکترون‌ها و هسته‌ها است که در آن فاصلۀ بین الکترون i و هسته را نشان می‌دهد و در نهایت آخرین جمله دافعه بین الکترون‌هاست که در آن ، بیانگر فاصله بین الکترون‌های i و j است. معادلۀ شرودینگر کل را می‌توان به صورت عبارت (3-52) نوشت:
(3-11)
که در اینجا و عملگرهای انرژی جنبشی برای هسته‌ها و الکترون‌ها (به ترتیب در موقعیت‌های R و r نسبت به مرکز جرم) می‌باشد. جملات انرژی پتانسیل انرژی پتانسیل الکترواستاتیکی ناشی از برهم‌کنش‌های هسته-هسته، الکترون- هسته و الکترون- الکترون هستند. اگر حرکات هسته و الکترون‌ها قابل جدا کردن باشند، می‌توان تابع موج کل را به صورت توابع موج الکترونی و هسته‌ای نوشت:
(3-12)
تابع موج الکترونی ز لحاظ پارامتری به پیکربندی هسته‌ای (R) بستگی دارد و جوابی برای معادلۀ الکترونی شرودینگر محسوب می‌شود.

user3-2095

فصل اول-همجوشی هسته‌ایواکنش‌های هسته‌ای تبدیلات خودبخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌ها به هسته دیگر که سبب تغییر ساختار هسته یا تغییر تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) می‌گردد، واکنش‌های هسته‌ای نام دارند. همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای، دو روش اصلی انجام واکنش‌های هسته‌ای می‌باشد.
شکافت هسته‌ایدر واکنش شکافت، هسته‌ی سنگین یک عنصر رادیو اکتیو مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه می‌شود. به طور مثال اورانیوم 235 مورد اصابت یک نوترون قرار می‌گیرد و هسته فوق‌العاده ناپایداری تشکیل می‌شود که تقریبا بلافاصله می‌شکافد و کریپتون و باریم و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود. که ناشی از تبدیل جرم ناپدید شده (با مقایسه میان جرم سوخت‌های اولیه و محصولات واکنش) به انرژی است. این انرژی حدود 5 دهه است که مورد استفاده قرار گرفته است اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شکافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن که حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شکافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت تنها در یک سده کفایت می‌کنند.
موادی که انجام یک واکنش شکافت هسته‌ای را ممکن می‌سازند عبارتند از: 239Pu ، 235U ، 238U ، و ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.
در اثر برخورد نوترون حرارتی به ایزوتوپ235U ، هسته اتم به 235U تحریک شده تبدیل می‌شود. اورانیوم تحریک شده بعد از شکافت، به باریم و کریپتون و سه نوترون تبدیل می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Krane</Author><Year>1996</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060620">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Krane, K.S.; </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Modern Physics. published by Wiley</secondary-title></titles><periodical><full-title>Modern Physics. published by Wiley</full-title></periodical><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5].
1n + 235U → 236U → 144Ba+89Kr + 3 1n
اما مسئله مهمتر اینکه هر نوترون‌ آزاد شده بر اثر شکافتن هسته 235U می‌تواند دو هسته دیگر را شکافته و چهار نوترون را بوجود آورد. شکافت هسته‌ای و آزاد شدن نوترون‌ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود. در واکنش‌های کنترل شده تعداد شکافت در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگه‌داشته می‌شود. برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون‌های اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست. زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکافته می‌شود تولید عناصر استرتیوم 90، کریپتون 91، ایتریوم 91، زیرکونیوم 95، 126I ، 137U ، باریم 142، سریم 144 امکان پذیر هستند.
همجوشی هسته‌ایواکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هستههای چهار اتم هیدروژن معمولی (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زیادی انرژی ناشی از تبدیل جرم به انرژی است (E=mc2)، یک هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wilhelemsson</Author><Year>2004</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060659">6</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wilhelemsson, H.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion and the cosmos</title><secondary-title>Condensed Matter Physics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Condensed Matter Physics</full-title></periodical><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
در کره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید کرد؛ که البته همه در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند. همجوشی هسته‌ای به دلیل پرتوزایی کمتر و ایمنی بیشتر و فراوانی بیشتر سوخت اولیه برای انجام واکنش‌ها نسبت یه شکافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ، به تعداد زیادی از واکنش‌هایی که با هم رخ دهند، نیاز است. دافعه‏ی کولنی، مانع رخ دادن همجوشی هسته‏ای می‏گردد. برای غلبه بر این دافعه، به دما و چگالی بالایی مورد نیاز است. در نتیجه سوخت باید در حالت پلاسما باشد.در دمای به قدر کافی بالا، سرعت‏های حرارتی ذرات خیلی زیاد خواهند شد. در این صورت، ذرات این فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ی کافی به هم نزدیک شده، بر دافعه‏ی کولنی چیره شوند وتوانایی پیوند داشته باشند. در طی این فرایند انرژی بسیار زیادی آزاد میگردد.
اگر چگالی پلاسما بیشتر از ١٠20 یون در هر سانتی‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازی می‌تواند کوتاهتر باشد. اگر پلاسما خیلی فشرده شود، زمان محصورسازی، بی نهایت کوتاه و انرژی آزاد شده، فوقالعاده شدید است. در این صورت با یک بمب سر و کار خواهیم داشت نه یک راکتور کنترل شده. بههمین دلیل، با وجود آن که وظیفه محصورسازی مشکل میگردد، چگالی پلاسما در حداقل نگه داشته می‌شود.
بطور عملی هنوز محفظهای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود چند صد میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظههایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهای پایینتر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگانی نظیر خورشید کره عظیم پلاسمای خود را از طریق جاذبه حفظ میکنند. پلاسما از ذرات باردار تشکیل یافته است. این ذرات نمی توانند خطوط میدان مغناطیسی را قطع کنند، اما حول این خطوط میچرخند. این نکته، خلاصهای از مبنای فکری طرح محصورسازی پلاسما توسط خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل داده است.
در یک تعریف کلی فرایند جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره‌های مخزنی که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌ها توسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازی نامیده می‌شود.

شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>McCollam</Author><Year>2013</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061554">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>McCollam, K.; </author></authors></contributors><titles><title>Magnetic confinement in plasma physics</title><secondary-title>UW–Madison Physics Dept.</secondary-title></titles><periodical><full-title>UW–Madison Physics Dept.</full-title></periodical><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]
انتخاب سوخت مناسبباتوجه به فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها، مشخص شده است که واکنشهای همجوشی بسیاری وجود دارد. متغیرها برای واکنشهای مختلف، هستههای سوخت درگیر، محصولهای واکنش که خارج می شوند، مقدار واکنش و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی واکنش دهندهها، می باشند.
برهم کنش ایزوتوپهای هیدروژنی (دوتریم وهلیوم 3) یکی از واکنش‌های مورد توجه در فرآیند همجوشی میباشد. به دلیل این‌که ایزوتوپ های هیدروژن فقط یک بار الکتریکی دارند و انرژی حرارتی کمتری برای نزدیک شدن به یکدیگر نیاز دارند، به عبارت دیگر در دماهای پایین همجوشی ایزوتوپهای هیدروژن اتفاق میافتد. به علت عدد اتمی واحد ایزوتوپها، این برهم کنش هیدروژنی دارای قابلیت نفوذ بسیار بالایی در سد کولنی میباشد. برای تعیین سوخت‌های همجوشی مناسب، باید در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرایط نگهداری و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخی از واکنش‌های گوناگون همجوشی، شامل واکنش‌های ذکر شده در جدول(1-1) می‌باشد. در بیشتر واکنش‏های همجوشی، دو هسته‏ سبک با هم ترکیب و به هسته‏‏ سنگین‏تر تبدیل می‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏ای آن‏ها به صورت زیر است:

جدول1-1- برخی از واکنش‌های همجوشی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
سوخت واکنش همجوشی شکل اختصاری بهره انرژی بر حسب ژول
DT D+T→42He+10n T(d,n)4He 2.8×10-12
DDn D+D→32He+10n D(d,n)3He 5.24×10-13
TT T+T→42He+10n+10n T(t,2n)4He 1.81×10-12
DDp D+D→T+P D(d,P)T 6.46×10-13
D-3He D+32He→42He+P 3He(d,P)4He 2.93×10-12
P_6Li P+63Li→42He+32He 6Li(p,x)3He 6.44×10-13
P_11B P+115B→3(42He) 11B(p,2x)4He 1.39×10-12
واکنش D-T دارای بیشترین سطح مقطع میباشد، مقدار بیشینه سطح مقطع آن 5 بارن برآورد شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>al.</Author><Year>2002</Year><RecNum>111</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>111</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="tx9da0v069srt5eteeoxtwa7fvfdz5wd09zx" timestamp="0">111</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>HarmsA. et al.</author></authors></contributors><titles><title>Principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World Scientific Publishing Co. pte. 1td.</secondary-title></titles><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
(1-1)
واکنش همجوشی قابل دسترس دیگر، در برگیرندهی هستهی دوتریم به عنوان سوخت است:
(1-2)
این نمایش نشان میدهد که واکنش D+Dاز طریق دو کانال واکنش متمایز، همجوشی میکند که تقریبا با احتمالهای برابر صورت میگیرد. سطح مقطع برای هریک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از این دو واکنش در مییابیم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Biberian</Author><Year>2009</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061676">9</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Biberian, J.P.;</author></authors></contributors><titles><title>Experiments and Methods in Cold Fusion</title><secondary-title> Journal of Condensed Matter Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>2</volume><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9].
همچنین ممکن است دوتریم، با محصولهای واکنش تریتیوم و هلیوم-3 همجوشی کند که افزون بر معادله‌ی (1-1)، داریم:
(1-3)
واکنش همجوشی یاد شده، در برگیرندهی دوتریم و همچنین هستههای سبک دارای جرم بیشتری هستند. از مزایای این واکنش نسبت به D-D میتوان به سوختی رادیواکتیو نبودن و یک واکنش نوترونیک بودن اشاره کرد. به عبارت دیگر در مسیر واکنش همجوشی هیچ نوترونی تابش نمیکند، در نتیجه تابش نوترون به طور چشمگیری کاهش مییابد که میتواند به معنای یک محافظ خیلی ارزان برای راکتور استفاده شود؛ زیرا تابشهای نوترونی باعث تخریب دیواره راکتور میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Brereton</Author><Year>1988</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061736">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Brereton, S. J.; Kazimi, M. S.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Engineering and design</secondary-title></titles><volume>30</volume><number>207</number><dates><year>1988</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]. قلهی آهنگ واکنش برابر با58 است. اما تولید هلیوم -3 بسیار سخت است، در حال حاضر میتوان آن را محصولی از راکتورهای شکافت دانست، زیرا تریتیوم تولید شده در راکتورهای شکافت به طور طبیعی بعد از مدتی به هلیوم 3 واپاشی میکند.
اگر این شکل ادامه یابد، برای واکنش هستهای ، تعداد زیادی کانالهای واکنش مشخص شده است:
(1-4)
واکنشهای هستهای که درگیر هستههای سبک، مانند پروتون، میباشند ممکن است مطابق فرآیندهای زیر روی دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]:
(1-5 الف) (1-5 ب)
(1-5 ج)
و همچنین دیگر واکنشهای مبتنی بر و ، عبارتند از:
(1-6)
(1-7)
(1-8)
نمایش فیزیکی واکنشهای همجوشی، تنها بررسیهای لازم برای تعیین و گزینش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشی نیست بلکه بررسیهای دیگری در برگیرندهی قابل دسترس بودن سوختهای همجوشی، سختی در نگهداری و دانسیتهی میزان واکنش کافی، نیز لازم میباشد.
تاکید بر دیگر نکات واکنشهای همجوشی یاد شده، ضروری است. در هر حالت، کسرهای مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژی جنبشی ذرات باردار و نوترونهای خنثی باقی میماند، در نتیجه ایدهی یک راکتور همجوشی پایه گذاری شده با بازده بالا؛ تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار، به ویژه برای واکنشهایی که کسر بزرگتری از مقدار آنها در شکل انرژی جنبشی باردار باقی میماند، مناسب به نظر میرسد. این نکته به طور ویژهای مورد توجه است؛ چرا که نوترونهایی که به عنوان محصول واکنش همجوشی پدیدار میشوند، به گونهی تغییر ناپذیری به محصولات رادیو اکتیو در مواد مهارکننده قلب همجوشی کمک میکنند.
کمیتی مهم در ارتباط با واکنش‌های هسته‌ای، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعریف می‌شود. برای وقوع واکنش همجوشی، دو هسته‏ی باردار مثبت باید با غلبه بر نیروی دافعه‏ی کولنی، با هم برخورد کنند. تابع پتانسیل دافعه‏ی کولنی به صورت زیر است:

که Z1 , Z2، عدد اتمی هسته‌های برهم‌کنش کننده می‌باشد.
نیروی دافعه‏ی کولنی در فاصله‏ بیشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه‏ زیر بدست می‏آید:

که A1,A2 اعداد جرمیِ هسته‌های برهم‌کنش‏ کننده هستند.
شکل1-2 نشاندهنده انرژی پتانسیل برحسب فاصله‏ دو هسته‏ باردار می‌باشد که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند و نشان‏دهنده‏ چاه هسته‏ای، سد کولنی و نقطه‏ی بازگشتی کلاسیکی است.

شکل 1-2- انرژی پتانسیل بر حسب فاصله‏ی دو هسته‏ی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].در فاصله‏ی r <rn، دو هسته تحت تأثیر نیروی جاذبه‏ی هسته‏ای قرار می‏گیرند که با چاه پتانسیل به عمق، مشخص می‌شود. با استفاده از معادلات می‏توان ارتفاع سد پتانسیل را پیدا کرد:

بر طبق مکانیک کلاسیک، فقط هسته‌هایی با انرژی بیشتر از این مقدار می‏توانند بر سد کولنی غلبه کرده و با هم برخورد کنند و هسته‌هایی با انرژی نسبی () کمتر از، می‏‏توانند تا نقطه‏ی بازگشت کلاسیکی به هم نزدیک شوند. ولی در مکانیک کوانتومی، واکنش همجوشی بین دو هسته با انرژی کمتر از سد کولنی، نیز ممکن است؛ چون تونل‏زنی از سد کولنی مجاز است. پارامترهای دخیل در برهم‌کنش بین پرتابه و هدف، سطح مقطع واکنش و واکنش‏پذیری هستند.
ایده‌های راکتور همجوشیانواع روشهای محصورسازی مورد استفاده در راکتورهای همجوشی هسته‌ای، همجوشی از طریق محصورسازی اینرسی، همجوشی از طریق کاتالیزور میون و محصورسازی از طریق محبوس کردن مغناطیسی می‏باشند که هدف هر سه روش، برآورده ساختن معیار لاوسون می‌باشد. محصورسازی لختی، فرایند نگهداری پلاسما را در چگالی‏های بالا و در زمان کوتاه انجام می‏دهد و محصورسازی مغناطیسی، پلاسما را در چگالی‏های پایین، در زمان نسبتاً طولانی محصور می‏سازد و روش کاتالیز میون در دماهای معمولی رخ می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
1-5-1- همجوشی هستهای کنترل شده توسط لختی(ICF)زمان محصورسازی در محصورسازی لختی خیلی کوتاه است. در نتیجه برای داشتن نرخ واکنش همجوشی بیشتر، نیازمند چگالی بالای پلاسما هستیم. در این روش، سوخت با استفاده از نیروهای قوی بیرونی، باید تا 1000 برابر چگال‌تر از حالت جامد فشرده شود.
کپسول با استفاده از پرتوهای محرک که از اطراف سطح خارجی آن تابیده می‌شود، متراکم می‌گردد. در محصورسازی به روش لختی، از روش‌های مختلفی برای تراکم کپسول استفاده می‌شود. در هر کدام از این روش‌ها سعی بر آن است که نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را بالا ببرند. نوع پرتوهای محرک که برای تراکم کپسول استفاده می‌شود، عامل اصلی بالا و پایین بردن بهره انرژی در ICF می‌باشد. از پرتوهای لیزرهای پر توان پالسی، باریکه‌هایی از ذرات باردار نظیر یون‌های سنگین، یون‌های سبک و باریکه‌های الکترونی برای متراکم نمودن کپسول‌ها می‌توان استفاده کرد. این پرتوهای محرک که بصورت پالس‌هایی با توانW‌ 1014 تهیه می‌شود، دارای بهره انتقال انرژی متفاوتی به کپسول هستند. پرتوهای لیزری و باریکه‌های یون سنگین نسبت به سایر پرتوهای محرک به علت بهره بالاتر جذب انرژی در کپسول‌ها مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. در طراحی کپسول‌های سوخت هر دو روش پرتوهای محرک لیزری و باریکه‌های یون سنگین مورد بررسی قرار گرفته است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].
انتخاب پرتوهای یون سنگین به علت قابلیت بالای انتقال انرژی به کپسول، بالای 25 درصد در مقایسه با باریکه‌های لیزری با بهره‌ی انرژی کمتر از 10 درصد روشی موثر به ‌شمار می‌رود که به خاطر ناپایداری‌هایی که در اثر نایکنواختی و ناهمزمانی باریکههای یونی اتفاق می‌افتد، اخیرا بصورت غیر مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. نور لیزر، ساده‌ترین و کم هزینه‌ترین روشی است که طراحان از آن برای تراکم کپسول استفاده می کنند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].

شکل 1-3- نمایی از کپسول هدف ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
کپسول هدف در این روش، قرص کوچکی با شعاع کمتر از ، حاوی یک لایه‏ی کروی است که بطور مثال با گاز دوتریوم– تریتیوم بصورت متقارن و یکنواخت بصورت شکل 1-3 پر شده است. این لایه، حاوی یک ماده با Z بالا در ناحیه‏ی خارج و DT در داخل است که توده‏ی سوخت را تشکیل می‏دهد.
برای رسیدن به شرایط دما و چگالی بالای مورد نیاز برای همجوشی، باید این کپسول تا جایی که ممکن است به طور متقارن و با انرژی انفجاری خیلی زیادی تابش ببیند. انرژی مورد نیاز، برای راه‏اندازی این فرایند بسیار زیاد است. برای گرمایش یک کپسول سوخت با قطر ، تا دمای، به اندازه‏ی انرژی مورد نیاز است که این انرژی می‌تواند با نور شدید لیزر یا توسط پرتوهای یونی تامین شود. این مقدار انرژی باید در چند پیکوثانیه به قسمت خارجی لایه‏ی هدف منتقل شود. به دلیل انفجار انرژی روی قسمت خارجی لایه‏ی هدف، این لایه‏ گرم شده بلافاصله یونیزه و تبخیر می‌شود. این فرایند کندگی نام دارد. وقتی این قسمت کنده می‌شود، قسمت داخلی و سوخت به دلیل بقای اندازه‏ حرکت، به سمت داخل رانده می‌شود (شکل1-4). در حین این رانش، چگالی سوخت تا چند صد گرم بر سانتیمتر مکعب و دمای سوخت تا حد دمای احتراق برای همجوشی افزایش می‌یابند. در نتیجه، احتراق رخ می‏دهد و فشاری به سمت خارج ایجاد می‌شود که بر موج انفجار به داخل غلبه کرده و منجر به انفجاری به خارج می‌شود. بدین ترتیب چگالی و دمای مورد نظر بدست می‏آیند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].

شکل 1-4- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
1-5-2- همجوشی هستهای توسط کاتالیزور میون(µCF)
روش دیگری برای رسیدن به انرژی همجوشی هسته‌ای در سال 1957 مطرح شد، که تحت عنوان همجوشی از طریق کاتالیزر میون معروف است و یک فرآیند همجوشی گسترده و تجدید پذیر است که در دماهای معمولی رخ می‌دهد. همانطور که گفته شد یکی از مهم‌ترین مسایل در فرآیند همجوشی، غلبه بر نیروی دافعه‌ی کلونی و ایجاد شرایطی که یون‌ها در محدوده‌ی نیروهای جاذبه‌ی نیرومند هسته‌ای قرار گیرند، می‌باشد. پیدایش میون در مدار اتم هیدروژن، اثر کاهش دافعه‌ی نیروی کلونی دارد. میون ذره‌ای بنیادی است که خواص آن مانند الکترون است، با این تفاوت که جرم میون تقریبا 207 برابر جرم الکترون است و ذره‌ای ناپایدار با زمان عمر µS2/2 می‌باشد. پس از گذشت این زمان میون به یک الکترون e- و یک نوترینوی میونی و به یک پادنوترینوی الکترونی واپاشی می‌کند. بصورت دقیق در اوایل 1980مورد مطالعه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
جرم زیاد میون نسبت به الکترون، به آن اجازه می‌دهد که وارد مدار اتم هیدروژن با شعاع بوهر، 207 مرتبه کوچکتر از شعاع الکترون شود و این باعث می‌شود که این اتم هیدروژن نسبت به دیگر اتم‌ها یا یون‌های هیدروژن، سنگین‌تر است. بنابر این، این هسته‌ی سنگین به دلیل کاهش نیروی دافعه‌ی کلونی می‌تواند با صرف انرژی کمتری به اتم‌ها و یون‌های دیگر هیدروژن، بسیار نزدیک شود و هنگامیکه هیدروژن میون‌دار و هیدروژن معمولی به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که تغییرات توزیع بار را احساس کنند، به حدی رسیده‌اند که نیروهای جاذبه‌ی هسته‌ای بین آن‌ها ایجاد شده است و پدیده همجوشی را بوجود می‌آورد بنابر این یکی از روش‌های ایجاد همجوشی در دمای پایین استفاده از کاتالیزور میون است.
میون اولین بار توسط اندرسون وندرمییر در سال ١٩٣٧ کشف شد. از طرف دیگر هنگامی که پاول ذره پایون را در سال ١٩۴٧ کشف کرد، فرانک پیشنهاد کرد که پایون‌های منفی می‌توانند به کمک محصور سازی شیمیایی، واکنشهای همجوشی را کاتالیز نمایند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Frank</Author><Year>1947</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062414">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Frank, F.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Nature</secondary-title></titles><volume>160</volume><number>525</number><dates><year>1947</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]:
pπ + d → pdπ→3He + π(1-9)
با وجود اینکه، احتمال جذب پایون توسط هسته بسیار بزرگ است، اما پایون زمان کافی برای تشکیل pdπ را نخواهد داشت. یک سال بعد، ساخارف پیشنهاد همجوشی کاتالیزور میونی را مطرح کرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sakharov</Author><Year>1948</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062457">18</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sakharov, A.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Lebedev Physics Institute Report</secondary-title></titles><periodical><full-title>Lebedev Physics Institute Report</full-title></periodical><dates><year>1948</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
به دلیل اینکه تشکیل مولکول‌های میون‌دار در اثر فرایندهای برخوردی چند مرحله‌ای صورت می‌گیرد، بازده همجوشی کاتالیزور میونی، به شرایط ماکروسکوپی از قبیل دما، چگالی محیط و کسر غلظت‌های هیدروژن مایع و ضریب چسبندگی میونی وابسته است و می‌تواند به کمک تئوری سینتیکی که اساس آن آهنگ‌های برخوردی میکروسکوپی و سطح مقطع‌ها می‌باشد بهینه گردد. در سال‌های اخیر برای افزایش چرخه میونی، مخلوط سه تایی H/D/T پیشنهاد شده، که گزارشات و مقالات متناقضی در مورد افزایش یا کاهش ضریب تکثیر میونی گزارش شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1998</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[17-19]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062505">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; and Deilami S.;</author></authors></contributors><titles><title>Stability studies of D/T/H sys-- using Hurwitz method</title><secondary-title>IPAC, Kerman</secondary-title></titles><periodical><full-title>IPAC, Kerman</full-title></periodical><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Markushin</Author><Year>1991</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062559">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Markushin, V. E.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> Kinetics of muon catalyzed fusion in the triple H2-D2-T2 mixture atlow deuterium and tritium concentrations</title><secondary-title> Technical Report PSI-PR-41-92, Preprint from Paul Scherrer Institute, Villigen</secondary-title></titles><dates><year>1991</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1999</Year><RecNum>22</RecNum><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062767">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Journal of Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>36</volume><number>1</number><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17-19].
1-5-3- محصورسازی مغناطیسی (MCF) در محصورسازی مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی و الکترونیکی برای گرما دادن و فشردن پلاسمای هیدروژن در راکتور ITER استفاده میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
راکتورهای همجوشی هستهای که در آنها پلاسما به روش مغناطیسی محصورشده است براین اساس که میدان مغناطیسی تمام یا قسمتی از سطح پلاسما را بپوشاند، به دو گروه زیر تقسیم شدهاند:
چنبرهای
انتها باز
از معروفترین ماشین‌های پینچ می‌توان از تتا پینچ و Z پینچ نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Polsgrove</Author><Year>2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[21]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062899">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Polsgrove, T.; Robert, S.F.; Adams ,B;</author></authors></contributors><titles><title>Design of Z-pinch and Dense Plasma Focus Powered Vehicles</title><secondary-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</secondary-title></titles><periodical><full-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</full-title></periodical><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]. این سیستم‌ها آرایش استوانه‌ای دارند. در تتا پینچ جریانی از یک سیم‌پیچ استوانه‌ای پلاسما را دور می‌زند، و میدان حاصل از آن منجر به محصورسازی آن می‌شود. در Z پینچ توسط الکترودهایی که در قاعده‌ها قرار دارد جریانی در جهت محوری تولید می‌شود میدان ناشی از آن، پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
پینچ معکوس نوعی پینچ است که در آن جریانی در خلاف جهت جریان پلاسما اعمال می‌شود. در این دستگاه برهم‌کنش میدان قطبی ناشی از جریان رسانای داخلی، با جریان پلاسما منجر به حرکت پلاسما به سمت خارج می‌شود. در این دستگاه از دو استوانه هم محور به عنوان الکترود استفاده می‌شود. با تخلیه‌ی شعاعی میان دو الکترود میدان مغناطیسی قطبی القا می‌شود که پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
در سیستم‌های آینه‌ای پلاسما، از یک سیم‌پیچ ین-یانگ استفاده می‌شود پلاسما در این آرایش در ناحیه‌ای که از حداقل میدان مغناطیسی برخوردار است، محصور می‌شود. این نوع دستگاه‌ها عملکرد پایا دارند اما در آنها پلاسما از انتهای باز میدان خارج و تلف می‌شود، بنابراین باید از روش‌های کنترل انرژی خروجی استفاده کرد.
از جمله آزمایش‌های آینه‌ای در جهان عبارتند از: GDT و GoL-3-II در روسیه، Qt-UP و Gamma-10 در ژاپن. در حال حاضر با توجه به نتایج عملی و تجربی به دست آمده بیشتر آزمایش‌های مغناطیسی بر توکامک متمرکز شده‌اند. در شکل 1-5 یک راکتور از نوع آینه‌ای نشان داده شده است.

شکل1-5- راکتور آینهای ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Stacy</Author><Year>2010</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText>[22]</DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063009">25</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Stacy, M. Stacey;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion An Introduction to tHe physics and technology of magnetic confinement fusion</title><secondary-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</secondary-title></titles><periodical><full-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22]
همچنین بنابر نوع عملکرد راکتورها، آنها را میتوان به انواع زیر نیز تقسیم بندی کرد (از مهمترین آنها می‎توان به دستگاههای چنبره‎ای مانند توکامک، استلاراتور، چنبره برآمده ، اسفرومک، اسفراتور، تورساترون و دستگاههای انتها بازی چون آینه‎های مغناطیسی، پینچها و پلاسمای کانونی اشاره کرد.):
پایا: در این نوع راکتور واکنش‌های همجوشی به صورت مداوم انجام میگیرند.
تپی: این راکتور به طور مرتب قطع و وصل میگردد. زمان همجوشی تقریبا با زمان محصور بودن پلاسما برابر است.
شبه پایا: در مقایسه با انواع نامبرده، یک راکتور متوسط محسوب میگردد . زمان همجوشی آن اندکی بیشتر از زمان محصور شدن پلاسما است. اما در هر حال زمان محدودی است. (توکامک نمونهای از این نوع راکتور است.)
طبقه بندی انواع راکتور ها برحسب روش محصور کردن پلاسمادر دستگاه چنبره‎ای، پلاسما توسط میدان‌ مغناطیسی محصور می‎گردد. میدان اصلی در توکامک میدان چنبره‎ای است که بطور نمادین در شکل(1-6) نشان داده شده است. در جدول (1-2) نیز خلاصهای از انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما و نوع عملکرد آنها آورده شده است.
جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسماآرایش میدان مغناطیسی دستگاه نوع عملکرد
چنبره ای توکامک شبه پایا
تنگش میدان وارونه شبه پایا
استلاراتور پایا
هلیوترون پایا
تنگش چنبره ای تپی
انتها باز آیینه ای پایا
تنگش مستقیم تپی
پلاسمای کانونی تپی
شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
1-6-1- راکتور توکامکتوکاماک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هستهای است که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روس‌ها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. این سیستمها حاوی پلاسمای سوخت هستند که توسط دو سری میدان مغناطیسی نگهداری میشوند، و شکلی مانند چنبره تشکیل می‌دهند. ITER اسم مجموعهایست که اولین رآکتور همجوشی جهان از نوع توکاماک را ساخته است. این مجموعه متشکل از کشورهای روسیه، اروپا، ژاپن، کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره می‌باشد. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده کرده و توان خروجی این توکاماک 410 مگا وات می‌باشد.
1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITERنمایی از راکتور توکامک ایتر در شکل(1-7) و (1-8) آورده شده است که شامل قسمتهای متفاوتی برای انجام فرایند محصورسازی پلاسما به روش مغناطیسی می‌باشد. این اجزا به همراه فرایندی که در آن انجام می‌گیرد بصورت خلاصه و در حد لزوم در زیر آمده است:
لوله خلأ: پلاسما را نگه داشته و از محفظه فعل و انفعال محافظت میکند
انژکتور پرتو خنثی(سیکلوترون یون): ذرات پرتو را از شتاب دهنده به پلاسما تزریق میکند تا به پلاسما برای رسیدن به دمای بحرانی کمک نماید.
میدان مغناطیسی مارپیچ: رفتار مغناطیسی بسیار قوی که شکل و محتوای پلاسمای استفاده شده در میدان مغناطیسی را محدود میکند.
ترانسفورماتور/ سولنوئید مرکزی: الکتریسیته را برای میدان مغناطیسی مارپیچ تامین میکند.
سیستم خنک کننده: آهنربا را خنک میکند.
سیستم عایق: ساخته شده از لیتیم است؛ گرما و انرژی بالای نوترون را از راکتور همجوشی هسته‌ای جذب میکند.
دایورتور: خروج محصولات هلیم از راکتور همجوشی

شکل 1-7- راکتور توکاماک ایتر ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wagner</Author><Year>2012</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[25]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063339">28</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy by Magnetic Confinement</title><secondary-title> Research Laboratory for Advanced Tokamak Physics, St. Petersburg Polytechnical State</secondary-title></titles><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]

شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><Year>2009</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20]
1-6-3- راکتور اسفرومکاسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکامک که شکل چنبرهای دارد، بصورت کروی است. در مرکز اسفرومک هیچ مادهای وجود ندارد. اسفرومک از ترانسفورماتور (مانند آنچه که در توکامک بکار رفته) برای تولید سطوح پیچیده شار به شکل دوقطبی مورد نیاز برای محبوس سازی استفاده نمیکند بلکه پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند، بوجود می‌آورد. میدان‌های مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند. در اسفرومک شعاع اصلی با شعاع فرعی برابر است یعنی پلاسما مطابق شکل در سیستمی کروی محصور می‎شود.
1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسیغیر از توکامک و اسفرومک دستگاه‌های دیگری برای محصورسازی مغناطیسی وجود دارد ، که تفاوت آنها در نوع آرایش میدان مغناطیسی و شکل آنهاست. برخی از این دستگاهها، تنگش میدان- وارونه، استلاراتور (شکل1-9) و هلیوترون،چنبره فشرده، دستگاه تنگش-تتا، دستگاه تنگش-Z ، پلاسمای کانونی می‌باشد.
استلاراتور وسیله‌ای برای حبس پلاسمای داغ به وسیله میدان مغناطیسی به منظور حفظ یک واکنش همجوشی کنترل شده است و یکی از ابتدایی‌ترین ابزارهای کنترل شده همجوشی بوده که اولین بار توسط لیمان اسپیتزر در سال 1950 اختراع شد. این اختراع تغییر در هندسه دستگاه‌های همجوشی قبلی بود.

شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
از مزایای استلاراتورها می‌توان عدم احتیاج به جریان چنبره‌ای (در نتیجه افزایش احتمال فعالیت مداوم) و ثبات سیستم بیشتر را نام برد.
فصل دوم
سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم – هلیوم 3
فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 3سوخت‌های جدید و خواص آنهامشکلات مربوط به پسمان همجوشی را می‌توان با انتخاب یک سوخت بهتر کاهش داد. کاندیداهای مختلفی برای سوخت‌های همجوشی وجود دارند که سوخت‌های پیشرفته نامیده می‌شوند و تعداد نوترون‌های تولید شده در آن ها نسبت به همجوشی D-T بسیار کمتر است و بنا براین مشکلات مربوط به رادیواکتیویته و ایمنی و زیست محیطی ندارند. به طور کلی، همجوشی غیر نوترونی به هر شکلی از همجوشی اطلاق می‌شود که در آن کمتر از یک در صد از انرژی آزاد شده توسط نوترون‌ها حمل شود، ولی شرایط لازم برای کنترل همجوشی غیر نوترونی بسیار دشوارتر از شرایط لازم برای چرخه سوخت متداول دوتریم-تریتیم است و هنوز به طور تجربی حاصل نشده است.
دلایل اصلی اهمیت مطالعه برای یافتن چرخه‌های سوخت پیشرفته عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14]:
حذف تریتیوم از چرخه سوخت به منظور ساده سازی چرخه سوخت (عدم نیاز به زایش تریتیوم) و افزایش ذخیره سوخت همجوشی (ذخیره لیتیم زمین مقدار کل تریتیمی را که قابل تولید با پوشش‌های زاینده هست محدود می‌کند.)
(حذف و یا کاهش فوق العاده) تولید نوترون در رآکتورهای همجوشی به منظور اجتناب از (یا تا حد ممکن کاهش دادن) فعالسازی اجزای راکتورها و تخریب ناشی از نوترون‌ها.
دو چرخه مهم سوخت پیشرفته p-11B و D-3He می‌باشد، چرخه سوخت D-3He، تعداد خیلی کمتری نوترون نسبت به چرخه سوخت D-T تولید می‌کند و انرژی این نوترون‌ها نیز خیلی کمتر است، بنابراین، میزان تخریب مواد کاهش خواهد یافت. مطالعات نشان داده‌اند که چرخه سوخت D-3He به میزان قابل توجهی مساله طول عمر اجزای راکتور را با کاهش تخریب نوترونی حل می‌کند در حالی که مشکل فعال سازی نوترونی و تولید پسماندهای مربوط به آن کماکان باقی می‌ماند. در این چرخه، تریتیم حذف شده است ولی ایزوتوپ نایاب هلیم 3 جایگزین آن شده است. بر روی زمین در حدود 400 کیلوگرم هلیم3 قابل حصول است که در حدود GW-year 8 انرژی همجوشی بدست می‌دهد و مقادیر بیشتر از این باید یا از طریق واکنش‌هایی که شامل نوترون هستند، تهیه شود (که مزیت بالقوه همجوشی غیر نوترونی را از بین می‌برد) و یا اینکه از منابع ماورای زمین تهیه شود. بر روی سطح ماه در حدود 109 کیلوگرم هلیم3 وجود دارد که معادل هزار سال مصرف انرژی فعلی جهان است. همچنین، در اتمسفر سیارات عظیم گازی در حدود 1023 کیلوگرم هلیوم 3 وجود دارد که قادر است در حدود 1017 سال مصرف فعلی انرژی جهان را تولید کند، یعنی منابع هلیم 3 منظومه شمسی عملا پایان ناپذیرند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063586">29</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J.;</author></authors></contributors><titles><title>A Strategy for D–3He Development</title><secondary-title>Fusion Technology Institute</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology Institute</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26].
ولی استخراج هلیم 3 از این منابع و انتقال آن به زمین بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود و تنها در آینده‌های دور می‌توان به آن اندیشید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
چرخه سوخت D-3He نسبت به D-T برای احتراق، نیازمند شرایط محصورسازی بالاتری nτET=2.4×1023keV.s/m3) ) است و در فشار پلاسمای یکسان، چگالی توان همجوشی کمتری نسبت به همجوشی D-T بدست خواهد داد. همچنین گرچه واکنش اصلی 3He(D,p)αرا می‌توان غیر نوترونی دانست ولی تولید نوترون از طریق واکنش جانبی D(D,n)3He و واکنش ثانویه D(T,n)α اجتناب ناپذیر است.
واکنش همجوشی 11B-p ایمن‌ترین و بهترین واکنش هسته‌ای هست که وجود دارد، 11B به فراوانی در آب دریا و منابع دیگر یافت می‌شود و 80 درصد بور موجود بر روی زمین را شامل می‌شود و هیدروژن هم که فراوان ترین عنصر در عالم هستی است. بنابراین، مشکلی از نظر محدودیت منابع سوخت وجود ندارد. حاصل واکنش آن‌ها نیز گاز بی اثر هلیم است و هیچ نوترونی تولید نخواهد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Bussard</Author><Year>2006</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[27, 28]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063640">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Bussard, W.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion</title><secondary-title> 57th International Astronautical Congress(IAC), Valencia, Spain</secondary-title></titles><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27, 28].
برای بهره برداری عملی از همجوشی، انرژی حاصل از همجوشی باید بیش از انرژی لازم برای گرمایش پلاسما باشد، بدین منظورشروط متعددی باید برآورده شوند که مهمترین آنها، دستیابی به مقادیر مناسب برای حاصل ضرب nτ و حاصل ضرب nTτ است که مجموع اینها معیار لاوسون نامیده می‌شود. یعنی باید پلاسما را با چگالی مناسب تا دمای مناسبی گرم کرد و این پلاسمای داغ و چگال را به مدت کافی محصور نمود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wesson</Author><Year>2004</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063806">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wesson, J.;</author></authors></contributors><titles><title> Tokamaks</title><secondary-title>Clarendon Press-Oxford</secondary-title></titles><periodical><full-title>Clarendon Press-Oxford</full-title></periodical><volume>third edition</volume><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29].
مقدار عدد به دست آمده در معیار لاوسون برای سوخت دوتریم تریتیم ازسال 1969 تا سال 2000 حدود 500 هزار برابر افزایش یافته است. سوخت‌های جدید مورد نظر هنوز نیاز به یک تا دو مرتبه افزایش در بزرگی دارند. بررسی‌های نظری نشان داده‌اند که این کار شدنی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063863">33</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, F.;et al.;</author></authors></contributors><titles><title>Role of Advanced-Fuel and Innovative Concept Fusion in the Nuclear Renaissance</title><secondary-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</secondary-title></titles><periodical><full-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</full-title></periodical><volume>31</volume><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30].
خواص دوتریومدوتریوم همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر یک پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد. اگرمولکول آب توسط دوتریوم تشکیل شود به آن آب سنگین () می‌گویند. در هر لیتر از آب دریا (۳۵) گرم دوتریوم وجود دارد. دوتریوم یکی از پایه‌های لازم برای همجوشی هسته‌ای است. در آب در کنار هر ۷۰۰۰ اتم هیدروژن ۱ اتم دوتریوم موجود است که جدا کردن آن با توجه به نزدیکی خواص آب سنگین و آب سبک بسیار سخت است. این دوتریومها باید تغلیظ و انبار شوند تا ابتدا به آب سنگین ۱۵٪ و سپس به آب ۹۹٪ تبدیل شود، جدا سازی آب سنگین از آب سبک بسیار سنگین ، پیچیده و سخت است. به دلیل آنکه گرمای تبخیر آب سنگین بشتر از آب معمولی می‌باشد، از آن در نیروگاههای اتمی جهت خنک کردن راکتورها استفاده میکنند.
دوتریوم را می توان به آسانی از آب استخراج کرد. هیدروژن موجود در زمین شامل دوتریوم به نسبت جرمی 1:5000 است. یک تریلی پر از دوتریوم انرژی معادل 2 میلیون تن زغال سنگ یا 1.3میلیون تن نفت (10میلیون بشکه)، یا 30 تن اکسید اورانیوم، آزاد خواهد کرد.
دوتریوم در واکنش‌های همجوشی زیر با آهنگ واکنش مساوی شرکت میکنند:
(2-1)
(2-2)
محیطى که به این درجه از گرما برسد، نمی‌تواند در یک جداره مادى بگنجد.
خواص هلیوم 3هلیوم 3 یکی از ایزوتوپ‌های غیر پرتوزای عنصر گازی هلیوم است که دارای ۲ پروتون و یک نوترون است. از این ماده به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به راکتورهای هسته‌ای، استفاده می‌شود. در زمین به ندرت یافت می‌شود و عموما در لایه‌های فوقانی سنگی کره ماه که طی بیش از میلیاردها سال توسط بادهای خورشیدی ایجاد شده است، به فراوانی موجود است. هلیون هسته اتم هلیوم 3 حاوی دو پروتون و تنها یک نوترون می‌باشد. این در حالی است که هلیوم معمولی حاوی دو نوترون می‌باشد. وجود فرضی آن اولین بار در 1934 پیشنهاد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Oliphant</Author><Year>1934</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063934">34</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Oliphant, M. L. E.; Harteck ,P.; Rutherford, E.;</author></authors></contributors><titles><title> Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen</title><secondary-title>Proceedings of the Royal Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of the Royal Society</full-title></periodical><pages>692-703</pages><volume>144</volume><number>853</number><dates><year>1934</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31].
بخاطر جرم اتمی پایین‌ترش نسبت به هلیوم4 دارای خصوصیات فیزیکی متفاوتی نسبت به آن است. به سبب تعامل ضعیف ناشی از پیوندهای دو قطبی-دو قطبی بین اتم‌های هلیوم، خواص فیزیکی ماکروسکوپی آن عمدتا توسط نقطه صفر انرژی آن (انرژی جنبشی حداقل) تعیین می‌شود. همچنین خواص میکروسکوپی هلیوم 3 سبب می‌شود که نقطه صفر انرژی آن بالاتر از هلیوم 4 باشد. این نشان می‌دهد که هلیوم3 می‌تواند بر تعامل دو قطبی-دو قطبی با انرژی حرارتی کمتری نسبت به هلیوم-4، غلبه کند.
هلیوم 3 می‌تواند توسط یکی از دو واکنش زیر در واکنش‌های همجوشی شرکت کند:
2D + 3He →   4He +  1p + 18.3 MeV(2-3)
3He + 3He → 4He   + 2 1p+ 12.86 MeV(2-4)
که هدف در این مطالعه استفاده از دوتریوم و هلیوم 3 می‌باشد. سرعت‌های واکنش با دما متغیر است اما سرعت واکنش D-3He هرگز بالاتر از 56/3 برابر سرعت واکنش D-D نمی‌باشد. شکل 2-1 بیانگر حالت مقایسه‌ای بین انواع سوخت‌هاست.

شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2011</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063997">35</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang, R.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of the G--ynamic Mirror (GDM) Propulsion Sys--</title><secondary-title> thesis (A dissertation submitted in partial fulfillment ofthe requirements for the degree of Doctor of Philosophy) in the University of Michigan</secondary-title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32]
سرعت واکنش همجوشی به سرعت با دما افزایش می‌یابد تا اینکه به بیشینه مقداری رسیده و سپس به تدریج افت می‌کند. در مقایسه‌ای کلی جدول 2-1 را خواهیم داشت.
سوخت‌های پیشرفته، همجوشی سوخت‌های نسل دوم و سوم هستند که مقادیر بسیار کم یا اصلا هیچ نوترونی تابش نمی‌کنند و چرخه‌های سوخت نسل اول در آنها وجود ندارد. تعداد نوترون‌های تولید شده در واکنش‌های شامل هلیوم 3 بسیار کم است (در مورد واکنش 3He-3He عملا صفر و در مورد D-3He حدود 01/0 تا 05/0 همجوشی D-T و کمتر از 02/0 همجوشی D-D است.
محصول نسل سوم واکنش‌های همجوشی فقط ذرات باردار است و هر گونه واکنش جانبی نسبتا بی اهمیت است. در شرایط مناسب، فقط 1/0 درصد از انرژی حاصل از واکنش p-11B، توسط نوترون‌های تولید شده از واکنش‌های جانبی حمل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
استفاده از سوخت‌های جدید نسبت به D-T با مسایل بیشتری مواجه است. به عنوان مثال در مورد D-3He باید:
دمای احتراق دست کم حدود 6 برابر افزایش یابد.
مقدار neτe حداقل حدود 8 برابر
حاصل ضرب nτT حداقل در حدود 50 برابر افزایش می‌یابد.
جدول2-1- نسل‌های مختلف سوخت‌های همجوشی PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+VG9kZCwgSC5SaWRlcjs8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9j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ADDIN EN.CITE.DATA [26, 33-37]
n/MeV بهره انرژی محصولات واکنش‌ها
سوخت‌های همجوشی نسل اول
0.306 3.268 MeV32He + 10n 21H + 21H (D-D)
0 4.032 MeV31H + 11p 21H + 21H (D-D)
0.057 17.571 MeV42He + 10n 21H + 31H (D-T)
سوخت‌های همجوشی نسل دوم
0 18.354 MeV42He + 11p 21H + 32He (D-3He)
سوخت‌های همجوشی نسل سوم
0 12.86 MeV42He+ 211p 32He + 32He
0 8.68 MeV3 42He115B + 11p
نتیجه کل سوختن دوتریوم(مجموع 4 سطر اول)
0.046 43.225 MeV2(4He + n + p) 6D
سوخت هسته‌ای در زمان حال
0.001 ~200 MeV2 FP+ 2.5n 235U + n
در استفاده از سوخت D-3He کاهش فوق العاده شار نوترونی باعث کاهش قابل ملاحظه تخریب تابشی می‌شود ودرنتیجه طول عمر دیواره اولیه و حفاظ تابشی افزایش می‌یابد و به حفاظ تابشی کوچک‌تری نیاز خواهد بود و تعمیرات و نگهداری راحت‌تر می‌شوند. افزایش شار ذرات باردار امکان تبدیل مستقیم انرژی همجوشی را با بازده بالا فراهم می سازد.
مشکلات عمده در استفاده از انرژی هسته‌ای در سالیان گذشته از سه مساله اصلی، احتمال پخش مواد رادیواکتیو، مشکلات مربوط به نگهداری پسماندهای هسته‌ای با عمر طولانی، احتمال استفاده از مواد حاصل برای کاربردهای تسلیحاتی می‌باشد. تمام این مشکلات مربوط به رآکتورهای هسته‌ای، مربوط است به:
سوخت رادیواکتیو
محصولات رادیواکتیو واکنش
نوترونها
همجوشی هسته‌ای تا حدودی از این مشکلات می‌کاهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
مزیت عمده سوخت‌های جدید همجوشی این است که سوخت و محصولات واکنش‌های نسل دوم و سوم همجوشی میزان پرتوزایی (تخریب حرارتی و وجود تریتیم) و نکات بالقوه مربوط به تکثیر تسلیحاتی و همینطور مشکلات مربوط به پسمانداری را تا حد زیادی کاهش داده یا حذف می‌کنند، ولی برای استفاده از آنها به پیشرفت فیزیکی و مهندسی زیادی نیاز است. از این سوخت‌های جدید می‌توان برای ساخت نیروگاه‌های برق ایمن، تمیز و اقتصادی، در سفینه‌های فضایی و موشک‌ها به عنوان سوخت و نیز برای کاربردهای پزشکی و غیره استفاده کرد. از مزایای دیگر آنها می‌توان از عدم نیاز به پوشش‌های زاینده تریتیم و حلقه‌های پیچیده سرمایش ثانویه و عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده تست نوترون و مدت زمان‌های بررسی طولانی نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
پارامترهای متعددی در استفاده از سوخت‌های مختلف دخیلند، از جمله: .
انرژی کل محصولات همجوشی : Efus
محصولات باردار همجوشی: Ech
عدد اتمی ذرات درگیر در واکنش: Z
میزان انرژی حمل شده توسط نوترون ها
اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی و....
در رابطه با همجوشی D-D و D-T اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی مشکل جدی و مهمی است که باید حل شود، برای سوخت‌های سنگین‌تر D-3He و p-11 B و 3He-3He میزان این اتلاف به قدری است که کار یک راکتور همجوشی بر اساس طرح‌های توکامک و همجوشی لیزری را ناممکن می‌سازد.
تابش سینکروترونی نیز نکته دیگری است که باید مورد توجه قرار گیرد. بررسی‌ها نشان داده‌اند که درمورد همجوشی D-T تابش سینکروترونی نقش چندانی در بالانس انرژی ندارد، در حالی که در مورد همجوشی 3He-D این اثر قابل توجه است. و این مشکل باید در طراحی رآکتورهای احتمالی3 He -D حل شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lerner</Author><Year>2003</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText>[38]</DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066296">38</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lerner, E.J.;</author></authors></contributors><titles><title>ProspectsFor p-11B Fusion With The Dense Plasma Focus: New Results</title><secondary-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</secondary-title></titles><periodical><full-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</full-title></periodical><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38].
درصدی از انرژی کل واکنش که توسط نوترون‌ها حمل می‌شود، در مورد D-T حدود 80 درصد، در مورد D-D حدود 66 درصد و در مورد 3 He –D و p-11B بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است که این امر مشکلات مختلف مربوط به نوترون‌ها از جمله تخریب تابشی، حفاظ‌گذاری بیولوژیکی، کنترل از دور، ایمنی و اتلاف توان همجوشی توسط آنها را کاهش می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sadowski</Author><Year>1998</Year><RecNum>39</RecNum><DisplayText>[39]</DisplayText><record><rec-number>39</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066348">39</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sadowski, M.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</full-title></periodical><pages>3-4</pages><volume>39</volume><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39].
پلاسما حالت چهارم مادهپلاسما گازی یونیزه و داغ می‌باشد که حاوی تعداد تقریبا برابری از یونهای مثبت باردارشده و الکترونهای با بار منفی می‌باشد. مشخصات پلاسما کاملا با گازهای خنثی طبیعی متفاوت است (گازهای معمولی به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.) از این روست که پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده معرفی شده است. برای مثال، به این علت که پلاسماها ذرات باردار الکتریکی تولید میکنند، تا زمانی که گاز بطور خنثی نباشد، به شدت تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار می‌گیرد. مثالی از چنین تاثیری، به دام اندازی ذرات باردار پر انرژی در عرض خطوط میدان مغناطیسی زمین، به فرم کمربندهای تشعشی ون آلن است.
علاوه بر میدان‌های خارجی اعمال شده، مانند میدان مغناطیسی زمین و یا میدان مغناطیسی بین سیارهها، پلاسما براساس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط خود پلاسما و از طریق تغییر غلظت بار محلی و جریان الکتریکی ایجاد شده عمل میکند، که در نتیجه حرکتهای متفاوت یونها و الکترونها ایجاد می‌شود. نیروهای اعمال شده توسط این میدان روی ذرات بارداری که عمل پلاسما را در طول فواصل طولانی ایجاد میکند، تاثیر گذاشته و سبب یکنواختی رفتار انتقالی ذرات و کیفیت بالایی میگردد که در گازهای خنثی دیده نمی‌شود. به رغم وجود غلظت بارهای محلی و پتانسیل های الکتریکی، پلاسما از نظر الکتریکی "شبه خنثی" است، زیرا بطور کل، تعداد تقریبا برابری از ذرات باردار مثبت و منفی طوری پراکنده شدهاند که تاثیر بارهای یکدیگر را از بین میبرند.
روشهای تولید پلاسماالف) تخلیه الکتریکی:
اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می‌شود و در این حالت میگوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می‌کنند و از میدان الکتریکی انرژی میگیرند، با افزایش سرعت، به اتمهای دیگر برخورد میکنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتری میشوند. این کار به طور پیدرپی صورت می‌گیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده مدام افزایش می‌یابد. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می‌یابد و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی، نارسانا بود. در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می‌گیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.
مخلوط همجوشی با فشار کم را در محفظه چنبرهاى شکل داخل کرده، به کمک یک سیستم اولیه متشکل از چند بوبین، یک میدان مغناطیسى معروف به چنبره‌اى، پدید میآید. سپس، به کمک هایپِرفرکانسها (فوق بسامدها)، محتوى محفظه چنبرهای، یونیزه گشته و در نهایت از طریق القا با افزایش تدریجى میدان مغناطیسى پدیدآمده بوسیله‌ی یک سیم لوله (سولونوئید( که در جهت محور سامانه قرار داده شده است، یک جریان پلاسما بوجود میآید.
ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا:
با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز میتوان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده میکنند.
پارامترهای بنیادی پلاسماهمه مقادیر در واحد گاووسی (cgs) بیان شده است. غیر از دما که در واحد الکترون ولت آورده شده است و جرم یون که بر حسب واحد جرم پروتون و بصورت μ=mimp می‌باشد. Z مقدار بار، k ثابت بولتزمن، K عدد موج، lnʌ لگاریتم کولن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
که برای الکترون: lnᴧ≈13.6
و برای یک یون: lnᴧ≈6.8
2-6-1- فرکانسها در پلاسمافرکانس زاویهای حرکت چرخشی الکترون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωce=eB/mec=1.76×107 B--/s
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی یون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωci=ZeB/mic=9.58×103 Zμ-1 B--/s
فرکانس الکترونهایی که نوسان میکنند(نوسان پلاسما):
ωpe=(4πnee2/me)1/2=5.64×104 ne1/2 --/s
فرکانس پلاسمای یونی:
ωpi=(4πniZ2 e2/mi)1/2=1.32×103 Zμ-1/2 ni1/2 --/s
سرعت به دام اندازی الکترون:
????Te=(eKE/me)1/2=7.26×108 K1/2 E1/2 s-1
سرعت به دام اندازی یون:
????Ti=(ZeKE/mi)1/2=1.69×107 Z1/2 K1/2 E1/2μ-1/2 s-1
سرعت برخورد الکترون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????e=2.91×10-6 ne lnᴧ Te-3/2 s-1
سرعت برخورد یون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????i=4.80×10-8 Z4 μ-1/2 ni lnᴧ Ti-3/2 s-1
سرعت برخورد الکترون (یون) در پلاسمای کمی یونیزه شده: υe,i=Nσe,iυ=N0∞σ(υ)e,if(υ)υdυ
که <σν>e,i سطح مقطع برخورد الکترون (یون) در اتمهای (مولکولهای) گاز عامل، f(ν) تابع توزیع الکترون (یون) در پلاسما و N غلظت گاز عامل می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
2-6-2- سرعتها در پلاسماسرعت حرارتی الکترون: سرعت معمول یک الکترون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Te= (kTe/me)1/2=4.19×107 Te1/2 cm/s
سرعت حرارتی یون: سرعت معمول یک یون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Ti= (kTi/mi)1/2=9.79×105 μ-1/2 Ti1/2 cm/s
گرم کردن پلاسمایکی از مهمترین مسائل در طراحی راکتورها گرم کردن پلاسما برای ایجاد شرایط مورد نیاز همجوشی خوبخودی می‌باشد. حتی برای سادهترین واکنش‌های همجوشی که بطور معمول برای تولید الکتریسیته با صرفه اقتصادی، معمولا به حدود 100 میلیون درجه سانتیگراد دما نیاز است. این نیاز به دمای بالا به 4 روش تامین میگردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41]:
گرم کردن مقاومتی
گرم کردن از طریق فشردن
گرم کردن توسط تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی
تزریق پرتو خنثی
2-7-1- گرمایش مقاومتیگرم کردن از طریق سیم فلزی حامل جریان صورت می‌گیرد. ولتاژ مناسب برای لوازم خانگیV220 می‌باشد و اگر جریان بیش از حد بالا برای این ولتاژ خالص V220 اعمال شود جعبه فیوز خانگی از ذوب شدن سیمها جلوگیری میکند. وارد کردن مقدار ایمن و مناسبی از جریان نیز از تاثیرات دمایی بالا برای سیمها و شروع آتش سوزی جلوگیری میکند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41].
به استثنای مواد ابر رسانا، هیچ محیط رسانایی، مانند سیمهای فلزی، وجود ندارد که در آن، الکترونها بتوانند از یک اتم به آسانی به اتم دیگر بپرند مگر اینکه بخشی از انرژی خود را بصورت گرما از دست بدهند که علت آن از دست دادن بخشی از اندازه حرکت الکترونها در برخورد با سایر ذرات طبق اصل پایستگی تکانه و تبدیل آن به گرما می‌باشد. پلاسما بسیار خوب است اما یک هادی ایدهآل نیست و مقاومت آن از مرتبه یک میلیونیوم اهم است. این مقدار مقاومت جزیی باعث گرم شدن پلاسماهایی با چگالی کم (مانند پلاسماهایی که در توکامک استفاده می‌شود) تا دماهایی از مرتبه میلیون درجه سانتیگراد میگردد و تا دماهای 10 میلیون درجه سانتیگرادموثر می‌باشد. در مقادیر دمایی فراتر، مقاومت پلاسما بیش از حد ضعیف شده و اثر بخشی روش را کاهش میدهد. گرمایش مقاومتی سبب ذخیره توانی در واحد حجم پلاسما، با معادله (2-5) داده می‌شود:
PΩMWm3=ηI2=10-6ηj2=2.85×10-15ZeffI2a4mTe32(kev) (2-5)
که در آن I، شدت پلاسما، چگالی جریان که به طور یکنواخت در سطح مقطع پلاسما (I=????a2j) وجود دارد. Zeff، میانگین بارهای موثر همهی یونهای تشکیل دهندهی پلاسما می‌باشد و η، مقاومت پلاسما است. این پارامترها به تعدادی پدیده برخورد بستگی دارد و ممکن است بصورت معادله (2-6) ارائه شود:
η≈Aη(KT)-32 (2-6)
با استفاده از قانون آمپر

–298

دـ دستیابی به سیستم پخت مناسب در حضور نرمکننده.

فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده2ـ1 مقدمهاصطلاح «رزین» از موادی که به طور طبیعی و در بیشتر موارد، از گیاهان به دست میآیند، گرفته شده است. در صورتی که محلولهای این مواد در حلالهای آلی، در هوا خشک شوند، به پوششهای محافظ و سختی تبدیل میگردند. کاربردیترین رزین طبیعی، روزین (یا کلوفان) است. بعدها، هر مادهی سنتزی که مکمل یا جایگزین این فراوردههای طبیعی شد، «رزین» نام گرفت (ظهوریانمهر، 1376).
امروزه رزین به تعدادی از انواع پلیمرها، شامل محصولات تراکمی فنولـفرمالدئید و رزینهای اپوکسی، پلیمرهای وینیلی مانند پلیاستیرن و پلیمتیلمتاکریلات، و پلیمرهای تراکمی طبقهی پلیآمید یا پلیاستر و ... گفته میشود. بیشترین اصطلاح رزین به پلیمرهای خطی یا شبکهای (یا قابل شبکهای شدن) که برای عملیات قالبگیری، ریختهگری یا روزنرانی و در پوششهای سطوح استفاده میشوند ارتباط دارد.
رزینها پلیمرهایی و به عبارتی کوپلیمرهایی با وزن مولکولی بالا هستند که در درون زنجیره خود گروههای فعالی دارند. بیشتر این پلیمرها در دمای محیط، مایع با گرانروی بالا و ظاهر عسل مانند، شفاف با رنگ زرد روشن تا مایل به قهوهای هستند و یا به صورت پولک و دانههای جامدی هستند که برحسب نیاز در حلال مناسب حل میشوند (ظهوریانمهر و همکاران، مترجم، 1376).
2ـ2 رزین اپوکسیاصطلاح اپوکسی به گروه شیمیایی اطلاق میشود که در آن یک اتم اکسیژن با دو اتم کربن دیگر که به نوعی به هم پیوند خوردهاند، متصل میباشند. سادهترین اپوکسی دارای یک ساختمان حلقوی سه عضوی بوده که اصطلاحاً به آن "1و2 اپوکسی" یا "آلفا اپوکسی" گفته میشود (دادییوک و گودمن، 2013؛ راتنا، 2010).
2ـ3 تاریخچهترکیبات دارای رزین اپوکسی از اواخر قرن نوزده (در سال 1891) توسعه پیدا کردند (لی، 1967).در اواخر دهه 1930 دو محقق به طور جداگانه از ترکیب اپیکلروهیدرین و بیسفنول A رزین اپوکسی را ساختند که اولین رزین اپوکسی در دسترس شد. در 1936 دکتر پییر کاستان که در یک شرکت در زوریخ آلمان مشغول کار بود رزین اپوکسی را توسعه داد، این رزین گرماسخت از واکنش با یک انیدرید بدست آمد. در 1955 شرکت شل آمریکایی یک اداکت آمینـاپوکسی به عنوان عامل پخت تولید نمود. در 1958 اولین پوششهای صنعتی برای صنعت نقاشی به صورت رزینهای جامد تهیه شدند (می، 1987).
دردهه 1980 افزایش ملزومات در صنایع کامپوزیت برای کاربردهای هوا فضا و دفاعی، رزینهای اپوکسی چند عاملی با کارآیی بالا بر پایه ساختار های فنولی و آمینی کمپلکس گسترش یافت. در همین دهه رزینهای اپوکسی با کارآیی بالاتر برای استفاده در صنایع الکترونیک و رایانه تولید شد، در دههی 1990 رزینهای اپوکسیـآکریلات پخت شونده با تابش، رشد یافتند، رزینهای مقاوم به نور و چاپ در صنایع الکترونیک از این دسته میباشند (خلینا، 1392). تولید رزین اپوکسی به علت کاربردهای فراوانی که پیدا کرده همچنان رو به گسترش است (دادییوک و گودمن، 2013).
2ـ4 ساخت رزین اپوکسیمتداولترین راه تهیهی رزینهای اپوکسی تراکم یک ترکیب پلیهیدروکسی در حضور یک باز است. معمولاً یک بیسفنول (مانند بیسفنول A) است که در بیشتر موارد با اپیکلروهیدرین، محصول واسطهای با وزن مولکولی پایین میدهد که در شکل (2ـ1) آورده شده است. این واسطه یک پلیمر خطی، دارای گروههای اپوکسید انتهایی و هیدروکسیلهای میانی است. در این واکنش، اپیکلروهیدرین اضافی باعث میشود که انتهای زنجیرها به گروههای اپوکسی ختم شوند (ظهوریانمهر و همکاران، مترجم، 1376).

شکل (2ـ1) واکنش تهیه رزین اپوکسی از بیسفنول A و اپیکلروهیدرین (گریمسلی و همکاران، 2002؛ یانگ، 1998).رزین واسطه (1) مایع یا جامدی با نقطه ذوب بالا (تقریباً °C150) میباشد.
2ـ5 سخت شدن
عملیات پخت یا سخت شدن، یک واکنش شیمیایی است که پیوندهای عرضی ایجاد میگردد (رضایی، 1390). رزینهای اپوکسی در اثر پخت شدن با عوامل شبکهای کننده به شبکههای گرماسخت سه بعدی جامد، غیرقابلذوب و انحلالناپذیر تبدیل میشوند (ساختمانیان و بهزادی، 1385). باز شدن حلقهی اپوکسید انتهایی و یا استری شدن هیدروکسیلهای زنجیر باعث شبکهای شدن میشود. حلقهی اکسیران گروههای اپوکسی باز شده و اتصالات C-O خطی و بلند ایجاد میشود، به همین دلیل اپوکسیهای پخت شده جمعشدگی کم و پایداری ابعادی مناسبتری دارند (ظهوریان مهر و همکاران، مترجم، 1376).
عوامل پخت یا کاتالیست و یا کمک واکنش هستند. عامل پخت کاتالیستی به عنوان یک شروع کننده هموپلیمرشدن رزین اپوکسی و یا به عنوان شتابدهندهی عوامل پخت دیگر عمل میکند، در حالی که عوامل پخت کمک واکنشی مانند یک کومونومر در فرآیند پلیمرشدن شرکت میکنند. در اکثر موارد پخت اپوکسیها از طریق ساز و کارهای هستهدوستی انجام میشود. مهمترین گروه از عوامل پخت کمک واکنشی عوامل دارای اتمهای هیدروژن فعال مانند آمینهای نوع اول و دوم، فنولها، تیولها و دیکربوکسیلیکاسیدها یا انیدریدها هستند. اسیدهای لوییس و آمینهای نوع سوم نیز عوامل پخت کاتالیستی هستند (خلینا، 1392).
2ـ5ـ1 فرایند پخت با آمین
رزینهای اپوکسی با عامل پخت آمینی با مکانیسم پلزدن و یا کاتالیستی شبکهای می شوند (زردان و همکاران، 1388). در مورد آمینهای نوع اول یک نوع افزایش صورت میگیرد که سرعت واکنشدهی آنها بیشتر از آمینهای نوع دوم است. گروه آمین نوع اول که دارای دو اتم هیدروژن متصل به خود است با دو گروه اپوکسی واکنش داده (شکل (2ـ2))، در حالی که آمین نوع دوم تنها با یک گروه اپوکسی واکنش میدهد. آمینهای نوع سوم به جای انجام یک واکنش افزایشی ساده، بیشتر به وسیله یک مکانیسم پلیمرشدن حلقه گشای کاتالیزوری بر روی گروههای اپوکسی عمل میکنند، زیرا واکنش افزایشی ساده با ترکیبات R3N انجام پذیر نیست (ظهوری، مترجم1381).

شکل (2ـ2) واکنش پخت رزین اپوکسی با آمین (یانگ، 1998).2ـ5ـ2 فرایند پخت با انیدریدانیدریدها یکی دیگر از عوامل پخت اپوکسی به شمار میروند. گرانروی کم و عمر مصرف طولانی از مزایای ترکیبات اپوکسیدیـانیدریدی به شمار میرود، همچنین در حین پخت گرمای کمتری آزاد میشود (خلینا، 1392).
سخت شدن با سختکنندههای انیدرید همراه با پلیمرشدن تراکمی است و نیاز به دمای بالا دارد (ظهوری، مترجم، 1381). شکل (2ـ3) مکانیسم پخت اپوکسی و انیدرید را نشان میدهد.

شکل (2ـ3) پخت اپوکسی و انیدرید (خلینا، 1392؛ گریمسلی و همکاران، 2002).2ـ5ـ3 عوامل پخت فنولیفنول ها گروه دیگر ی از عوامل پخت اپوکسیها هستند که دارای گروههای هیدروکسیل فنولی هستند و میتوانند با گروههای اپوکسی وارد واکنش شوند. ازجمله ترکیبات دارای گروههای فنولی میتوان به نووالاکها اشاره نمود که فرایند پخت آن با اپوکسی در شکل (2ـ4) نشان داده شده است.

شکل (2ـ4) واکنش اپوکسی با فنولها (خلینا، 1392).2ـ5ـ4 عوامل پخت گوگردداراین عوامل پخت شامل ترکیبات سولفیدی و مرکاپتانی دارای گروه های انتهایی تیولی ((-SH هستند. گروه تیول یا مرکاپتان به تنهایی و در دمای محیط به طور آهسته با رزین اپوکسی واکنش میدهند. در صورت استفاده از آمین نوع سوم به یون مرکاپتید با واکنشپذیری بالا تبدیل میشوند.

شکل (2ـ5) واکنش عامل گوگرددار و اپوکسی (خلینا، 1392).سختکنندههای پلیتیول شامل گروههای CH(OH)CH2SH هستند که گروههای هیدروکسیل گروههای تیول را به وسیلهی اتصالات هیدروژنی فعال میکنند (ظهوری، مترجم، 1381).2ـ6 شتابدهندههابه منظور بالا بردن عملیات پخت برای اینکه زمان پخت کاهش یابد به شتابدهنده نیاز است. شتابدهندهها زمان سخت شدن را کاهش میدهند و با فعالیت کاتالیستی بهرهوری را بهبود میبخشند. شتابدهندههای مورد استفاده شامل؛ پلیآمینهای آلیفاتیک یا آمینهای نوع سوم، فنولها و نانیل فنول، رزورسینول یا شتابدهندههای مشتقشده معدنی مانند تری فنیل فسفیت هستند (اردبیلی وپتچ، 2009).
2ـ7 نرمکنندههابرای بهبود خواص پلیمرها و انعطافپذیری آنها از نرمکننده استفاده میشود. نرمکنندهها در میان زنجیرهای پلیمری قرار میگیرند و آنها را از هم دور کرده و پلیمر را نرم میکنند و باعث دوام آن میشوند. از نرمکنندهها میتوان به استرفتالیکهایی مانند دی بوتیل فتالات و دی اکتیل فتالات اشاره نمود (براوون، 2011).
2ـ8 خواص رزینهای اپوکسی ساختار شیمیایی رزینهای اپوکسی طوری است که آنها را در مقابل مواد شیمیایی مقاوم میکند. رزینهای اپوکسی چسبندگی بسیار خوبی به طیف وسیعی از مواد دارند (بن صالح و همکاران، 2014). همچنین ابعاد قالب خود را به خوبی حفظ میکنند (زردان و همکاران، 1388). پس از پخت دارای استحکام هستند و در مقابل سایش و حرارتهای بالا مقاومت خوبی نشان میدهند (هور و همکاران، 1392). علاوه بر این، اپوکسیها دارای ویژگیهای زیر هستند:
مقاومت در برابر حلالها، رطوبت و مواد شیمیایی (شکرالهی و همکاران، 1392)،
چسبندگی خوب به بستر های مختلف (هور و همکاران، 1392؛ بالاسوبرامانیا و ناتاراجان، 2014)،
خواص برجسته مکانیکی مانند استحکام کششی، فشاری و خمشی بسیار بالا (ران و همکاران، 2014)،
پایین بودن جمعشدگی پخت (خسروی و موسی، 2010؛ ران و همکاران، 2014؛ سوزان و ریس، 2013؛ لو و همکاران، 2010)،
مقاومت به خوردگی (سوزان و ریس، 2013؛ لو و همکاران، 2010)،
مقاومت به خزش (کینلوچ و همکاران، 2014)،
عایق عالی الکتریسیته (سیگلا و چاولا، 2013)،
دوام بالا در پیری و شرایط سخت محیطی (شکوه فر و عرب، 1392؛ هور و همکاران، 1392)،
قابلیت پخت در دماهای مختلف (چوبدار، 1393)،
مقاومت خستگی ممتاز (چوبدار، 1393)،
بی بو و بیمزه (چوبدار، 1393)،
پایداری ابعادی (چن و همکاران، 2013).
2ـ9 کاربرد رزین اپوکسی رزینهای اپوکسی در کاربردهای مختلفی از قبیل پوشش سطح، روکشدهی، ابزارسازی و کامپوزیتها استفاده میشوند (ران و همکاران، 2014؛ لو و همکاران، 2010). در صنایع نظامی(غلاف و پوشش موشکها) و صنایع خودروسازی رزینها کاربرد دارند (حسامی و همکاران، 1392). ساخت قالب با ابعاد بزرگ، ساخت قطعات ریختهگری ماشینی، ساخت قالبهای مقاوم در برابر حرارت، صنایع چسب، مصارف خانگی و دریایی از کاربردهای متعدد این رزین هستند. چند لایههای رزین اپوکسی از اهمیت فوقالعادهای در صنایع هواپیماسازی برخوردارند (چوبدار، 1393).
صنایع هوافضا نیز از دیگر زمینههای استفاده رزین اپوکسی است (ساختمانیان و بهزادی، 1385). همچنین به کاربرد در صنایع بستهبندی و ورزشی میتوان اشاره نمود (شکوه فر و عرب، 1392). بسیاری از قطعات ساختاری از جنس الیاف کربن و رزین اپوکسی جایگزین آلیاژهای فلزی مرسوم شده و نتایج مطلوبی داشتهاند. همچنین از این رزین به همراه الیاف آرامید در ساخت موتور راکت و کپسولهای تحت فشار به روش رشتهپیچی استفاده میشود. علاوه بر این رزینهای اپوکسی به طور وسیعی به همراه الیاف و ساختارهای لانه زنبوری برای ساخت ملخ بالگرد استفاده میگردد. رزینهای اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن و آرامید در ساخت قایقهایی که ضمن حفظ وزن، برای استفاده بیشتر از فضا و در استحکام مورد نظر، به جای پلیاسترـشیشه کاربرد دارد. همچنین کامپوزیتهای آرامیدـ اپوکسی برای جایگزین فولاد در کلاهخودهایجنگی استفاده میشوند (چوبدار، 1393).

فصل سوم :مواد و روشها3ـ1 مقدمه در مرحله آزمایشگاهی برای تولید نمونه، سعی شده که آزمایشات با چند نوع متفاوت از مواد تهیه شده انجام گیرد.
3ـ 2 مواداپوکسی 828 (گرانروی P150-110 در دمای محیط و خصوصیت فیزیکی مایع روان و شفاف) تولید شرکت Shell تهیه شده از بازار تهران، اپوکسی EPOLAM 2040 RESIN (چگالی g/cm3 16/1 در دمای محیط و به شکل مایع سیال و شفاف به رنگ کهربایی) ساخت شرکت Axson سفارش شده از آمریکا و عامل پخت آمینی EPOLAM 2047 HARDNER (چگالی g/cm3 94/ 0 در دمای محیط و به صورت مایع روان وکهربایی رنگ) ساخت شرکت Axson سفارش شده از آمریکا، عامل پخت انیدریدی با نام فتالیکانیدرید با وزن مولکولی g/mol 1/148، جامد و سفید رنگ تهیه شده از شرکت کیان شیمی مشهد، شتابدهنده آمینی دیمتیلآمینوبنزیل BDMA (به صورت محلول و مولاریته mol/L 21/135) تهیه شده از بازار تهران، نرمکننده دیاکتیلفتالات DOP (وزن مولکولی g/mol 57/390 و فرمول شیمیایی C24H38O4) تهیه شده از بازارتهران، در این طرح استفاده شدند.
3ـ3 روش کار
برای تهیه نمونهها یا از یک نوع اپوکسی و یا مخلوطی از دو نوع اپوکسی به نسبت مساوی استفاده گردیده است. نسبت وزن رزین به وزن عامل سخت کننده 3 به 1 و نسبت وزن رزین به وزن شتابدهنده 100 به 1 در نظر گرفته شد، میزان نرمکننده در جدول (3ـ1) مشخص گردیده است. پس از افزودن مواد به یکدیگر،
ظرف محتوی مواد درون حمام آب گرم قرار داده و محلول همزده شد که نمونهها و مشخصات آنها در جدول (3-1) آورده شده است. همچنین نمونههای دارای هر دو نوع عامل پخت به نسبت مساوی از هر کدام استفاده شده است. مقدار نرمکننده بر اساس قسمت در 100 قسمت رزین اپوکسی(phr) میباشد.
جدول (3ـ1) مشخصات نمونههای تهیه شده.شماره نمونه رزین اپوکسی عامل پخت شتابدهنده نرمکننده phr دما ((˚C زمان سخت
شدن
نمونه 1 EPOLAM 2040 EPOLAM 2047 BDMA (دیمتیلآمینوبنزیل) — 65 45 دقیقه
نمونه 2 EPOLAM 2040 EPOLAM 2047 BDMA 2 45 50 دقیقه
نمونه 3 EPOLAM 2040 EPOLAM 2047 BDMA 6 40 120 دقیقه
نمونه 4 EPOLAM 2040 EPOLAM 2047 BDMA 15 45 140 دقیقه
نمونه 5 EPOLAM 2040 EPOLAM 2047+ انیدرید فتالیک BDMA — دمای محیط (°C 25) بیش از 24 ساعت
نمونه 6 EPOLAM 2040+ 828 EPOLAM 2047+ انیدرید فتالیک BDMA — 65 بیش از 24 ساعت
نمونه 7 828 EPOLAM 2047+ انیدرید فتالیک BDMA — دمای محیط بیش از 24 ساعت
نمونه 8 828 EPOLAM 2047 BDMA — 40 135 دقیقه
نمونه 9 EPOLAM 2040+ 828 EPOLAM 2047 BDMA 6 40 160 دقیقه
نمونه 10 828+ EPOLAM 2040 EPOLAM 2047 BDMA 15 35 165 دقیقه
نمونه 11* 828 EPOLAM 2047 BDMA — 50 30 دقیقه
*مقدار شتابدهنده آمینی نمونه شماره 11 دو برابر میزان نمونههای دیگر بوده است.
3-3-1 مشاهدات
نمونه شماره 5 با اضافه کردن انیدرید فتالیک مخلوط حاصل تولید حبابهای زیادی کرده و سفید رنگ شد و به سرعت به صورت ژل درآمد و مدت زمان سخت شدن نهایی بیش از 24 ساعت به طول انجامید و مقداری از انیدرید داخل رزین سخت شده نامحلول باقی مانده بود.
نمونه شماره 6 نیز که با استفاده از حمام گرم انجام گرفت همان نتایج مربوط به نمونه شماره 2 مشاهده گردید با این تفاوت که رزین نهایی بدست آمده دارای ظاهری شفاف با حبابهایی داخل آن بود.
نمونه 7 که از یک اپوکسی تهیه شد نتایجی همانند نمونه 2 داشت. بنابراین استفاده از انیدرید از دستور کار آزمایشات خارج شد.
نمونههای دیگر (1، 2، 3، 4، 8، 9، 10 و 11) با اضافه کردن عامل پخت آمینی در شرایط دمایی متفاوت، شروع به ژل شدن کرده و پس از مدت زمان لازم عملیات پخت کامل شد و رزین سخت شد. در مرحله پخت گرما ایجاد شد و رزین بدست آمده سخت و با ظاهری شفاف بود.
3ـ4 دستگاههای مورد استفادهبرای انجام آزمایشها از دستگاههای موجود در پژوهشگاه نفت واقع در تهران استفاده گردیده است.
3ـ4ـ1 گرماسنجی روبشی تفاضلی(DSC)برای بررسی رفتار گرمایی مواد، مانند دمای ذوب و دمای انتقال شیشهای از دستگاه DSC استفاده میشود که میزان گرمای جذب یا آزاد شده با نمونه مرجع مقایسه شده و منحنی مربوطه رسم میشود. نمونه در معرض یک برنامه دمایی کنترل شده قرار میگیرد و تغییرات دمایی اندازهگیری میشود. از منحنیهای DSC برای تعیین دمای انتقال شیشهای (Tg) استفاده میشود (لوبو و بونیلا، 2003؛ سالامون و فیلدر، 2003). نوع دستگاه مورد استفاده 8000 Perkin Elmer آمریکا بود.
3ـ4ـ2 آنالیزگر حرارتی(TGA)به منظور اندازهگیری دمای تخریب، دستگاه TGA مورد استفاده قرار میگیرد. نمونه را داخل دستگاه میگذارند و از دمای محیط تا برنامه دمایی معین که با سرعت مشخص تغییر میکند (10 درجه سانتیگراد بر دقیقه) گرم میشود که دستگاه کاهش وزن نمونه را ثبت میکند. منحنی TGA تغییرات وزن ماده نسبت به دما را مشخص میکند (کینزی و فالکن، 2003؛ لوبو و بونیلا، 2003). دستگاه به کاربرده شده SDTA 851 Mettler Tolede ساخت سوئیس بود.
3ـ4ـ3 دستگاه اندازه گیری مدول فشاریدستگاه تنسایل برای تعیین استحکام فشاری و مدول فشاری کاربرد دارد. نمونه داخل دستگاه قرار داده میشود و تحت نیرویی قرار میگیرد تا رفتار نمونه نسبت به تنش اعمال شده اندازه گیری شود. میزان تنش تا زمانی ادامه مییابد که نمونه نسبت به تنش اعمال شده واکنش نشان دهد یعنی ارتفاع آن کم شود. این دستگاه با نام Zwick/Roell Z030 ساخت کشور آلمان بود.
فصل چهارم: نتایج و بحث
4ـ1 مقدمهبرای بررسی و بحث در مورد نمونهها، آزمایشهایی متناسب با رزینها روی تعدادی از نمونهها انجام گرفت. این آزمایشات شامل دمای تخریب، مدول فشاری، دمای تبدیل شیشهای، درصد ماده فرار و تورم در حلال و نفوذپذیری به آب بود. در این بخش به آزمایشهای انجام گرفته بر روی تعدادی از نمونههای تهیه شده، پرداخته شده است.

4ـ1ـ1 اثر نرمکننده بر دمای تبدیل شیشهایبه منظور بررسی تعیین دمای تبدیل شیشهای رزین در برابر نرمکننده، نمونهها طبق استاندارد ASTM D3895-07, 2007 به روش DSC در شرایط دمایی از °C 250-0 و با سرعت °C 10 بر دقیقه و در محیط نیتروژن مورد آزمایش قرار گرفته است. مقدار Tg نمونهها در جدول (4ـ2) و نمودار DSC نمونه (الف) در نمودار (4ـ1) نشان داده شده است و نمودارهای (4-2) تا (4-6) مربوط به DSC نمونههای دیگر در پیوست الف آمده است. نتایج بدست آمده نشان داد که نمونه های دارای نرمکننده دیاکتیل فتالات دمای تبدیل شیشهای پایینتری نسبت به نمونههای بدون نرمکننده دارند و هر چه میزان نرمکننده بیشتر باشد، Tg کمتر میشود به این دلیل که نرم کننده موجب تضعیف نیروهای بینمولکولی پلیمر شده و حجم آزاد پلیمر را افزایش میدهد.
جدول (4-2) نتایج دمای تبدیل شیشهای نمونههای مورد آزمایش.شماره نمونه مشخصه نمونه نتایج (ºC) شرایط آزمایش
الف EPOLAM 2040 RESIN 7/78 min/°C 10 ،°C 250- 0
ب EPOLAM 2040 RESIN + نرمکننده (phr 15) 5/55 ج EPOLAM 2040 RESIN + اپوکسی 828 + نرمکننده (phr 15) 5/55 د اپوکسی 828 0/89 ه EPOLAM 2040 RESIN+ اپوکسی 828 + نرمکننده (phr 6) 3/77 و EPOLAM 2040 RESIN + نرمکننده (phr 6) 4/74
نمودار (4ـ1) نمودارTg نمونه (الف)، شرایط آزمایش: دما °C250-0 و min/ °C 10.
میزان Tg نمونههای مورد آزمایش از نظر نوع اپوکسی و میزان نرمکننده بر روی نمودار (4-2) مقایسه شده است.

نمودار (4-2) مقایسه Tg نمونههای مورد آزمایش.4ـ1ـ2 اثر نرمکننده بردمای تخریب برای تأثیر نرمکننده بر دمای تخریب، آزمایش بر اساس استاندارد ASTM D3850-94, 2006 و شرایط دمایی از °C 50 تا °C 700 و سرعت °C 10 بر دقیقه با استفاده از دستگاه TGA انجام گردیده است. نتایج بدست آمده در جدول (4ـ3) و نمودارهای (4ـ4) تا (4ـ7) نشان داده شده است. که تخریب اپوکسی EPOLAM 2040 در دمای °C 350 و اپوکسی 828 در دمای °C 373 و نمونههای با نرمکننده به ترتیب °C 345 و °C 365 بود. نرمکننده میزان اتصالات عرضی را کاهش داده است به همین علت نمونههای دارای نرم کننده در دمای کمتری تخریب شدند. همچنین نوع اپوکسی بر روی نتایج تأثیر داشته است که در نمودار (4-3) آورده شده است.

جدول (4-3) دمای تخریب نمونههای مورد آزمایش.شماره نمونه مشخصه نمونه نتایج (ºC) شرایط آزمایش
الف EPOLAM 2040 RESIN 350 دمای °C 50 تا °C 700 و سرعت °C 10 بر دقیقه
ب EPOLAM 2040 RESIN + نرمکننده (phr 15) 345 ج EPOLAM 2040 RESIN + اپوکسی 828 + نرمکننده (phr 15) 365 د اپوکسی 828 373
نمودار (4-3) مقایسه دمای تخریب نمونههای مورد آزمایش.
نمودار (4ـ4) نمودار دمای تخریب نمونه (الف).تفسیر نمودار (4-4): سه مرحله برای تخریب رزین اپوکسی EPOLAM 2040 پخت شده قابل مشاهده است، مرحله اول که از حدود دمای °C 300 تا °C 345 ادامه دارد که مربوط به تخریب گروههای هیدروکسیل رزین (شکل 2-1 و 2-2) میباشد، مرحله دوم از حدود °C 345 تا °C 540 مربوط به خروج آمین و بخش آروماتیک رزین است که تقریباً 70% وزن آن کاهش یافته، مرحله سوم از °C 540 تا °C 700 ادامه دارد که نمونه به طور کامل تخریب شده است. از نمونه زیر دمای °C 300 میتوان استفاده نمود. منحنی دوم مشتق منحنی اول است که در °C 300 اولین افت وزن را نشان میدهد و در دمای °C 345 بیشترین میزان تخریب صورت گرفته است و در مرحله سوم منحنی دمای °C 545 را نشان میدهد (ممانی و همکاران، 1392؛ رای و سونیی، 2012).

نمودار (4ـ5) نمودار دمای تخریب نمونه (ب).تفسیر نمودار (4-5): نمونه (ب) دارای اپوکسی EPOLAM 2040 با نرمکننده دیاکتیلفتالات، در مرحله اول تخریب از حدود °C 200 تا °C 343 با خروج نرمکننده و گروههای هیدروکسیل اپوکسی همراه است مرحله دوم تخریب از °C 343 تا °C 545 اتفاق میافتد که با تخریب بیشتر آمین و گروههای آروماتیک و بقیه نرمکننده از بین میروند. مرجله سوم از °C 545 تا °C 700 تخریب کامل نمونه است. تفاوت نمودارهای نمونه الف و ب را میتوان وجود نرمکننده دانست. منحنی دوم چند نقطه مشخص شده است که به ترتیب شدت تخریب °C 343، °C 545، °C 300 و °C 200 میباشند، از نمونه تا دمای °C200 میتوان استفاده نمود (ممانی و همکاران، 1392؛ رای و سونیی، 2012).

نمودار (4ـ6) نمودار دمای تخریب نمونه (ج).تفسیر نمودار (4-6): این نمودار مربوط به نمونه (ج) (دارای نرمکننده و مخلوطی از دو نوع اپوکسی 828 و EPOLAM 2040) است که دارای سه مرحله تخریب گرمایی میباشد. مرحله اول از حدود °C 200 تا °C 365 مربوط به خروج نرمکننده و تخریب بخش هیدروکسیل اپوکسیها است افزایش این محدوده دمایی نسبت به نمونه الف را میتوان ناشی از وجود نرمکننده دیاکتیلفتالات و اپوکسی 828 دانست. مرحله دوم از °C 365 تا °C 545 مربوط به تخریب آمین و گروههای آروماتیک و احتمالاً بخشی از نرم کننده است. مرحله سوم هم که به خروج قسمتهای مقاوم نمونه ارتباط دارد از °C 545 تا °C 700 است. کارایی نمونه تا دمای °C 200 است. منحنی دوم که مشتق منحنی اول است بیشترین سرعت تخریب در دمای °C 365 و یک مرحله آهستهتر در دمای °C 545 را نشان میدهد از °C 200 تا °C 300 هم با یک شیب بسیار آهسته کاهش وزن روی میدهد (ممانی و همکاران، 1392؛ رای و سونیی، 2012).

نمودار (4ـ7) نمودار دمای تخریب نمونه (د).تفسیر نمودار (4-7): نمونه (د) دارای اپوکسی 828 و بدون نرم کننده؛ تخریب دمایی از حدود دمای °C 300 تا °C 370 شروع شده که افت وزن به دلیل شکست در گروههای هیدروکسیل اپوکسی روی داده و بعد از دمای °C 370 تا °C 545 نمونه با کاهش وزنی در حدود 70% روبرو میشود، مرحله سوم از °C545 تا °C 700 بخشهای مقاومتر اپوکسی تجزیه میشوند. منحنی مشتق دارای سه نقطه °C 300، °C 373 و °C 545 میباشد که بیشترین میزان تخریب در °C 373 است. این ماده تا °C 300 دارای کارایی است (ممانی و همکاران، 1392؛ رای و سونیی، 2012).
4ـ1ـ3 درصد مواد فرار
نمونههای وزن شده، داخل آون در دمای °C 105 و به مدت سه ساعت گذاشته میشوند. نمونهها پس از خروج از آون دوباره وزن میشوند و درصد مادهی فرار طبق رابطهی (4ـ1) بدست میآید. این آزمایش با استاندارد ASTM D2832-92, 2011 انجام شده است. نتایج هر نمونه در جدول (4ـ4) دیده میشود. نتایج نشان داد که نرمکننده روی فرار بودن اپوکسی تأثیر منفی نداشته است. ممکن است نمونه رطوبت احتمالی جذب شده از محیط و یا درصدکمی از اپوکسی خود را از دست داده باشد. نمودار (4-8) درصد ماده فرار نمونههای آزمایش شده را نشان داده است.
100× وزن ابتدایی/ (وزن ابتدایی-وزن نهایی) = درصد ماده فراررابطه (4ـ1)جدول (4-4) درصد ماده فرار نمونههای مورد آزمایش.شماره نمونه مشخصه نمونه نتایج ( %) شرایط آزمایش
الف EPOLAM 2040 RESIN 10/0- h3، ºC105
ب EPOLAM 2040 RESIN + نرمکننده (phr 15) 11/0- ج EPOLAM 2040 RESIN + اپوکسی 828 + نرمکننده (phr 15) 10/0- د اپوکسی 828 18/0-
نمودار(4-8) مقایسه درصد ماده فرار نمونههای مورد آزمایش.
4ـ1ـ4 آزمون فرورفتگی سوزنهنگامی که رزین اپوکسی به شکل ژل شد و نرم است، سوزن در آن وارد میشود اما بعد از سخت شدن، سوزن وارد نمیشود که نشاندهنده پیشرفت میزان پخت میباشد.
4ـ1ـ5 اثر نرمکننده بر مدول فشاری مدول الاستیسیته (E) یا همان مدول یانگ برابر است با نسبت تنش بر کرنش ایجاد شده به واسطهی تنش وارده بر جسم در حالتی که جسم در ناحیه الاستیک قرار گرفته باشد. واحد مدول الاستیسیته در SI پاسکال (هم واحد با تنش) میباشد. مدول الاستیسیته در رابطه (4ـ2) مشخص شده است (ابیول، 1996). این آزمایش با توجه به استاندارد ASTM D695-08, 2010 و در دمای محیط انجام گرفته است. مدول فشاری نمونهها در جدول (4ـ5) نمایان شده است.
اختلاف طول بر طول اولیه/ نیروی وارد بر سطح مقطع =کرنش/ تنش = مدول الاستیسیته
E=tensil stresstensil strain=δε=FAₒ∆LLₒ=FLₒ∆LAₒرابطه (4ـ2)جدول (4-5) میزان مدول فشاری نمونههای مورد آزمایش.شماره نمونه مشخصه نمونه نتایج ( MPa) شرایط آزمایش
الف EPOLAM 2040 RESIN 7/73 ℃2±32
ب EPOLAM 2040 RESIN + نرمکننده (phr 15) 9/18 ج EPOLAM 2040 RESIN + اپوکسی 828 + نرمکننده (phr 15) 3/21 د اپوکسی 828 2/84 اعداد بدست آمده نشان از کاهش شدید مدول نمونههای دارای نرمکننده بود، زیرا نرمکننده باعث کاهش میزان اتصالات عرضی شده و از سختی پلیمر کاسته شده است. نمودار (4-9) اثر نرمکننده و نوع اپوکسی بر مدول فشاری را نمایش داده است.

نمودار (4-9) مقایسه نمونههای مورد آزمایش از نظر مدول فشاری.4ـ1ـ6 مقاومت شیمیایی در حلالمطابق با استاندارد ASTM D543-06, 2006 نمونهها توزین میشوند و بعد در استن یا حلال شیمیایی دیگری به مدت 7 روز غوطهور میماند. پس از گذشت مدت زمان تعیین شده نمونهها وزن میگردند. درصد اختلاف وزن نمونه نسبت به وزن ابتدایی بیانگر میزان تورم در حلال است که در رابطه (4ـ3) بیان شده است. جدول (4ـ5) درصد تورم در حلال استن نمونهها را نشان میدهد. افزایش وزنی که در نمونههای دارای نرمکننده ایجاد شده به دلیل کم شدن اتصالات عرضی بوده است.
100× وزن ابندایی/ (وزن ابتدایی- وزن نهایی)= درصد تورم در حلالرابطه (4ـ3)
جدول (4-6) میزان تورم در حلال استن نمونههای مورد آزمایش.شماره نمونه مشخصه نمونه نتایج (%) شرایط آزمایش
الف EPOLAM 2040 RESIN 3/24 °C 2±32، 7 روز، استن
ب EPOLAM 2040 RESIN + نرمکننده (phr 15) 1/38 ج EPOLAM 2040 RESIN + اپوکسی 828 + نرمکننده (phr 15) 5/37 د اپوکسی 828 8/17 از مقایسه نمونهها که در نمودار (10-4) آورده شده، مشخص شد که نمونههای دارای نرمکننده نسبت به حلال استن مقاومت شیمیایی خوبی نشان ندادهاند، بنابراین نرمکننده میزان اتصالات عرضی رزین را پایین میآورد و باعث نفوذ حلالی مانند استن در پلیمر میشود (ابیول، 1996).

نمودار (10-4) مقایسه اثر نرمکننده و نوع اپوکسی بر میزان تورم در استن نمونههای مورد آزمایش.4ـ2ـ7 نفوذپذیری آبنمونههای با وزن مشخص در دمای محیط به مدت 24 ساعت در ظرف حاوی آب طبق استاندارد ASTM D570-98, 2010 غوطهور گردید. افزایش وزن نمونهها پس از 24 ساعت اندازهگیری و درصد نفوذپذیری آب براساس رابطه (4-4) محاسبه گردید که نتایج در جدول (4-6) ارائه گردیده است.
100× وزن ابندایی/ (وزن ابتدایی- وزن نهایی)= درصد نفوذپذیری آبرابطه(4ـ4)جدول (4-7) میزان نفوذپذیری آب نمونههای مورد آزمایش.شماره نمونه مشخصه نمونه نتایج ( %) شرایط آزمایش
الف EPOLAM 2040 RESIN 22/0 h24، °C 2±32
ب EPOLAM 2040 RESIN + نرمکننده (phr 15) 13/0 ج EPOLAM 2040 RESIN + اپوکسی 828 + نرمکننده (phr 15) 17/0 د اپوکسی 828 16/0 نتایج بدست آمده که در نمودار (11-4) مشخص شده است نشان داد که نفوذپذیری آب در نمونهها بسیار پایین بوده است. اپوکسی 828 نسبت به اپوکسی 2040 نفوذپذیری کمتری به آب نشان داده است. در نمونههای دارای اپوکسی 2040 همراه نرمکننده کاهش نفوذ آب نسبت به نمونه بدون نرمکننده مشاهده شده در حالی که نمونه دارای اپوکسی 828 و نرمکننده افزایش نفوذپذیری به آب (در مقایسه با نمونه 828 بدون نرمکننده) دیده شده است.

نمودار (11-4) مقایسه نمونههای آزمایش شده نسبت به نفوذ آب.
فصل پنجم: نتیجه گیری5ـ1 مقدمه
پخت اپوکسی به عواملی چون رزین، عامل پخت، گرانروی، دما و ... وابسته است. به منظور رفتار دو نوع اپوکسی و عامل پخت آمینی در حضور نرمکننده، موارد زیر مورد بررسی قرار گرفت:
تأثیر نرمکننده و اپوکسیها بر مدول فشاری
تأثیر نرمکننده بر Tg و اثر اپوکسیها بر آن
درصد مواد فرار
دمای تخریب
درصد جذب آب
مقاومت شیمیایی ـ تورم در حلال
5ـ1ـ1 اثر دما
زمان سخت شدن به دما وابسته است که با بالا بردن دما زمان سخت شدن رزین کاهش یافت. دما میزان پیوندهای کووالانسی را افزایش میدهد در نتیجه باعث تسریع در عملیات پخت و ایجاد پیوندهای عرضی میشود (ساختمانیان و بهزادی، 1385؛ رضایی، 1390).
5ـ1ـ2 تأثیر نرمکننده و اپوکسیها بر Tgحضور نرمکننده در ترکیب رزین باعث کاهش دمای تبدیل شیشهای شد. وجود نرمکننده موجب تضعیف جاذبههای بین مولکولی رزین میشود وحجم آزاد پلیمر را افزایش میدهد (ظهوری، مترجم، 1381؛ ابیول 1996). همچنین اپوکسی 828 دمای تبدیل شیشهای بیشتری داشت.
5ـ1ـ3 دمای تخریبوجود نرم کننده دمای تخریب را پایین میآورد. هرچه میزان اتصالات عرضی بیشتر باشد دمای لازم برای تخریب و تجزیه پلیمر افزایش مییابد ولی نرمکننده فاصله بین اتصالات عرضی را افزایش میدهد و در نتیجه پلیمر در دمای پایینتر تخریب میگردد (ظهوری، مترجم، 1381).
5ـ1ـ4 درصد ماده فرارمیتوان نرمکننده را تقریباً عامل بیتأثیری در فراریت اپوکسی دانست، که درصد ماده فرار بدست آمده را میتوان به از دست دادن رطوبت که احتمال دارد از محیط جذب رزین شده و یا حذف مقدار کم اپوکسی محتمل دانست.
5ـ1ـ5 تأثیر نرمکننده بر مدول فشاری نرمکننده مدول الاستیسیته را کاهش میدهد زیرا میزان اتصالات عرضی را پایین میآورد (خلینا، 1392؛ ابیول، 1996).
5ـ1ـ6 نفوذپذیری نسبت به آبافزایش شبکهای شدن باعث کاهش قدرت جذب آب میگردد چون فضاهای خالی میان زنجیرهها کاهش مییابد (باغی و سپهریان، 1391).
5ـ1ـ7 مقاومت شیمیاییمقاومت شیمیایی رزین اپوکسی در حلال استن مناسب است که حضور نرمکننده دیاکتیلفتالات باعث کاهش مقاومت رزین در استن شده است.
5ـ1ـ8 میزان شتابدهندهبا افزایش مقدار شتابدهنده در آزمایش مشخص شد که زمان سخت شدن کاهش یافت، ازاین رو مدت زمان وابسته به میزان شتابدهنده میباشد. شتابدهنده با واکنش با حلقه اپوکسی (شکل 2-1) موجب باز شدن حلقه اپوکسی شده و پخت را تسهیل و تسریع میکند (خلینا، 1392).
5ـ1ـ9 نوع رزین
بررسی نتایج بدست آمده معلوم میکند نمونههای دارای اپوکسی 828 نسبت به اپوکسی EPOLAM 2040 تقریباً رفتار متفاوتی در آزمایشات از خود نشان دادهاند. به عنوان مثال کاهش گرانروی موجب کاهش استحکام کششی، Tg ، مقاومت شیمیایی و خواص الکتریکی میشود و سرعت پخت را افزایش میدهد (رضایی، 1390).
5ـ2 توجیه رفتار انیدریدبه نظر میرسد عوامل پخت انیدریدی از نوع جامد باید در یک حلال مناسب حل شده و سپس به رزین اضافه شوند تا پخت به طور کامل انجام شود (گریمسلی و همکاران، 2002). بنابراین در آزمایشاتی که انیدرید به کار رفته بود بخشی از آن به صورت نامحلول باقی مانده بود و در سیستم تعریف شده غلظت کم مورد نظر نبود تا از حلال استفاده گردد.

فهرست منابعمنابع فارسی1- باغی ش، سپهریان آذر ا. 1391. تهیه و شناسایی هیدروژل آمفیفیلیت آکریل آمید و سدیم آلژینات (I.P.N) و شناسایی
خواص فیزیکی آن. فصلنامه کاربرد شیمی محیط زیست، سال سوم، 10: 23-32.
2- حسامی م، باقری ر، معصومی م. 1391. مروری بر بازدارندگی شعله در رزین اپوکسی-قسمت اول: ریز پرکننده
های بازدارنده شعله. فصلنامه علمیـترویجی بسپارش، سال دوم، 4: 49-60
3- زردان ر، گنجی م.ت، تحویلدار ک. 1389. تهیه و به کارگیری هاردنرهای دارای گروه های ایمیدی در پخت
رزین اپوکسی. نیترو پی دی اف، سال چهارم، 13: 281- 288
4- شکرالهی ف، مهدویان ع، شکرالهی پ. 1392. سنتیک پخت رزین اپوکسی-نووالاک دارای بازدارنده شعله. مجله
علوم و تکنولوژی، 26، 6: 537-547
5- شکوه فر ع، عرب ب. 1392. مطالعه ساختار و رفتار تبدیل شیشهای پلیمرهای اپوکسی به روش دینامیک
مولکولی. ماهنامه علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس، 99، 9 : 1-6
6- ممانی آ، ابراهیمی م، عطایی فرد م. 1392. بهبود ویژگی های حرارتی، مقاومت به آتش و مکانیکی رزین
اپوکسی به کمک گرافیت قابل انبساط. نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته و پوشش های نوین، 6: 410-
419.
7- ساختمانیان م.ر، بهزادی م. 1385. تأثیر دما و زمان پخت برخواص مکانیکی کامپوزیتهای زمینه اپوکسی
تقویت شده با الیاف شیشه. ششمین کنفرانس سراسری انجمن هوا فضای ایران. تهران(دانشگاه صنعتی
خواجه نصیرالدین طوسی)، اسفند ماه.
8- هور م، رضانژاد س، جودت ح، پیلهور س. 1392. طراحی فرمولاسیون رزین مورد استفاده در ساخت پیش
آغشته کامپوزیت پرهی توربین بادی. بیست و هشتمین کنفرانس بینالمللی برق. تهران، 13ـ14 آبان.
9- کومین ج. دانش چسب و چسبندگی. ظهوری غ. 1381. چاپ اول. مشهد. سخن گستر، 200ص.
10- سورنسون دبلیو.آر.، کمپبل تی.دبلیو.. شیمی پلیمر عملی. ظهوریانمهر م، نادعلی م، ترپوگوسیان گ. 1376.
چاپ اول. موسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف، 652ص.
11- خلینا م. رزین های اپوکسی- بررسی مورفولوژی و خواص ریز ساختارهای آمیزه های اپوکسی. 1392. دوره
دکتری. پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران.
12- چوبدار ح. 1393. رزینها. خانه مهندسی شیمی ایران. www.ICHEH.com. 16دی.

فهرست منابع انگلیسی1- ASTM D695. Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics. 2010.
2- ASTM D543. Standard Practices for Evaluating the Resistance of Plastics to Chemical
Reagents. 2006.
3- ASTM D2832. Standard Guide for Determining Volatile and Nonvolatile Content of
Paint and Related Coatings. 2011.
4- ASTM D3895. Standard Test Method for Oxidative-Induction Time Polyolefins by
Differential Scanning Calorimetry. 2007.
5- ASTM D3850. Standard Test Method for Rapid Thermal Deg--ation of Solid Electrical
Insulating Materials by Thermogravimetric Method (TGA). 2006.
6- ASTM D570. Standard Test Method for Water Absorption of Plastics. 2010.

7- Balasubramanya P, Natarajan K. 2014. Mechanical and Morphological Studies of
Modified Epoxy Resin Matrix for Composite Applications. Emerging Technology and
Advanced Engineering Journal, 4(1): 281-288.
8- Ben Saleh A, Mohd Ishak Z, Hashim A, Kamil W, Ishiaku U. 2014. Synthesis
and Characterization of Liquid Natural Rubber as Impact Modifier for Epoxy Resin.
Physics Procedia Journal, 55: 129-137
9- Chen J, Kinloch A, Sprenger S, Taylor A. 2013. The Mechanical Properties and
Toughening Mechanisms of an Epoxy Polymer Modified with Polysiloxan-based Core-
Shell Particles. Polymer Journal, 54: 4276-4289.
10- Grimsley B, Hubert P, Song X, Cano R, Loos A, Pipes R. 2002. Effects of Amine
and Anhydride Curing Agents on the Vartm Matrix Processing Properties. SAMPE
Journal, 38(4): 8-15.
11- Hardis, R., Jessop J, Peters F.E. Kessler M.R. 2013. Cure Kinetics Characterization and
Monitoring of an Epoxy Resin Using DSC, Raman Spectroscopy, and DEA.
Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing Journal, 49: 100-108.

12- Khosravi E, Musa O. 2011. Thermally Deg--able Thermosetting Materials. European
Polymer Journal, 47: 465-473.
13- Kinloch A.J, Lee S.H, Taylor A.C. 2014. Improving the Fracture Toughness and the
Cyclic-Fatigue Resistance of Epoxy-Polymer Blend, Polymr Journal, 55: 6325-6334.
14- Lu Sh , Ban J, Yu Ch, Deng W. 2010. Properties of Epoxy Resins Modified with Liquid
Crystalline Polyurethane. Iranian Polymer Journal 19 (9): 669-678.

15- Odegard G.M., Jensen B.D, Gowtham S., Wu J, He J, Zhang Z. 2014. Predicting
Mechanical Response of Cross linked Epoxy Using ReaxFF. Chemical Physics Letters,
591: 175-178.
16- Rane U. G, Sabnis A, Shertukde V. 2014. Synthesis and Characterization of Imide
Ontaining Hybrid Epoxy Resin with Improved Mechanical and Thermal Properties. International Journal of Polymer Science, 2014: 10 p.17- Singla M, Chawla V. 2010. Mechanical Properties of Epoxy Resin – Fly Ash Composite.
Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, 9(3): 199-210.
18- Sprenger, S. 2013. Epoxy resin Composites with Surface‐Modified Silicon Dioxide
Nanoparticles: A review. Journal of Applied Polymer Science, 130(3): 1421-1428.
19- Souza J, Reis J. 2013.Thermal behavior of DGEBA (Diglycidyl Ether of Bisphenol
A) Adhesives and its Influence on the Strength of Joints. Applied Adhesion.Science, 1(6): 1-10.
20- Me--, L., Benyoucef B., Abadie M.J.M., Charles J.P. 2014. Characterization and
Mechanical Properties of Epoxy Resin Reinforced with TiO2 Nanoparticles.
Experimental Techniques, 38(1): 59-66.
21- Ardebili H, Petch M. 2009. Encapsulation Technologies for Electronic Application. 1st
edn. Andrew W, 504 p.
22- Braun D, Cherdon H, Ritter H. 2001. Polymer Synthesis: Theory and Practice:
Fundamentals, Methods, Experiments; with 31 Tables. Springer Science & Business Media, 333 p.
23- Dodiuk H, Goodman S. 2013. Handbook of Thermoset Plastics. Andrew W, 800 p.
24- Ebewel H O.. 1996. Polymer Science and Thecnology. New York: CRC Press, 530 p.
25- Kutz M. 2012. Handbook of Environmental Deg--ation of Materials. Ray S, Cooney R.
Thermal Deg--ation of Polymer and Polymer Composites. Andrew W. 936 p.
26- Lee H., Neville K. 1967. Handbook of epoxy resins. New York. McGraw-Hill. 922p.
27- Lobo H, Bonilla J. 2003. Handbook of Plastic Analysis. New York. Marcel Dekker, Inc.
620 p.28- Lobo H, Bonilla J. 2003. Handbook of Plastic Analysis. Salamon A W., Fielder K J..
Practical Uses of Differential Scanning Calorimetry for Plastics. New York. Marcel
Dekker, Inc. 620 p.29- Lobo H, Bonilla J. 2003. Handbook of Plastic Analysis. Kinzy S, Falcon R.
Thermogravimetric Analysis of Polymers. New York. Marcel Dekker, Inc. 620 p.30- May C. 1987. Epoxy Resins: Chemistry and Technology. 2nd edn. New York: CRC Press,
1288 p.31- Ratna D. 2007. Epoxy Composites: Impact Resistance and Retardancy. iSmithers Rapra
Publishing, 118 p.
32- Yang J. Modification of Epoxy Resins with Functional Hyper branched Poly(Arylen
Ester) s. chapter 8, Literature Review of Epoxy Toughening. 154-169. 1998. PhD thesis.
Virginia.
33- Perkins S. A Study of the Mechanical Behavior of Epoxy Sys-- under Different Testing
Temperatures. 2011. PhD thesis. University of Florida.

پیوست الف
نمونه دارای اپوکسی 2040، نرمکننده phr15.
نمودار (الف-1) نمودار Tg نمونه (ب)، شرایط آزمایش: دما °C250-0 و min/ °C 10.
نمونه دارای اپوکسی 2040، اپوکسی 828، نرمکننده phr15.
نمودار (الف-2) نمودار Tg نمونه (ج)، شرایط آزمایش: دما °C250-0 و min/ °C 10.
نمونه دارای اپوکسی 828، نرمکننده phr15.
نمودار (الف-3) نمودار Tg نمونه (د)، شرایط آزمایش: دما °C250-0 و min/ °C 10.
نمونه دارای اپوکسی 2040، اپوکسی 828، نرمکننده phr 6.
نمودار (الف-4) نمودار Tg نمونه (ه)، شرایط آزمایش: دما °C250-0 و min/ °C 10.
نمونه دارای اپوکسی 2040، نرمکننده phr6.

–335

فهرست اشکال
عنوان صفحه
TOC h z t "shekl,1" شکل (1-1) ترکیب های X3Y3H6 را نشان می دهد. PAGEREF _Toc354826532 h 7شکل (1-2) بورازین PAGEREF _Toc354826533 h 8شکل (1-3) ساختارهای مزومری بورازین. PAGEREF _Toc354826534 h 9شکل (1-4)تشکیل بسپار بورازنیل PAGEREF _Toc354826535 h 10شکل (1-5)تشکیل سرامیک بورکربونیترید از بورازین PAGEREF _Toc354826536 h 10شکل (2-1) نمایی از نرم افزار هایپرکم. PAGEREF _Toc354826537 h 21شکل (2-2) نمایی از نرم افزار گوس ویو. PAGEREF _Toc354826538 h 21شکل (2-3) نمایی از نرم افزار گوسیین. PAGEREF _Toc354826539 h 21شکل (2-4) نمایی از نرم افزار کم دراو. PAGEREF _Toc354826540 h 22شکل (3-1) فرم رزونانسی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف x . PAGEREF _Toc354826541 h 23شکل (3-2) رابطه انرژی نسبی با ثابت هامت آنها (p). PAGEREF _Toc354826542 h 24شکل (3-3) رابطه گشتاور دوقطبی با ثابت هامت(p). PAGEREF _Toc354826543 h 25شکل (3-4)رابطه قطبش همسانگرد و نا همسانگرد (iso)N-isomer-(iso)B-isomer and(aniso)N-isomer-(aniso)B-isomer با ثابت هامت(p). PAGEREF _Toc354826544 h 27شکل( 3-5)رابطه اوربیتال جبهه ای با انرژی نسبی. PAGEREF _Toc354826545 h 29شکل (3-6)رابطه بین مقادیر سختی و ثابت هامت (به جز OH,Me,NH2 ) PAGEREF _Toc354826546 h 30شکل (3-7)رابطه بینmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) و ثابت هامت(p)،به جز (Cl, CN, Br). PAGEREF _Toc354826547 h 33شکل (3-8)رابطه بین اولین قطبش پذیری(tot) و max. PAGEREF _Toc354826548 h 36TOC h z t "shekl,1"

کوتاه نوشت ها
CSGT: Continuous Set of Gauge Transformations
D3BIA: density,Degeneracy and Delocalization-Bases Index of Aromaticity
DFT : Density Functional Theory
DI: Delocalization Index
GTO : Gaussian-Type Orbital
HF : Hartree Fock
HOMA: Harmonic Oscillator Model of Aromaticity
HOMO : Highest Occupied Molecular OrbitalKS: Kohn-Sham
LUMO : Lowest unoccupied Molecular Orbital
MO : Molecule Orbital
MP : Moller-PlessetNICS : Nucleus-Independent Chemical Shift
NLO : Non Linear Optical Material
NMR : Nuclear Magnetic Resonance
PDI: Para Delocalization Index

فصل اول1-1ترکیب های حلقوی آروماتیکبنزن نمونه نخستینمولکولی است که دارای خواص فیزیکی قابل ملاحظه ای ناشی از عدم استقرار الکترونهای است. از نظر تاریخی شیمیدانان پژوهشهای زیادی روی دیگر مولکولهای مشابه بنزن نموده اند. بورازین (B3N3H6) ، بوروکسین (B3O3H3) و بورتین (B3S3H3) نمونه هایی از این ترکیبها هستند. این ترکیبها ساختاری مشابه بنزن دارند و توپولوژی اوربیتالهای مولکولی پای آنها مشابه است. این پرسش که آیا الکترونهای پای آنها همانند بنزن نامستقرند (رزونانس بین ساختارهای ککوله) چندان واضح نیست.
1-2آروماتیستیاز معرفی آروماتیستی به وسیله ی August Kekule در 1865 تاکنون به طور پیوسته قلمروهاینوینی در شیمی را تسخیر شده است. در ابتدا آروماتیسیتی برای ترکیبهای آلی زیر گسترش یافت:
هیدروکربنهای تک حلقوی مزدوج مسطح و یونهای آنها که دارای 4n+2 الکترون هستند.
هیدروکربنهای مزدوج چند حلقوی- هیدروکربنهای بنزوییدی ساخته شده ازحلقه های بنزنی جوش خورده.
هیدروکربنهای کربوکسیلیک مزدوج چند حلقوی بر پایه سیستمهای غیر بنزوییدی مانند آزولن و دیگر هیدروکربنهای مزدوج دارای حلقه های چهار، پنچ، هفت و هشت عضوی.
ترکیبهای دارای اتمهای فلزی نیز آروماتیک می توانند باشند. در 1979 Thorn و Hoffmann پیش بینی نمودند که برخی متالوسیکلهای فرضی باید خصلت پیوندی نامستقر و مقداری خصلت آروماتیک را نشان دهند. در سالیان بعد از آن حدود 25 متالوبنزن جداسازی و شناسایی شد.نخستین مثال از یک متالوبنزن پایدار و قابل جداسازی اسمابنزن بود که در سال 1982 گزارش شد. خانواده بزرگی از متالوبنزنها (ایریدابنزن) نیز بعدها تهیهشدند در حالی که یک سری از دی متالوبنزنها با دو اتم فلز در حلقه بنزن نیز گزارش شدند.
واژه "متالوآروماتیسیتی" در 1979 نخستین بار برای توصیف کمپلکسهای فلزی سیکلوبوتادی ان پیشنهاد شد. نخستین ترکیب آلی فلزی دارای یک حلقه آروماتیک تشکیل شده از اتمهای فلز در 1995 تهیه شد. Na2[(Mes2C6H3)Ga]3 که شامل حلقه آروماتیک سه گوش که دارای دو الکترون است. نخستین ترکیب آلی فلزی آروماتیک تشکیل شده از چهار اتم گالیم که دارای ساختار مربعی بود K2[Ga4(C6H3-2,6-Trip2)2] .
1-3معیارهای آروماتیک بودن:جدول (1-1) معیار های آروماتیک بودنخاصیت آروماتیسیتی
ماهیت الکترونی: 4n+2‌الکترون
انرژی:
مزدوج شدن حلقوی
نامستقر بودن
شکاف اوربیتالهای جبهه ای پایداری
افزایش خصلت
افزایش خصلت
شکل هندسی:
طول پیوندهای یکسان وجود خصلت
خواص مغناطیسی:
ناهمسانگردی تاثیرپذیری دیامغناطیس
برتری5مغناطیسی
جابه جایی شیمیایی 1H NMR
NICS افزایش یافته
بالا
دیاپروتیک
منفی بزرگ
واکنشپذیری:
ساختار شیمیایی
ابقا ساختار برای مثال بنزن
جانشینی الکترون دوستی
طیف سنجی:
UV
IR/Raman
فوتوالکترون انرژی بالا
تقارن بالا
انرژیهای اتصال زدایی الکترون بالا
جریان حلقه آروماتیک اثری است که در مولکولهای آروماتیک مانند بنزن، نفتالن مشاهده می شود. اگر یک میدان مغناطیسی عمود بر صفحه سیستم آروماتیک اعمال شود جریان حلقه ای در الکترونهای حلقه آروماتیک القا می شود. این نتیجه مستقیم قانون آمپر است زیرا الکترونهای شامل شده آزاد به گردش اند به جای آن که در پیوندها مستقر باشند مانند آن چه در مولکولهای غیر آروماتیک است ، لذا به میدان مغناطیسی به شدت پاسخ می دهند.
جریانهای حلقه آروماتیک با طیف سنجی NMR مرتبط اند. پس آنها جابه جاییهای شیمیایی هسته های 13C, 1H را در حلقه های آروماتیک و نیز دیگر مولکولهای آلی و معدنی تحت تاثیر قرار می دهند. این اثر امکان تشخیص محیطهای هسته ای را ممکن ساخته و در نتیجه در تعیین ساختار مولکولی کاربرد وسیعی دارد. در بنزن پروتونهای آروماتیک دچار واپوشیدگی می شوند چون میدان مغناطیسی القایی جهت یکسانی مانند با میدان خارجی دارد.
پس یک جریان حلقه دیامغناطیس یا دیاپروتیک با آروماتیستی همراه است و جریان حلقه ای پاراتروپیک نشانه پادآروماتیسیتی است. اثر مشابهی در فولرنهای سه بعدی مشاهده می شود و به آن جریان کره گویند.
کوششهای متعددی برای بیان کمی آروماتیسیتی انجام شده است:
1-4 بیان کمی آروماتیستی1-4-1 جابه جایی شیمیایی مستقل از هسته:پارامتر جابه جایی شیمیایی مستقل از هسته برای توصیف آروماتیسیتی از نقطه نظر مغناطیسی به کار برده می شود. این شاخص به وسیله P.v.R. Schleyer و همکارانش براساس پوششهای مغناطیسی ابداع گردید و با روشهای ساده محاسبه گردید. هم اینک محاسبه ها با روشهای آغازین پیشرفته انجام می شوند(25). این شاخص با محاسبه منفی پوشش مغناطیسی مطلق اتم روحدر مرکز حلقه(26)یا نقطه های مورد نظر دیگر(27) به کاربرده می شود.مقدار NICS نشان داده شده به صورت NICS(1.0) به مفهوم محاسبه آن در فاصله Å1 بالای حلقه است و انتظار می رودجزییات ساختار الکترونی را مشخص کند. زیرا مقدار NICS(0.0) در صفحه با مشارکتهایی موضعی پیوندهای و جفتهای تنها تحت تاثیر قرار می گیرد(28). حلقه های دارای NICS منفی آروماتیک، حلقه های دارای NICS نزدیک به صفر غیر آروماتیک و حلقه های دارای NICS مثبت پاد آروماتیک اند.
شاخص دیگر مولفه "خارج صفحه" تنسور NICS است که در فاصله Å1 بالای مرکز حلقه محاسبه می شود و با NICS(1.0)zz مشخص می شود که اندازه خوبی برای مشخصه های سیستم حلقه است(29). از آن جا که یک میدان مغناطیسی عمود بر صفحه حلقه اعمال می شود، این مقدار با چگالیهای جریان القایی در سیستم حلقه ای مولکول ارتباط مستقیم تری دارد. در نتیجه NICSzz محاسبه شده در فاصله های دور از مرکز حلقه (جایی که NICSzz تحت تاثیر مشارکتهای از سیستم قرار می گیرد) به خوبی NICS را مشخص می کند(30).
ثابت شده است برای مشتقهای بورازین NICS(2.0)zz معیار مناسبی برای آروماتیسیته است(31).
مقدارهای موشکافی شدهNICS با نرم افزار deMonNMRمحاسبه می شوند(32). بر این اساس NICS(total) به سهمهایی از پیوندهای ، NICS() ، پیوندهای ، NICS() ، و سهمهای دیگر (پیوندهای با هیدروژن، جفتهای تنها در صفحه مولکول، اوربیتالهای مغزی) تقسیم می شود.
برای مثال برای بنزن:
جدول (1-2) NICS برای بنزنStructure Opt Level/Basis set NICS(0.0) NICS(1.0) NICS(r)zz
Benzene B3LYP/6-311+G** HF/6-31+G* -9.7 -11.5 r=1.0-31.9
Borazine B3LYP/6-311+G** HF/6-311+G** -1.3 -1.9 r=-6.7
1-4-2ناهمسانگردی تاثیر پذیری مغناطیسی:ناهمسانگردی تاثیر پذیری مغناطیسی (33)به صورت زیر تعریف می شود:
(1-1)
در این رابطه محور z به صورت عمود بر صفحه حلقه تعریف می شود. این رابطه تفاوت بین تاثیر پذیریهای دیامغناطیس خارج صفحه و میانگین تاثیر پذیریهای دیامغناطیس داخل صفحه (xy) است. کارایی این شاخص مستقل بودن از سیستم مرجع است. این شاخص به روشCSGT محاسبه می شود(34). منفی تر بودن این شاخص نشانه خصلت آروماتیسیتی بیشتر است.
1-4-3تاثیر پذیری مغناطیسی(35):این شاخص تفاوت تاثیر پذیری مغناطیسی سیستم و یک سیستم مرجع ناشی از افزایش اتم یا پیوند است:
=-(1-2)
این شاخص نیز به روش CSGT محاسبه می شود. منفی تر بودن این شاخص نشانه خصلت آروماتیسیتی بیشتر است.
1-4-4 شاخصهای ناشی از نطریه اتم در مولکول:نظریه اتمها در مولکولها در شکلهای زیر برای مطالعه آروماتیسیتی به کار رفته است(36).
درجه عدم استقرار الکترون پای (DI):Bader و همکارانش عدم استقرار چگالی بیشتری را در هیدروکربنهای سیر نشده حلقوی نسبت به گونه های مشابه ناحلقوی پیدا نمودند.درجه عدم استقرار الکترون پای (DI) به طور کمی بر اسای این نظریه با استفاده از شاخص عدم استقرار تعیین می شود. این شاخص با انتگرال دوگانه چگالی همبستگی- تبادل حول حوزه هایاتمهای A و B به دست می آید. حوزه یک اتم در نظریه AIM به صورت گستره ای در فضای واقعی محدود به سطوح گرادیان شار صفر در یک چگالی الکترونی (r) یا تا بی نهایت تعریف می شود(37) به طور کمی تعداد الکترونهای نامستقر بین A و B تعیین می شود(38).
برای مثال برای بنزن می توان نوشت:
جدول (1-3) درجه عدم استقرار الکترون پایبرای بنزنE(atom) DI
B3LYP/6-311++G** 3.8102745332e+001 1.3965407413e+000
شاخص عدم استقرار پارا (PDI): Sola و همکارانش شاخص عدم استقرار را با معیارهای آروماتیک دیگر مرتبط کردند(39). آنها یک معیاری آروماتیک موضعی نوینی را معرفی نمودند: شاخص عدم استقرار پارا (PDI) .
Hernandez-Trujillo و Matta نیز معیار هندسی را پیشنهاد نمودند که DI را به عنوان اندازه تناوب اشتراک الکترون در نظر می گیرد.
D3BIA :Caio L. Firme و همکارانش معیار نوینی برای آرماتیسیتی در نظر گرفتند(40). نظریه ها بر اساس:
چگالی الکترونی در حلقه
درجه یکسانی عدم استقرار
درجه همترازی اتمها در حلقه
استوار بود و آن را D3BIA نامیدند. فرمول آن عبارت است از:
D3BIA=[RDF] [DIU] (1-3)
که در این رابطه:
RDF=(1+2)RCP (1-4)
2 مقدار ویژه میانگین ماتریکس Hessian چگالی از BCP به RCP ، وRCP مقدار چگالی الکترونی در نقطه بحرانی حلقه است.(1-5)
انحراف میانگین و <DI> میانگین DI حلقه است.
(تعداد اتمهای حلقه)/(تعداد اتمهای همتراز)=(1-6)
برای مثال برای بنزن می توان نوشت:
جدول (1-4) انحراف میانگین و RDF و DIU و D3BIA برای بنزنRCP 2 RDF DIU D3BIA
B3LYP/6-311++G** 0.021479650957751 0.538176419309952 0.00992 1 1.00 0.00992
1-4-5 مدل هماهنگ کروی آروماتیسیتی:در بین تعریفهای کمی به کار رفته برای آروماتیسیتی بر اساس معیار شکل هندسی، HOMA بیشترین اطمینان را دارد(41). مطابق نظر Krygowski و همکارانشبه صورت سهم دو عبارت تعریف می شود:
HOMA=1-EN-GEO(1-7)
در این رابطه EN اندازه طویل شدن طول پیوند میانگین نسبت به یک مقدار بهینه است:
EN= (Ropt - Rav)2(1-8)
در این رابطه Ropt طول پیوند بهینه برای یک مولکول کامل آروماتیک است( برای پیوندهای CCبرابر Å 388ر1 است). Rav طول پیوند میانگین گونه های در نظر گرفته شده است.یعنی:
Rav =(1-9)
عبارت GEO نشانه افزایش یک در میان طول پیوند است و برابر است با:
GEO=(1-10)
Rav دلالت بر طول پیوند میانگین سیستم در نظر گرفته شده و n تعداد پیوندهای فاصله ای بین هسته ای Ri است. برای پیوندهای CC مقدار برابر 7ر257 است.
به صورت جمع نرمال شده انحراف مربعهای طول پیوندها از مقدار بهینه تعریف می شود. یک سیستم آروماتیک HOMA=1 و پاد آروماتیک HOMA=0 دارد.
مقدارهای Ropt و برای پیوندهای CN, CO, CP, CS, NN, NO نیز گزارش شده اند.
برای مثال برای مولکول بنزن می توان نوشت چون Ri=1.3946 پس Rav=1.3946 در نتیجه:
جدول (1-5) مقادیر HOMO و GEO و EN برای بنزنEN= (Ropt - Rav)2 GEO= HOMO
B3LYP/6-311+G** =(257.7)(1.388-1.3946)2=0.0112254 (1.3946-1.3946)*6(257.7/6)=0 0.9887746
کمیت قابل اندازه گیری دیگر جابه جایی شیمیایی یونهای لیتیم در کمپلکسهای آن است. از آن جا که لیتیم تمایل به اتصال به وجه آروماتیک حلقه ها دارد، خود سبب آروماتیک شدن می شود. در نتیجه از جا به جایی شیمیایی آن می توان برای این منظور استفاده کرد. برای مثال این مقدار در کمپلکسهای CpLi و Cp2Li- به ترتیب ppm 6ر8- و 1ر13- است.
1-5ترکیبهای X3Y3H6
s-triphosphatriborin Borazine

alumazine

شکل (1-1) ترکیب های X3Y3H6 را نشان می دهد.1-6بورازین:بورازین ترکیب معدنی است که از عنصرهای بور، نیتروژن و هیدروژن تشکیل شده است. در این ترکیب حلقوی سه واحد هیدروبوران(BH) و سه واحد آمینو (NH) به طور یک در میان قرار دارند. این ترکیب در سال 1926 به وسیله ی Alfred Stock و Pohlandاز واکنش دی بوران و آمونیاک تهیه شد(42). ساختار این ترکیب هم الکترون و یکسان با بنزن است و به همین دلیلی بنا به پیشنهاد Nils Wibergبنزن معدنی نامیده می شود. این ترکیب همچنین به نام Borazol نیز نامیده می شود که از نام آلمانی بنزن که بنزول است ناشی می شود.

شکل (1-2) بورازین1-6-1سنتزبورازین از واکنش دی بوران و آمونیاک در نسبت یک به دو در دمای 300-250 با بهره 50% تهیه می شود:
3 B2H6 + 6 NH32 B3N3H6+3 LiCl + 9 H2
مسیر موثر دیگر از واکنش لیتیم بوروهیدرید و آمونیوم کلرید با بهره ای بهتر می باشد:
3 LiBH4 + 3 NH4Cl → B3H6N3 + 3 LiCl + 9 H2
در یک فرآیند دو مرحله ای، بور تری کلرید نخست به تری کلروبورازین تبدیل شده :
3 BCl3 + 3 NH4Cl → Cl3B3H3N3 + 9 HClسپس پیوندهای B-Cl به پیوندهای B-H تبدیل می شوند:
Cl3B3H3N3 + 3 NaBH4 → B3H6N3 + 3/2 B2H6 + 3 NaCl1-6-2ویژگیهابورازین مایعی بیرنگ با بوی ویژه ترکیبهای آروماتیک است. این ترکیب در آب به بوریک اسید، آمونیاک و هیدروژن تجزیه می شود. بورازین با تغییر آنتالپی استاندارد تشکیل kJ/mol 531- از نظر گرمایی بسیار پایدار است. برخی از خواص فیزیکی این ترکیب در جدول 1 ارایه شده است.
جدول(1-6) برخی از خواص فیزیکی بورازیننقطه جوش ، C نقطه ذوب، C چگالی، gr.cm-3 ظاهر جرم مولی، gr.mol-1
55 58- 81ر0 بی رنگ 50ر80
1-6-3ساختاربورازین هم ساختار بنزن است و همانند آن دارای پیوندهایی با طول یکسان است. فاصلهی بین نیتروژن و بور در حلقه pm 6ر143 و فاصله کربن-کربن در بنزن pm7ر139 است. پیوند بور-نیتروژن بین طول پیوند بور-نیتروژن یگانه (pm151) و پیوند بور-نیتروژن دوگانه (pm131) است. این داده ها نشان دهنده ی عدم استقرار الکترونهای جفت تنهای نیتروژن هستند.
1-6-4مزومرهاالکترونگاتیوی بور (04ر2 در مقیاس پاوولینگ) از نیتروژن (04ر3) کمتر است. از سوی دیگر کمبود الکترونی اتم بور و جفت تنهای نیتروژن امکان ساختارهای مزومری متنوع را ممکن می سازد:

شکل (1-3) ساختارهای مزومری بورازین.بور اسید لوییس و نیتروژن باز لوییس است.
1-6-5واکنشهابورازین واکنشپذیرتر از بنزن است. این ترکیب با HCl واکنش می دهد.اگر آروماتیسیتی بورازین نیز مانند بنزن بود، این واکنش بدون کاتالیست ممکن نبود:
B3N3H6 + 3HCl → B3N3H9Cl3
واکنش افزایشی بدون کاتالیزور رخ نمی دهد. در بورازینها حمله هسته دوستی در بور و حمله الکترون دوستی در نیتروژن رخ می دهد. گرما دادن بورازین تا C 70 هیدروژن را آزاد کرده و سبب تشکیل بسپار بورازنیل یا پلی بورازین می شود که واحدهای تکپار با تشکیل پیوندهای بور-نیتروژن نوین به صورت پارا جفت می شوند.

شکل(1-4)تشکیل بسپار بورازنیل1-6-6کاربردها:بورازین و مشتقهای آن پیشماده های مناسبی برای سرامیکهای بورنیترید هستند. بورنیترید می تواند با گرما دادن پلی بورازیلن تا C 1000 تهیه شود(42). بورازینها همچنین ماده اولیه ای برای سرامیکهای دیگر مانند بورکربونیتریدها نیز هستند(43).

شکل (1-5)تشکیل سرامیک بورکربونیترید از بورازین1-7فوق قطبش پذیریافزون بر گشتاور دوقطبی ناشی از توزیع نامتقارن بار در یک مولکول ممکن است توزیع الکترونی با وارد شدن یک فقدان الکتریکی تغییر شکل دهد. از این راه یک گشتاور دوقطبی القایی در مولکل ایجاد می شود. مطزان تاثیر گذاری میدا الکتریکی در قطبی ساختن مولکول با قطبش پذیری مولکول تعیین می شود. قطبش پذیری بنا به تعریف گشتاور دوقطبی القا شده از سوی میدان التریکی به شکل یک واحد است.
برهم کنش نور با ماده سبب تغییر وابسته به زماندر توزیع چگالی الکترونی در مولکولها می شود (قطبش). در این صورت گشتاور دوقطبی القایی به گشتاور دوقطبی ذاتیo افزوده می شود:
= o + Eloc + Eloc Eloc + ElocElocEloc +… (1-11)
در این رابطه:
Eloc = میدان الکتریکی موضعی اعمال شده به مولکول
= قطبش پذیری خطی مرتبه نخست
= فوق قطبش پذیری مربعی (نخست)مرتبه دوم
= فوق قطبش پذیری مکعبی (دوم)مرتبه سوم
قطبش پذیری اتم همسانگرد است، یعنی راستای میدان الکتریکی هرچه باشد، واپیچش یکسان است. قطبش پذیری بیشتر مولکول ها ناهمسانگرد است، یعنی بستگی به راستای میدان دارد. یعنی در راستاهای مختلف مقدارهای مختلف دارد. لذا مانند دیگر خواص ناهمسانگرد (مانند گشتاور لختی یک مولکول و رسانایی یک بلور) یک خاصیت تنسوری است.
(1-11)
و چون xy=yx،xz=zx ،yz=zy است، پس دارای شش مولفه است.
در حالی که تنها قطبش پذیری خطی در میدان های E ضعیف موثر است، سهم های ناخطی ، و .. در میدان های قوی مانند تابش لیزر آشکار می شوند. هر اثری ناشی از جمله های دوم یا بالاتر این سری را اثرهای ناخطی نامند. زیرا از جمله هایی ناشی می شود که نسبت به E ناخطی اند. آن دسته از ماده هایی رفتار نور در اثر تابش به آنها نسبت به میدان الکتریکی ناخطی است را ماده های نوری ناخطی(NLO) می نامند.
ماده های با ویژگی نوری ناخطی (NLO) توجه زیادی را به خود جلب نموده اند و برنامه های گسترده ای را در علم مواد دربرگفته اند. آنها در گستره ی پردازش پیام نورو سوییچ ها، تبدیل فرکانس های نوری و نیز ذخیره داده های نوری مواد موثری اند.
بیشترین کاربرد در دو برابر کردن فرکانس نور لیزر است. ماده های بررسی شده گستره کامل شیمی را در برمی گیرند از جامدهای معدنی مانند LiNbO3 تا گونه های آلی فلزی مانند مشتق های فروسن تامولکول های آلی.
قطبش می توان به صورت اختلاط حالت های برانگیخته بالاتر با حالت پایه در نظر گفته شود. پس یک مولکول با قطبش پذیری ناخطی بالا شرایط زیر را می تواند داشته باشد:
حالت های برانگیخته کم انرژی، برای نمونه یک شکاف اوربیتال های جبهه ای کوچک
قدرت نوسانگر بالای جهش الکترونی
تفاوت بزرگ بین گشتاور دوقطبی حالت پایه و برانگیخته نشان داده شده با حلالپوشی رنگ.
فقدان مرکز تقارن: ماده ای که مرکز تقار دارد خواص برداری نمی تواند نشان دهد. در نتیجه تمام مولفه ای تنسور فوق قطبش پذیری در گروه نقطه ای مرکز دار دار صفرند.
از سال 1987 که ماردر و همکارانش ثابت کردند که مشتق هایی از فروسن کارایی تولید هارمونیک دوم بزرگی دارند(44)(SHG) مطالعه های نظری و تجربی زیادی به درک رابطه های ساختاری و ویژگی ها و بهینه کردم خواص نوری مرتبه دوم رنگ سازهای فلز دار اختصاص یافته است(45).
دو دسته ار کمپلکس هایی که در گستره ی زیادی بررسی شده است عبارتند از:
متالوسن ها: که لیگاند به شدت با فلز جفت می شود
کمپلکس های پیریدین دار که جفت شدن ضعیفی با فلز مرکزی وجود دارد.
با این وجود طراحی کمپلکس ها نوین با فوق قطبش پذیری بالا موضوعی جذاب و رقابت برانگیز است.
متالابنزن ها طبقه ی از کمپلکس های آلی فلزی اند که فلز بخشی از یک سیستم - آروماتیک است. دو تا از شش الکترون اوربیتال های d فلزند که حول سیستم نامستقرند و پس انتظار می رود از الکترونهای d دیگر کمپلکسهای آلی فلزی قطبش پذیرتر باشند.چندین کمپلکس متالابنزن جداسازی شده اند مانند اسمابنزن ها، ایریدابنزن ها و پلاتینابنزن ها. واکنشپذیری و پایداری این کمپلکس ها به صورت نظری مطاله شده است. آروماتیسیتی کمتر متالابنزن ها نسبت به بنزن و حلقه های ناجور اتم نفش مهمی در خواص نوری ناخطی (NLO) این کمپلکس ها دارد. جایگزینی حلقه های فنیل در رنگسازهای دهنده- -پل- پذیرنده (D--A) با حلقه های ناجور اتم دار مانند تیوفن یا تیازول به صورت تجربی و نظری نشان داده است که فوق قطبش پذیری به گونه ی موثری افزاپش می یابد. این افزایش فوق قطبش پذیری توجیه می شود با:
انرژی عدم استقرار آرواتیک کمتر ناجور آروماتیک نسبت به بنزن که شکاف انرژی بین حالت پایه و حالت برانگیخته انتقال بار (CT) را کاهش می دهد.
اثرهای القایی حلقه های پر الکترون یا کم الکترون در به ترتیب دهندگی یا پذیرندگی.
چگالی الکترونی بپشتر پل.
مواد NLO آلی کاربردها خوبی در گستره هایی مانند الکترواپتیک و فوتونیک دارند(46). این مواد با میدان های الکترومغناطیس برهمکنش کرده و میدان های الکترومغناطیس نوینی ایجاد می کنند که فرکانس و فاز آنها تغییر کرده است.
فصل دوم: شیمی محاسباتی2-1مقدمهشیمی محاسباتی، پدیده های شیمیایی را بدون انجام آزمایش های تجربی امکان پذیر می کند. این روش نه تنها مولکولهای پایدار را مورد بررسی قرار می دهد بلکه مولکول هایی با طول عمر کوتاه حد واسط های ناپایدار و حتی حالت های گذار را نیز مورد بررسی قرار می دهد.همچنین از این طریق می توان اطلاعاتی راجع به مولکول ها و واکنش هایی که بررسی آن ها از طریق تجربی غیر ممکن است، بدست آورد. برای شروع یک مطالعه محاسباتی جنبه های زیادی باید در نظر گرفته شود از جمله اینکه روشهای محاسباتی باید با توجه به اندازه سیستم مورد مطالعه و خاصیت هایی که مورد نظر است انتخاب شوند.
2-2نیروهای بین مولکولیموضوع اصلی بیان نیروی بین دو مولکول توسط یک تابع انرژی پتانسیل است. در فاصله بی نهایت بین 2 اتم، هیچگونه برهمکنشی وجود ندارد و انرژی کل سیستم دو اتمی با مجموع انرژی های دو اتم مجزا برابر است.
اگر دو اتم به اندازه جزئی از هم فاصله داشته باشند، برهمکنش بین آنها بر انرژی کل سیستم تاثیر می گذارد و آن را افزایش می دهد.با توجه به متقارن بودن اتمها، انرژی برهمکنش بین آنها فقط به فاصله r بستگی دارد و مستقل از جهت گیری نسبی آنها می باشد.تغییر انرژی کل که ناشی از برهمکنش بین دو اتم است به عنوان تابع انرژی پتانسیل بین دو مولکول شناخته شده است .
بر این اساس، پتانسیل بین مولکولی عبارت است از تفاوت انرژی کل سیستم دو اتمی در جدایی بی نهایت و هنگامی که دو اتم به فاصله r از یکدیگر قرار گرفته باشند این اختلاف انرژی از لحاظ عددی با کار لازم برای آوردن دو اتم از فاصله بی نهایت به فاصله r برابر است.
2-3انواع نیروهای بین مولکولیبر اساس دانش کنونی، نیروهای بین ذره ای را می توان به چهار دسته تقسیم بندی نمود:
1-گرانشی
2-الکترومغناطیسی
3-هسته ای قوی
4-هسته ای ضعیف
نیروهای هسته ای قوی عامل ایجاد پیوند بین نوترون های و پروتون های درون هسته بوده و محدوده عملکرد آنها در حدود nm 10 می باشد.از طرف دیگر امروزه معلوم شده نیروهای هسته ای ضعیف دارای منشا الکترومغناطیسی بوده و نظیر نیروهای هسته ای دارای برد کوتاه هستند.با توجه به اینکه ابعاد مولکولی معمولا از مرتبهnm10×5 هستند لذا این نیروهای هسته ای نمی توانند مشارکت مؤثری در نیروی بین مولکولی داشته باشند. بر عکس ، نیروهای گرانشی دارای برد بسیار بلند بوده و می توانند به عنوان منبع جاذبه بین مولکولی در نظر گرفته شوند. اما از لحاظ بزرگی در حدود 10 برابر کمتر از نیروهای بین مولکولی هستند بنابراین نیروهای بین مولکولی بایستی دارای یک منشا الکترومغناطیسی باشند.منبع برهمکنش می تواند ناشی از ذرات باردار، الکترون ها و پروتون هایی که یک اتم یا مولکول را تشکیل می دهند باشد. بر اساس ماهیت مولکول های برهمکنش دهنده سه عامل ممکن است بر نیروی جاذبه بین آنها مؤثر باشد که به صورت زیر خلاصه می شوند.
2-3-1نیروهای الکترواستاتیکیمعلوم شده که بعضی از مولکول ها نظیر HCl به علت توزیع غیر یکنواخت بار الکتریکی در مولکول، دارای ممان دو قطبی دائمی می باشند. بنابراین بخشی از انرژی برهمکنش برد بلند این نوع مولکول ها از برهمکنش الکترواستاتیکی بین ممان های دو قطبی آنها ناشی می شود.به خاطر اینکه انرژی الکترواستاتیکی بین دو دوقطبی ارتباط قوی با جهت گیری نسبی آنها دارد، لذا گاهی به آن انرژی جهت گیری می گویند.
2-3-2نیروهای القاییاگر برهمکنش بین یک مولکول با گشتاور دو قطبی دائمی و یک مولکول غیر قطبی را در نظر بگیریم میدان الکتریکی مولکول دو قطبی توزیع بار الکتریکی را در مولکول دیگر تغییر داده و یک گشتاور دو قطبی القایی را در آن به وجود آورد. دو قطبی القا شده با دو قطبی القا کننده برهمکنش انجام داده و یک نیروی جاذبه تولید می شود. به هنگام برهمکنش دو مولکول قطبی این سهم القایی همزمان با سهم الکترواستاتیکی وجود دارد.
2-3-3نیروهای پراکندگیاین نیرو با ارزیابی افت و خیز در مقدار دانسیته الکترونی قابل بررسی است. این نیرو برای مولکول ها در حالت پایه همواره مقدار منفی خواهد داشت و در واقع از نوع جاذبه است که به نیروهای واندروالس معروف است. در برهمکنش دو مولکول که هیچ کدام از آن ها گشتاور دو قطبی دائمی ندارند درک منشا انرژی جاذبه ممکن است تا حدودی مشکل به نظر برسد. با این وجود می توان تصور نمود که در یک مولکول فاقد گشتاور دو قطبی دائمی، الکترون ها دارای یک حرکت پیوسته بوده و دانسیته الکترونی در مولکول به طور پیوسته در زمان و مکان در حال نوسان است. بنابراین در هر لحظه از زمان هر مولکول دارای یک دو قطبی الکتریکی لحظه ای خواهد بود. دوقطبی لحظه ای ایجاد شده در یک مولکول، یک دوقطبی لحظه ای را در مولکول دوم القا می کند. دوقطبی القا شده در مولکول دوم و دوقطبی القا کننده در مولکول اول با هم برهمکنش انجام داده و حاصل آن انرژی جاذبه ای است که انرژی پراکندگی نامیده می شود.
تعیین اندازه انرژی برهمکنش بسیار مشکل است. بنابراین روشهای مبتنی بر اندازه گیریهای تجربی نمی توانند ماهیت نیروهای بین مولکولی به درستی بیان کنند لازم است روشهای محاسباتی به کار برده شوند.
2-4روشهای مدل سازی کامپیوتری2-4-1مکانیک مولکولیدر مکانیک مولکولی از قوانین مرتبط با فیزیک کلاسیک برای پیش گویی ساختار و خواص مولکول ها استفاده می شود.بسیاری از برنامه های کامپیوتری از قبیل گوسینو هایپرکمو در بر دارنده روش های مکانیکی مولکولی بوده و این روش ها به طرق مختلف و با توجه به میدان نیروی به کار برده شده قابل استفاده هستند.لازم به ذکر است که هر میدان نیرو دارای بخش های اساسی زیر است. دسته ای از روابط ریاضی که چگونگی تغییرات انرژی پتانسیل یک مولکول را با توجه به موقعیت اتم های تشکیل دهنده آن تعیین می کنند.
مجموعه ای از پارامترها که تعیین کننده ثابت های نیرو هستند،و از طریق آن ها ارتباط بین خواص اتمی با انرژی و اطلاعات ساختاری نظیر طول پیوند و زوایای پیوندی بیان می شود.مکانیک مولکولی در انجام محاسبات ،الکترون های سیستم را به وضوح منظور ننموده و اثرات الکترونی بطور ضمنی و از طریق پارامترهای تعریف شده بررسی می شوند.از محدودیت های این روش به موارد زیر می توان اشاره نمود.
هر میدان نیروی خاص فقط برای سری محدودی از مولکول ها نتایج خوبی را بدست می دهد.در نظر گرفتن اثرات الکترونی بطور ضمنی و پارامتری باعث می شود که تخمین های مکانیک مولکولی در مسائل شیمیایی نظیر تشکیل پیوند،پیشگویی خواص شیمیایی مولکولی و برهمکنش اوربیتال های مولکولی غیر قابل استناد و ناکارآمد باشد.
2-4-2مکانیک کوانتومیمحاسبات در بردارنده خواص الکترونی،بر پایه قوانین مکانیک کوانتومی استوار است.مکانیک کوانتومی بیان می کند که انرژی و سایر خواص وابسته به آن برای یک مولکول با حل معادله شرودینگر بدست می آید:
Hᴪ =Eᴪ(1-12)
از آنجایی که برای اکثر سیستم ها،و حتی کوچکترین سیستم ها دارای تقارن کامل نیز، حل دقیق معادله شرودینگر عملی نیست،روش های مکانیک کوانتومی تقریب های ویژه ای را برای حل معادله شرودینگر به کار می برند. محاسبات مولکول ها در شیمی کوانتومی می تواند بر اساس سه روش زیر انجام گیرد:
2-5 طبقه بندی روش هاروش نیمه تجربی
روش آغازین
تئوری تابع چگالی(DFT)
2-5-1روش های نیمه تجربیدر روش های نیمه تجربی فقط از الکترون های لایه ظرفیت استفاده شده و الکترون های داخلی به صورت یک پتانسیل مرکزی، در نظر گرفته می شود. استفاده از این روش و وارد کردن پتانسیل موثر، در مواردی که مولکول مورد بررسی، شامل اتم های سنگین(نظیر فلز در برابر پیوندهای آنزیمی) باشد، از نظر زمان و هزینه مقرون به صرفه خواهد بود. در این روش فقط از اربیتال های نوع اسلیتر (STO) و مجموعه های پایه حداقل برای توصیف اربیتال های اتمی استفاده شده و برای سادگی محاسبات از بعضی پارامترهای حاصل از اندازه گیری های تجربی نیز استفاده می شود. رایج ترین روش های محاسباتی نیمه تجربی، عبارتند از: MNDO PM3 AM1، MINDO. با توجه به استفاده از پارامترهای تجربی، روش های نیمه تجربی فقط آرایش الکترونی حالت پایه را توصیف می کنند. توضیحات مفصل تر را درباره این روش می توان در منابع مختلف یافت.
2-5-2روش های آغازینعبارت Ab initio از نظر لغوی به معنای آغازین است اما در اینجا به معنای حل دقیق و بدون تقریب معادله شرودینگر است. این تعریف نشان می دهد که نتایج محاسباتی، به طور مستقیم از اصول نظری بدست می آیند و داده های تجربی و آزمایشگاهی هیچ دخالتی در آن ندارند. در حقیقت این یک تقریب در محاسبات مکانیک کوانتومی است. تقریب ها معمولا از تقریب های ریاضی نشات می گیرند مانند استفاده از یک تابع پیچیده و یا پیدا کردن جوابهای تقریبی برای یک معادله دیفرانسیلی پیچیده در یک محاسبه ab initio، نقطه آغاز یک ساختار هندسی از ملکول است که در آن ماهیت و مختصات هر یک از اتمها تعریف شده است.همچنین با توجه به اتم های موجوددر ملکول مورد نظر یک مجموعه پایه از اوربیتالهای اتمی انتخاب می شود. بنابراین در این روش بر خلاف روش های نیمه تجربی ، پارامترهای تجربی وارد محاسبات نشده و محاسبات بر قوانین مکانیک کوانتومی و برخی ثوابع فیزیکی نظیر سرعت نور، جرم وبارالکترون، بار هسته ها و ثابت پلانک استوار است.
2-5-3 تقریب هارتری- فاکپایین ترین سطح و متداول تربن نوع از محاسبات ab initio، محاسبات هارتری- فاک نامیده می شود که در آن عملگر هامیلتونی شامل دو عبارت، انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی است. تقریب اولیه در این نوع محاسبه، تقریب میدان مرکزی خودسازگار است. دافعه کلونی الکترون-الکترون با انجام انتگرال گیری از عبارت دافعه محاسبه می شود. این یک محاسبه متغیر است به این معنا که انرژی های تقریبی محاسبه شده همگی برابر یا بزرگتر از مقدار انرژی واقعی هستند. یکی از مزیت های این روش، تفکیک معادله شرودینگر به تعدادی معادله تک الکترونی است که نتیجه آن یک تابع موج تک الکترونی بوده که یک اوربیتال نامیده شده و مقدار ویژه حاصل از آن بیانگر انرژی یک اوربیتال است. تقریب دوم در محاسبات هارتری- فاک این است که یک تابع موج با تعدادی توابع ریاضی توصیف می شود. توابع استفاده شده اغلب اوقات ترکیبی خطی از اوربیتال های گوسینی است.به علت ترکیب خطی اوربیتال های اتمی انرژی محاسبه شده، بزرگتر از انرژی حدی هارتری فاک می باشد. به منظور بدست آوردن یک اوربیتال با تقارن p,s یا d توابع گوسینی در یک تابع زاویه ای ضرب می شوند و سپس این اوربیتال ها به صورت یک دترمینان اسلیتر و با در نظر گرفتن دو شرط اساسی آرایش داده می شوند. شرط اول عبارت است از اینکه، الکترون ها باید غیر قابل تمییز باشند، شرط دوم آن است که تابع موج باید نسبت به جابجایی دو الکترون نامتقارن باشند.
با وجود استفاده از یک بسط طولانی در اوربیتالهای ملکولی و رسیدن به حد نهایی هارتری-فاک، هنوز هم با نقص هایی در تابع موج که بر آمده از تقریب های معادله هارتری-فاک می باشند روبرو هستیم.دو منبع مهم خطا در معادلات اولیه وجود دارد، یکی اینکه کل تئوری بر مبنای معادله شرودینگر است که اثرات نسبیتی در آن لحاظ نشده است، حرکت الکترون های داخلی با سرعتی است که در مقایسه با سرعت نور قابل صرف نظر کردن نیست واین سهم اثرات نسبیتی و ثابت نبودن جرم را نشان می دهد.ولی از آنجائیکه اکثر تغییرات شیمیایی و بیولوژیکی مولکول مربوط به الکترون های ظرفیتی اند، این خطا معمولا ثابت بوده و مشکل بزرگی را ایجاد نمی کند. منبع خطای دوم که جدی تر و با اهمیت تر است خطای مربوط به انرژی همبستگی نامیده می شود.
2-5-3-1تئوری اختلال مولر- پلستاثرات همبستگی الکترونی را می توان به صورت یک عبارت اختلال به تابع موج هارتری- فاک اضافه نمود. این روش، تئوری اختلال مولر- پلست نامیده می شود. بر مبنای این تئوری، روش HF معادل با اختلال مرتبه اول می باشد. یک مقدارکوچک از اثرات همبستگی با استفاده از اختلال مرتبه دوم از روش مولر پلست (MP2)، در محاسبات منظور می شود. محاسبات مرتبه سوم(MP3) و مرتبه چهارم (MP4) نیز عموما مورد استفاده قرار می گیرند. اما اختلال مرتبه پنجم(MP5) و درجات بالاتر از آن به دلیل مقرون به صرفه نبودن از نظر زمان محاسباتی به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند. در تئوری اختلال، همخوانی یا عدم همخوانی نتایج انرژی محاسبه ای با مقدارواقعی، بستگی به ماهیت سیستم تحت بررسی دارد. یکی از مزیت های این روش دامنه کاربردی وسیع آن می باشد که محاسباتی با دقت را ایجاد می کند اما زمان محاسبات بسیار بالایی را نیاز دارد.
2-5-3-2روش بر همکنش های پیکربندیدر روش برهمکنش های پیکربندی برای وارد کردن اثرات همبستگی ترکیبات خطی بیشتری از حالتهای پایه و برانگیخته را در بدست آوردن تابع موج استفاده می کنند. محاسبات برهمکنش پیکربندی دارای صحت خیلی بالایی هستند. محاسبات برهمکنش پیکربندی بر اساس نحوه و تعداد حالت های برانگیخته در تشکیل هر دترمینان تقسیم بندی می شوند.
2-5-3-3روش میدان خودسازگار چند پیکربندیدر روش میدان خودسازگار چند پیکربندی در مقایسه با روش برهمکنش های پیکربندی تعداد کمتری از حالتهای برانگیخته در نظر گرفته می شود.حالتهای برانگیخته ای مدنظر هستند که سهم بیشتری را در انرژی همبستگی دارند ولی به کار بردن این روش مستلزم به کارگیری دقت زیادی در انتخاب حالتهای برانگیخته است و نتایج صحیح تری را می دهد.
2-5-4تئوری تابع چگال(DFT)تئوری تابع چگال(DFT) در سالهای اخیر شهرت زیادی پیدا کرده است. بر مبنا مشاهدات علمی نشان داده شده این روش از نظر سرعت محاسباتی پایین تر از روشهای دیگر با دقت و صحت مشابه می باشد. این تئوری نسبت به روشهای دیگر ab initio در سال های اخیر توسعه بیشتری یافته است.در این روش به منظور محاسبه انرژی یک مولکول به جای استفاده از یک تابع موج از دانسیته الکترونی استفاده می شود. از مزایای بزرگ DFT، اعمال انتگرال های دافعه کولمبی روی یک تابع سه بعدی و منظور کردن اندکی از اثرات همبستگی الکترونی در حین محاسبه می باشد. این روش از نظر محاسباتی و صحت نتایج، سریع تر و دقیق تر از روش HFمی باشد. امروزه اکثر محاسبات DFT ،با مجموعه پایهGTOبهینه شده HF انجام می شوند. البته صحت و درستی نتایج در صورت استفاده از مجموعه های پایه کوچک به میزان زیادی کاهش می یابد.از این رو با توجه به دقت وصحت نتایج، کوچکترین مجموعه پایه مورد استفاده G31-6 می باشد. با به کار بردن توابع پایه بهتری در محاسبات DFT می توان نتایج با حد دقت و صحت نتایج روش های محاسباتی MP2 بدست آورد. روش DFT به روش متعدد دیگری تقسیم می شود که ساده ترین آن روش، Xa نامیده می شود. در این روش محاسباتی اثر تعویض الکترونی در نظر گرفته می شود ولی از اثرات همبستگی الکترونی چشم پوشی می شود. در یک سری روش های ترکیبی توابع به دست آمده از روش های دیگر با اجزایی از محاسبات هارتری- فاک که معمولا انتگرال های تعویضی هستند تلفیق می شوند. عموماً روش های ترکیبی و تصحیح گرادیانی از نقطه نظر صحت و درستی بهترین نتایج را می دهند. از جمله این روشها می توان B3LYP، PBE، B3PW91،PW91 ، MPW1PW91 و ....را نام برد که روشهای ،PW91،PBE،MPW1PW91 برای محاسبات انرژی بر همکنش از نظر دقت و صحت مشابه MP2 می باشند ولی زمان محاسباتی خیلی کمتری را نیازمند هستند.
2-6مجموعه های پایهبعد از انتخاب روش محاسباتی، باید مجموعه های پایه به منظور ساختن اوربیتال های مولکولی فراگیر تعیین گردند تا روند محاسبات به مسیر مناسبی هدایت شود. این نکته باید در نظر گرفته شود که ممکن است یک روش و مجموعه پایه برای یک کاربرد، کاملاً به جا و منحصر به فرد باشد در حالیکه در سایر موارد غیر قابل استفاده باشد.اوربیتال های مولکولی ترکیب از اوربیتال های اتمی هستند که امروزه ترجیحاً مجموعه های پایه نامیده می شود. به دو طریق می توان از مجموعه پایه استفاده نمود. در روش اول اوربیتال های اتمی به عنوان توابع در نظر گرفته می شوند.در این روش از مجموعه های پایه حداقل استفاده و نتایج آن معمولاً برای مولکول های حجیم یا به منظور انجام پیش بینی های کیفی مورد استفاده قرار می گیرند. در روش دوم توابع تشکیل دهنده مجموعه پایه، شامل یک سری توابع ریاضی هستند که حداکثر انعطاف پذیری را متناسب با اوربیتال های مولکولی دارند. در این روش، مجموعه های پایه مورد استفاده از توابع گوسی تشکیل و با توجه به دقت لازم برای انجام محاسبات نوع و تعداد توابع گوسی مورد استفاده تعیین می شود. افزودن توابع قطبش پذیر و نفوذی به مجموعه های پایه یکی از راهکارهای ارتقاء و بهبود نتایج این روش محسوب می شود. همچنین استفاده از توابع پایه ظرفیتی شکافته ای، که در آن اوربیتال های ظرفیتی به دو یا سه تابع شکافته می شوند، متداول وکارساز است.به عنوان مثال در مجموعه پایه G311-6 اوربیتال های ظرفیتی به سه تابع شکافته می شوند.
2-6-1مجموعه پایه حداقلکوچکترین مجموعه های پایه، مجموعه پایه حداقل نامیده می شوند. از جمله مجموعه های پایه حداقل که بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، مجموعه پایه STO-nG است. معروف ترین مجموعه پایه حداقل، STO-3G است که ترکیب خطی از سه اوربیتال گوسینی تطبیق داده شده با یک اوربیتال اسلیتری می باشد. البته همانطور که در بخش قبل اشاره شد، مجموعه های پایه حداقل معمولاً برای مولکول های خیلی بزرگ و نتایج کیفی استفاده می شوند.
2-6-2مجموعه پایه ظرفیتی شکافتهمتداولترین مجموعه های پایه شکافته که توسط گروه پاپل مطرح شدند، عبارتند از:
7-41G, 6-311G, 6-21G, 4-22G, 6-31G, 3-21G
در 6-31GT، هر لایه مرکزی متشکل از شش تابع اولیه GTO و هر اوربیتال ظرفیتی آن با دو حالت انقباضی، یکی با سه تابع اولیه و دیگری با یک تابع اولیه گوسینی توصیف می شود. این نوع مجموعه های پایه بیشتر برای مولکول های آلی استفاده می شوند. برای اتم ها، سری پایه 3-21G برای همه اتم ها تا Xe و سری پایه 6-31G قابل کاربرد است.
برای اینکه اجازه دهیم شکل اوربیتال ها تغییر کند می توانیم سهم هایی را از اوربیتال ها با اندازه حرکت زاویه ای بالاتر در نظر آورد، به عنوان نمونه می توان از یک و دو اوربیتال d مربوط به هر اتم کربن استفاده نمود. نماد گذاری لازم برای نشان دادن این موضوع عبارت است از اضافه کردن یک حرف برای نوع اوربیتال در نظر گرفته شده در انتهای نام اختصاری ، به عنوان مثال 6-31G(2d,p) که معنی آن این است که دو اوربیتال d مربوط به اتم های سنگین و یک اوربیتال p مربوط به اتم های هیدروژن را در محاسبات وارد می کند.
2-6-3توابع پایه نفوذیتوابع پایه نفوذی، توابعی با نمادهای کوچک می باشند که شکل تابع موج را در فاصله دورتر از هسته توصیف می کنند. این نوع توابع برای آنیون های دارای توزیع دانسیته الکترونی بالا و همچنین برای برهمکنش های با دامنه بلند مورد استفاده قرار می گیرند. لازم به ذکر است که توابع نفوذی می توانند همراه با توابع پلاریزه، استفاده شده و به ایجاد سری های پایه 6-31+G و 6-31++G منتهی شوند.
2-6-4 مجموعه های پایه قطبش پذیرمجموعه پایه بهبود یافته با اضافه کردن یک یا دو علامت ستاره نظیر 6-31G**, 6-31G* مشخص می شوند. یک ستاره بیانگر این است که مجموعه ای از توابع اولیه d به اتم های غیر هیدروژنی اضافه می شود. دو ستاره مجموعه ای توابع p را به اتم های هیدروژن اضافه می کند. این نوع توابع، توابع پایه قطبش پذیر نامیده می شوند، زیرا به تابع موج قابلیت انعطاف پذیری بیشتری برای تغییرشکل می دهند.
2-7نرم افزارهای به کار رفته در این مطالعهHyperchem 8.0.3:

شکل (2-1) نمایی از نرم افزار هایپرکم.ساختار تمام مولکول های مورد نظر با استفاده از نرم افزارHyperchem 8.0.3رسم شده است.
Gaussian Viewer Version 5.0.8 :

شکل(2-2) نمایی از نرم افزار گوس ویو.برای رسم ساختارهای مورد نظر جهت اماده کردن فایل های ورودی نرم افزار محاسباتی از Gaussian Viewer Version 3.07 استفاده شده است.
Gaussian 2003 Version:

شکل (2-3) نمایی از نرم افزار گوسیین.به منظور بهینه کردن ساختارهای مورد نظر، تمامی ساختارها با استفاده از نرم افزار(48) Gaussian 2003 Version B.03با مجموعه پایه ها و سطح مناسب بهینه شده اند. مجموعه پایه 6-311G(d,p)(49.50.51) برای تما اتمها به کار رفته است. بهینه کردن ساختار کمپلکسها با استفاده از روش تابعگان چگالی B3LYPانجام شدهاست(52.53.54). آنالیز ارتعاشی نیز برای اطمینان از قرار داشتن کمپلکسها بر روی کمینه انرژی منحنی انرژی پتانسیل یعنی حالت پایه انجام شده است.
تمام داده های خروجی انرژتیک، ساختاری، ویژگی های و دیگر ویژگی ها با استفاده از این نرم افزار صورت گرفت. پس از بهینه کردن ساختارهای مورد نظر داده های طول ها و زوایای پیوندی با استفاده از نرم افزار Gaussian Viewer 3.07 خوانده شده اند. سیمای اوربیتالهای مولکولی نیز با استفاده از این نرم افزار رسم شده‌اند.
Chem Draw Version 9.0.1:

شکل (2-4) نمایی از نرم افزار کم دراو.برای رسم گرافیکی شکل تمام مولکولهای بررسی شده از نرم افزار Chem Draw Version 9.0.1 استفاده شده است.
ویژگی های سخت افزاری
تمام این نرم افزارهاتحت سیستم عامل Windows 7 Ultimateنصب شده اند. محاسبه ها با استفاده از رایانه Intel(R)Core(TM) 2Duo CPU 2.53GHzبا 4GB رم انجام شده است.
فصل سوم: بحث و نتیجه گیری3-1جنبه های پر انرژی (انرژتیک )شکل 3-1 بررسی بنزن و رنگسازهای دارای بورازین را در این پروژه - ریسرچنشان می دهد.

شکل (3-1)فرم رزونانسی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف x .جدول 3-1 محاسبه انرژی، انرژی های نسبی برای تمام مولکول ها را نمایش می دهد. انرژی نسبی نشان می‌دهد که ایزومرB پایدارتر از ایزومر N در تمام گونه ها ست.
جدول (3-1) انرژی مطلق(هارتری)انرژی نسبی(E)ثابت هامت آنها (p)گشتاور دوقطبی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف .xE(N) E(B) E p tot(N) tot(B)
H -551.2612 -551.2867 16.0114 0.00 1.6170 1.1312
F -650.5254 -650.5510 16.0681 0.15 1.5716 0.3888
Cl -1010.883 -1010.9086 15.7131 0.24 2.0451 1.0524
Br -3124.8041 -3124.8291 15.6812 0.23 1.9662 0.9264
OH -626.5042 -626.5308 16.7007 -0.38 3.2086 2.2789
NH2 -606.6340 -606.6614 17.1915 -0.57 3.8899 3.8318
Me -590.5887 -590.6147 16.2763 -0.14 1.9659 1.7426
CN -643.5280 -643.5516 14.8121 0.70 5.2518 4.3900
CF3 -888.4017 -888.4258 15.1485 0.53 5.2419 2.4079
CHO -664.6178 -664.6416 14.9093 - 4.3992 2.9788
COOH -739.8939 -739.9179 15.1083 0.44 3.0916 1.5469
NO2 -755.8200 -755.8431 14.4770 0.81 5.6899 4.6521
یک رابطه خطی خوب بین مقادیر انرژی های نسبی همراه با ثابت هامت آنها((p) ( ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>March</Author><Year>1985</Year><RecNum>82</RecNum><DisplayText><style face="superscript">19</style></DisplayText><record><rec-number>82</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="xafwx29p8rax5cefev2vfv0w5d5fedpzzwwv">82</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>J. March </author></authors></contributors><titles><title>Advanced Organic Chemistry</title></titles><edition>3rd ed</edition><section>244</section><dates><year>1985</year></dates><pub-location>New York </pub-location><publisher>John Wiley &amp; Sons</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>19 وجود دارد (شکل 3-2)

شکل (3-2) رابطه انرژی نسبی با ثابت هامت آنها (p).3-2گشتاور دو قطبیمقادیر گشتاور دو قطبی در جدول 1-1 جمع آوری شده است. در حال حاضر مقادیر ایزومر N گشتاور دو قطبی بیشتری از ایزومرB دارند. ارتباط خوبی بین و ثابت هامت آنها (p) نشان داده شده. شکل 3-3 را ببینید.

شکل (3-3) رابطه گشتاور دوقطبی با ثابت هامت(p).3-3قطبش پذیری قطبش پذیری واکنش یک سیستم در میدان الکتریکی اعمال شده را توصیف می کند(20).آن ها نه تنها قدرت فعل و انفعالات مولکولی را تعیین می کنند(21) (همانند القا بلند مدت بین مولکولی، نیروهای پراکندگی و غیره.) بلکه به عنوان مقطع پراکندگی های مختلف و فرایندهای برخورد و همچنین خواص نوری غیر خطی سیستم را تعیین می کند.
قطبش همسانگرد<α> به عنوان مقدار متوسط در معادله زیر محاسبه می شود:
(3-1)
و قطبش پذیری ناهمسانگردی هست:
Δα=(αXX- αYY)2+(αYY- αZZ)2+(αZZ- αXX)2212(3-2)
محاسبه مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد نشان می دهد این مقادیر در کمپلکس های پایدار کاهش می یابد، همان طور که انتظار می رود از اصول حداقل انرژی و حداقل قطبش پذیری در اکثر موارد (به جز OH، NH2 = x ، جدول(3-2))(22).
جدول (3-2)قطبش همسانگرد و نا همسانگرد رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
xx yy zz <>
H 255.71 146.88 69.02 157.21 162.42
F 257.31 146.22 69.06 157.53 163.91
Cl 298.59 150.04 72.49 173.71 199.00
Br 314.96 153.43 75.96 181.45 211.20
OH 278.63 149.43 70.21 166.09 182.22
NH2 304.09 152.91 72.38 176.47 203.75
ME 289.33 155.58 78.54 174.49 184.74
CN 317.68 150.19 75.19 181.03 215.03
CF3 278.75 153.74 79.25 170.59 174.61
CHO 310.82 158.57 74.32 181.24 207.62
COOH 312.53 160.04 75.68 182.75 207.93
NO2 307.25 160.32 74.23 180.60 204.08
N-isomer
X xx yy zz <>
H 260.78 139.70 73.94 158.14 164.16
F 260.85 139.05 74.10 158.00 164.22
Cl 304.18 144.03 76.04 174.75 202.87
Br 320.34 147.51 79.45 182.44 215.10
OH 277.67 141.71 76.15 165.18 178.03
NH2 297.11 144.44 79.75 173.77 193.31
ME 292.30 148.75 83.39 174.82 185.10
CN 335.43 147.45 74.20 185.70 233.39
CF3 292.31 150.50 78.86 173.90 188.15
CHO 331.83 155.85 73.32 187.01 228.70
COOH 330.59 156.57 75.49 187.56 225.76
NO2 334.72 158.12 72.08 188.31 231.91
از سوی دیگر یک ارتباط خوب بین مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد با مقادیر نسبی انرژی وجود دارد.(شکل 3-4)

شکل (3-4)رابطه قطبش همسانگرد و نا همسانگرد (iso)N-isomer-(iso)B-isomer and(aniso)N-isomer-(aniso)B-isomer با ثابت هامت(p).3-4آنالیز اوربیتال جبهه اییک ویژگی جالب برای این مولکول ها شکاف انرژی Eg بین بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده(HOMO) و کمترین اوربیتال مولکولی خالی (LUMO)است. شکاف انرژی به عنوان بازتابی از فعالیت های شیمیایی مولکول در نظر گرفته شده است. مقادیر انرژی اوربیتال جبهه ای در جدول 3-3 جمع آوری شده است.
جدول (3-3)انرژی اوربیتال جبهه ای (هارتری) انرژی شکاف (E) و سختی (S)و پتانسیل شیمیایی رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
HOMO LUMO E S
H -0.2307 -0.0586 4.6814 2.3407 0.2136 -3.9372 3.3113
F -0.2316 -0.0606 4.6529 2.3264 0.2149 -3.9773 3.3999
Cl -0.2345 -0.0670 4.5582 2.2791 0.2193 -4.1036 3.6944
Br -0.2333 -0.0673 4.5193 2.2596 0.2212 -4.0909 3.7032
OH -0.2158 -0.0514 4.4735 2.2367 0.2235 -3.6357 2.9548
NH2 -0.2004 -0.0451 4.2273 2.1136 0.2365 -3.3414 2.6412
ME -0.2242 -0.0553 4.5965 2.2982 0.2175 -3.8044 3.1488
CN -0.2483 -0.0873 4.3799 2.1899 0.2283 -4.5666 4.7612
CF3 -0.2460 -0.0758 4.6327 2.3163 0.2158 -4.3801 4.1412
CHO -0.2444 -0.0893 4.2194 2.1097 0.2369 -4.5416 4.8884
COOH -0.2418 -0.0813 4.3685 2.1842 0.2289 -4.3973 4.4264
NO2 -0.2545 -0.1051 4.0651 2.0325 0.2459 -4.8930 5.8895
N-isomer
HOMO LUMO E S
H -0.2092 -0.0381 4.6550 2.3275 0.2148 -3.3653 2.4330
F -0.2109 -0.0401 4.6477 2.3238 0.21515 -3.4161 2.5109
Cl -0.2140 -0.0471 4.5407 2.2703 0.2202 -3.5542 2.7820
Br -0.2135 -0.0475 4.5171 2.2585 0.2213 -3.5516 2.7925
OH -0.1976 -0.0312 4.5255 2.2627 0.2209 -3.1142 2.1430
NH2 -0.1853 -0.0256 4.3456 2.1728 0.2301 -2.8719 1.8979
ME -0.2041 -0.0351 4.5968 2.2984 0.2175 -3.2554 2.3054
CN -0.2252 -0.0695 4.2360 2.1180 0.2360 -4.0116 3.7991
CF3 -0.2223 -0.0569 4.5007 2.2503 0.2221 -3.8009 3.2098
CHO -0.2212 -0.0735 4.0202 2.0101 0.2487 -4.0109 4.0017
COOH -0.2188 -0.0645 4.1990 2.0995 0.2381 -3.8562 3.5415
NO2 -0.2301 -0.0918 3.7628 1.8814 0.2657 -4.3816 5.1021
این مقادیر نشان می دهند مقادیر انرژی HOMOو LUMO در استخلاف های مولکولی کاهش می یابد، به جز OH,NH2،Me = x. همچنین این مقادیر درایزومر پایدارتر کاهش می یابد. شکل 3-5رابطه خطی بین انرژی اوربیتال مرزی و مقادیر ثابت هامت را ارائه می دهد.

شکل (3-5)رابطه اوربیتال جبهه ای با انرژی نسبی.جدول 3-3 شکاف HOMO-LUMO تمامی ساختارها را نمایش می دهد. این مقادیر جایگزینی از علل کاهش شکاف انرژی را از سوی دیگر محاسبات شکاف مقادیری را نشان می دهد، که این مقادیر افزایش پیدا می کند در ایزومر پایدارتر، همانطور که انتظار می رود از اصول انرژی حداقل و حداکثر سختی در اکثر موارد انتظاری می رود (به جز OH، NH2 = x و جدول 3-3) ارتباط خوبی در میان مقادیر سختی نسبی با مقادیر ثابت وجود دارد. (شکل3-6)

شکل (3-6)رابطه بین مقادیر سختی و ثابت هامت (به جز OH,Me,NH2 )به منظور ارزیابی پتانسیل شیمیایی ()از این کمپلکس ها، این مقایر را می توان از انرژی های اوربیتال HOMOو LUMO با استفاده از بیان تقریبی زیر محاسبه کرد(23)و(24):
=(HOMO + LUMO)/2
این مقادیر نشان می دهد که ایزومر پایدارتر دارای پتانسیل شیمیایی کمتری است.
برای محاسبه الکترو فیلیسیتی از این کمپلکس ها، شاخص، با استفاده از عبارت زیر محاسبه می شود:
ω=μ22ηمقادیر شاخص الکترو فیلیسیتی در جدول 3-3 نشان می دهد ایزومر پایدارتر بزرگترین الکترو فیلیسیتی را دارد.
3-5تجزیه و تحلیل ساختاریشکل هندسی بهینه سازی شده رنگسازی های دارای بورازین مورد مطالعه در کار با برچسب زدن اتم در شکل3-1 نشان داده شده است. همه مولکول های مورد مطالعه اساساً غیر مسطح هستند. جدول 3-4 نشان می دهد داده های ساختاری انتخاب شده برای ساختارهای بهینه شده با گروه های مختلف x.
این مقادیر نشان می دهد که باندهای C1C2، C3C4، C5C6 بلندتر هستند در حالی که باندهای B1N2 و B3N3 کوتاه ترند. این تغییرات در طول باند نشان می دهد سهم بیشتر ساختار رزونانسی یونی ناآروماتیک را نشان می دهد.
جدول (3-4)حداکثر طول موج جذب شده(max)،قدرت نوسانگر رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xB-isomer
X B1 N1 N1B2 B2N2 N2B3 B3N3 N3B1 B1C2’ C1’C2’ C1’C1 C1C2 C2C3 C3C4 C4C5 C5C6 C6C1
H 1.439 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.559 1.345 1.469 1.404 1.391 1.392 1.396 1.388 1.406
F 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.559 1.345 1.469 1.404 1.391 1.385 1.389 1.387 1.406
Cl 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.560 1.345 1.469 1.403 1.391 1.389 1.393 1.387 1.405
Br 1.438 1.428 1.429 1.430 1.427 1.438 1.560 1.345 1.469 1.403 1.391 1.390 1.394 1.388 1.405
OH 1.440 1.427 1.430 1.430 1.426 1.440 1.557 1.346 1.466 1.402 1.390 1.395 1.400 1.384 1.408
NH2 1441 1.426 1.430 1.431 1.425 1.441 1.555 1.348 1.463 1.405 1.387 1.403 1.407 1.383 1.407
ME 1.439 1.427 1.429 1.430 1.426 1.439 1.558 1.346 1.468 1.402 1.392 1.396 1.403 1.386 1.406
CN 1.436 1.429 1.429 1.430 1.428 1.436 1.563 1.345 1.469 1.405 1.387 1.401 1.405 1.384 1.406
CF3 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.344 1.470 1.403 1.390 1.393 1.398 1.385 1.406
CHO 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.345 1.468 1.405 1.389 1.397 1.403 1.382 1.410
COOH 1.437 1.429 1.429 1.430 1.428 1.437 1.562 1.345 1.469 1.405 1.388 1.398 1.401 1.384 1.407
NO2 1.436 1.480 1.429 1.430 1.429 1.436 1.564 1.345 1.469 1.406 1.388 1.390 1.393 1.388 1.407
N-isomer
X N1 B1 B1N2 N2B2 B2N3 N3B3 B3N1 N1C2’ C1’C2’ C1’C1 C1C2 C2C3 C3C4 C4C5 C5C6 C6C1
H 1.445 1.424 1.428 1.429 1.425 1.447 1.417 1.340 1.468 1.405 1.391 1.393 1.395 1.389 1.406
F 1.445 1.424 1.428 1.429 1.425 1.447 1.417 1.340 1.468 1.405 1.391 1.385 1.388 1.389 1.406
Cl 1.446 1.423 1.428 1.429 1.424 1.448 1.415 1.341 1.466 1.405 1.390 1.389 1.392 1.388 1.406
Br 1.446 1.423 1.428 1.429 1.424 1.448 1.415 1.341 1.466 1.405 1.391 1.390 1.392 1.389 1.406
OH 1.444 1.425 1.428 1.428 1.426 1.446 1.420 1.340 1.467 1.403 1.391 1.394 1.398 1.386 1.408
NH2 1.443 1.425 1.428 1.428 1.427 1.445 1.421 1.340 1.466 1.404 1.388 1.402 1.404 1.386 1.406
ME 1.444 1.425 1.428 1.429 1.425 1.446 1.418 1.340 1.467 1.402 1.392 1.396 1.402 1.387 1.407
CN 1.448 1.422 1.428 1.430 1.422 1.450 1.411 1.343 1.463 1.407 1.386 1.402 1.405 1.384 1.409
CF3 1.447 1.423 1.428 1.430 1.423 1.449 1.413 1.342 1.465 1.405 1.389 1.393 1.397 1.386 1.408
CHO 1.448 1.422 1.428 1.430 1.423 1.450 1.412 1.343 1.462 1.407 1.388 1.397 1.404 1.381 1.413
COOH 1.447 1.423 1.428 1.430 1.423 1.449 1.413 1.342 1.464 1.407 1.387 1.398 1.401 1.383 1.409
NO2 1.449 1.422 1.428 1.430 1.422 1.451 1.410 1.343 1.462 1.409 1.386 1.391 1.394 1.384 1.410
3-6طیف های الکترونیشدیدترین انتقال الکترونی (max) از مولکولها را یافتیم. طول موج، مقاومت نوسانگر، ترکیب انتقالات توسط محاسبات TD-DFT به دست آمده در جدول 3-5داده شده است. این محاسبات نشان دهنده کاهش max در ایزومر B هست.
جدول (3-5)مقادیر اجزا و tot(10-30 esu) رنگسازهای دارای بورازین با گروه های مختلف xN-isomer B-isomer
Character max f max F
H HOMOLUMO 286.95 0.6877 277.81 0.8117
F HOMOLUMO 288.60 0.5803 279.87 0.7579
Cl HOMOLUMO 294.37 0.7667 286.60 0.8986
Br HOMOLUMO 296.29 0.8082 290.02 0.9224
OH HOMOLUMO 296.39 0.5979 290.45 0.8057
NH2 HOMOLUMO 308.24 0.6218 306.66 0.8390
ME HOMOLUMO 290.82 0.7622 283.37 0.9175
CN HOMOLUMO 309.30 0.9708 295.71 0.9774
CF3 HOMOLUMO 294.60 0.8166 281.36 0.8660
CHO HOMOLUMO 323.59 0.9312 306.52 0.9179
COOH HOMOLUMO 313.42 0.9459 298.05 0.9504
NO2 HOMOLUMO 352.16 0.6839 326.03 0.6617
یک ارتباط خوب بین pوmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) وجود دارد برای تمامی استخلاف ها، به جز Br و CN و Cl = x (شکل 3-7) شدیدترین انتقال الکترونی برای همه مولکول ها به انتقالات HOMO-LUMO نسبت داده می شود.

شکل (3-7)رابطه بینmax(=max, N-isomer -max, B-isomer) و ثابت هامت(p)،به جز (Cl, CN, Br).3-7فوق قطبش پذیریاولین مقادیر فوق قطبش پذیری استاتیک(tot) برای همه مولکول ها در جدول 3-6 نشان داده شده است.
جدول (3-6) اجزاء و مقادیر tot(10-30 esu) برای رنگسازهای دارای بورازین با گروهای مختلف X-B-isomer
X H F Cl Br Me NH2 CN COOH CHO NO2 CF3 OH
βXXX 27.92 26.61 21.49 20.99 29.33 57.02 15.42 4.93 68.14 3.67 10.33 48.85
βXXY -9.91 -13.85 -11.08 -10.08 -33.26 -24.01 -6.88 -1.79 -25.08 -4.08 -7.31 -21.73
βXYY 4.12 1.54 -0.66 0.10 10.95 7.76 -1.39 3.56 14.93 3.49 1.20 4.83
βYYY 4.43 7.11 10.78 9.09 16.90 10.21 7.00 0.90 -5.81 3.09 3.94 3.26
βXXZ -42.46 -46.68 -19.80 -7.01 -63.98 -78.85 -6.25 20.84 -24.35 22.80 0.61 -65.60
βXYZ 22.02 30.45 21.38 13.69 22.40 35.23 14.20 0.84 23.86 -1.27 14.17 39.39
βYYZ 17.17 21.99 33.30 37.40 -13.14 32.28 43.58 47.38 30.67 47.21 41.22 24.84
βXZZ -73.27 -125.84 -127.38 -144.89 -119.27 -341.15 49.14 127.63 158.15 247.97 -0.65 -214.01
βYZZ 44.32 74.29 86.67 94.46 76.66 298.37 -25.12 -83.97 -92.64 -156.04 -0.49 96.98
βZZZ 702.19 1222.74 1411.03 1642.97 1291.75 3344.65 -265.34 -959.81 -1360.79 -2515.21 192.77 2159.49
βtot 5.87E-30 1.04E-29 1.24E-29 1.45E-29 1.05E-29 2.87E-29 2.06E-30 7.83E-30 1.19E-29 2.13E-29 2.03E-30 1.84E-29
βtot10-30 5.87 10.4 12.36 14.52 10.53 28.7 2.06 7.83 11.93 21.28 2.03 18.37
X H F Cl Br Me NH2 CN COOH CHO NO2 CF3 OH
βXXX 247.31 -62.44 -70.46 -71.57 -72.78 -52.44 -78.01 -84.23 -28.74 -83.25 -73.97 -54.15
βXXY 56.14 1.42 8.41 10.24 -10.93 0.55 19.91 25.08 1.05 23.13 18.90 -7.18
βXYY -118.15 6.78 -0.60 -1.83 14.06 10.16 -6.89 -4.92 5.59 -2.67 -7.83 9.90
βYYY 10.69 1.80 9.41 11.30 14.80 10.00 4.63 1.12 -4.83 2.69 5.99 1.17
βXXZ -16.83 130.47 168.08 183.09 121.68 124.45 205.88 231.36 196.48 2.22 191.36 124.20
βXYZ 55.60 32.42 15.30 6.60 15.46 46.48 -19.69 -35.69 -19.04 -47.56 -14.32 48.57
βYYZ -4.49 -3.04 16.05 20.13 -32.96 -17.82 33.65 33.20 21.67 41.72 31.66 -9.35
βXZZ -24.05 -10.19 13.26 10.97 -1.53 -104.13 152.54 207.31 219.93 324.39 81.17 -56.11
βYZZ 1.08 10.43 -1.62 -0.20 1.07 172.54 -117.38 -169.26 -174.82 -266.02 -73.68 27.66
βZZZ 7.03 234.41 79.71 157.52 59.52 1848.99 -2007.88 -2856.46 -3397.78 -5040.28 -1030.40 979.37
βtot 1.09E-30 3.18E-30 2.34E-30 3.17E-30 1.38E-30 1.70E-29 1.53E-29 2.25E-29 2.76E-29 4.33E-29 6.99E-30 9.50E-30
βtot10-30 1.09 3.18 2.34 3.17 1.38 17.02 15.31 22.45 27.57 43.27 6.99 9.5
N-isomer
نتایج نشان می دهد که بزرگی اولین تنسور فوق قطبش پذیری همه مولکول ها نسبتاً متوسط است و NO2 و NH2 بیشترین مقدار ایزومر N و B را به ترتیب دارند. همچنین این مقادیر نشان می دهد اولین مقدار فوق قطبش پذیری ایزومر بیشتر از ایزومر B با خروج استخلافات هستند. از سوی دیگر این مقادیر ایزومر N کمتر از ایزومر β با استخلافات دهنده هستند.
یک ارتباط خوب بین tot و max در ایزومر N برای همه استخلافات نشان داده شده است (شکل 3-8). اما ارتباط مشابهی در ایزومر B برای استخلاف های دهنده و خارج کردن استخلاف ها وجود دارد.

شکل (3-8)رابطه بین اولین قطبش پذیری(tot) و max.
نتیجه کلی:مطالعه خواص الکتریکی، ساختاری، اسپکتروسکوپی و همچنین به عنوان اولین فوق قطبش پذیری استاتیک رنگسازها دارای بورازین نشان داد پایداری ایزومر B از گونه N بیشتر است. کاهش مقادیر قطبش همسانگرد و ناهمسانگرد و افزایش مقادیر شکاف HOMO-LUMO در کمپلکس های پایدار ناسازگار با اصول انرژی حداقل و قطبش حداقل در اکثر موارد بود (به جز OH،NH2 = x).
محاسبات نشان داد که شدیدترین جهش الکترونی با توجه به انتقال HOMOLUMO در همه مولکول هاست.
مطالعات تئوری نشان داد استخلاف های گیرنده (پذیرنده) باعث افزایش مقادیر اولین فوق قطبش پذیری در ایزومر N نسبت به ایزومر B می باشد، این مقادیر در ایزومر N کمتر از ایزومر B با استخلاف دهنده است.

کارهای آیندهبر اساس مطالعه انجام شده و نتیجه های به دست آمده می توان کارهای زیر را در ادامه این مطالعه پیشنهاد نمود:
بررسی اثر نوع مجموعه پایه،روش محاسباتی بر روی ساختارهای مورد نظر.
بررسی اثر حلال بر روی خواص و ساختار گونه های بررسی شده.
بررسی ساختارو خواص دیگر رنگسازهای دارای حلقه آروماتیک معدنی.
بررسی اثر طول زنجیر کربن-کربنی بر روی ساختار و خواص رنگساز.

مراجع ADDIN EN.REFLIST (1) C. D.Dimitrakopolous,; P.Malenfant, Adv. Mater.14(2002)pp 99-114.
(2) D. R.Kanis,; M. A.Ratner,; T. J.Marks, Journal of Organometallic Chemistry 614–615 (2000) pp 309–313(3) P. J.Mendes,; T. J. L.Silva,; A. J. P.Carvalho,; J. P. P.Ramalho, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM (2010)pp 33–42.(4) D.Avcı,; A.Basoglu,; YAtalay, Struct Chem (2010)pp227-234.(5) M.Medved,; S.Budzák,; I. Cernušák, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM ,961 (2010),pp194-201.
(6) W.Bartkowiak,; K.Strasburger, Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 960 (2010) pp 93–97 .
(7) Souza, L. A. D.; Jr., A. M. D. S.; Junqueira, G. M. A.; Carvalho, A. C. M.; Santos, H. F. D. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM (2010), 92-101.(8) A.Karton,; M. A.Iron,; M. E. v. d.Boom,; J. M. LMartin,. J. Phys. Chem. A (2005)pp109-113.
(9) P. C.Ray, Chemical Physics Letters (2004)pp, 354-359.(10) A.Hameed,; A.Rybarczyk-Pirek,; J.Zakrzewski, Journal of Organometallic Chemistry (2002)pp 315-317.
(11) M. J.Frisch,; G. W.Trucks,; H. B.Schlegel,; G. E.Scuseria,; M. A.Robb,; J. R.Cheeseman, Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, (2003).(12) J. S.Dewar, M.; C. H.Reynolds, J. Comp. Chem.(1986),pp141-146.(13) K.Raghavachari,; J. A.Pople,; E. S.Replogle,; M.Head-Gordon, J. Phys. Chem. A (1990)pp 94-101.(14) A. D.McLean,; G. S.Chandler, J. Chem. Phys. (1980)pp 72-77.(15) R.Krishnan,; J. S.Binkley, R.Seeger, J. A.Pople, J. Chem. Phys. (1980)pp645- 650.(16) A. D.Becke, J. Chem. Phys (1993)pp 98-104.(17) D. A.Keleiman, Phy. Rev. (1962) pp 126-129.
(18) E.Runge, E. K. UGross,. Phys. Rev. Lett. (1984)pp 52-59.(19) J.March, Advanced Organic Chemistry; 3rd ed ed.; John Wiley & Sons: New York 1985.(20) C. R.Zhang,; H. S.Chen,; G. H.Wang, Chem. Res. Chinese (2004)pp 20-28.(21) Cheng, H.; Feng, J.; Ren, A.; Liu, J. Acta Chim. Sin. 2002, 60, 830.(22) Roy, D. R.; Chattaraj, P. K. r. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 1612.(23) Pearson, R. G. Chemical Hardness; Wiley-VCH: Oxford, 1997.(24) Parr, R. G.; Yang, W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford University Press: New York, 1989.(25) M. Hofmann, P.v.R. Schleyer, Inorg. Chem. 1999, 38, 652; (b) M. Unverzagt, H.J. Winkler, M.Brock, M. Hofmann, P.v.R. Schleyer, W. Massa, A. Berndt, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1997, 36, 853.(26)P . von R. Schleyer, C. Maerker, A. Dransfeld, H. Jiao, N. J. R. Van Eikema-Hommes, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 6317.
(27)K.Michatl .Cyrañski, M.Tadeusz. Krygowski, M. Wisiorowski, Nicolaas J. R. van Eikema Hommes, Paul von Ragué Schleyer, Angewandte Chemie internl. Ed., (1998) pp 37-41.
(28) P. Von, R. Schleyer, H. Jiao, N. J. R. Van Eikema-Hommes, V. G.Malkin, O. L. Malkina, J. Am. Chem. Soc. (1997)pp 119-224.
(29)C. Corminboeuf, Th. Heine, G.Seifert, P.von Ragué Schleyer and Jacques Weber,  Phys. Chem. Chem. Phys., (2004)pp 273-284.
(30) C. Corminboeuf, Th. Heine, G.Seifert, P.von Ragué Schleyer and Jacques Weber,  Phys. Chem. Chem. Phys., (2004)pp 273-284.
(31) C R. Miao, G. Yang, C. Zhao, J. Hong, L. Zhu, J. Mol. Struct.:(THEOCHEM), (2005)pp 715-722.
(32)V. G.Malkin,; O. L.Malkina, L. A.Eriksson,; D. R. Salahub, J .Am. Chem. Soc. (1994)pp 116-124.
(33) (a)W. H. Flygare, Chem. Rev. 1974, 74, 653. (b)D. H. Hutter, W. H. Flygare, Top. Curr. Chem. (1976)pp 63-69.
(34) T. A. R. FKeith,. W. Bader, Chem. Phys. Lett. (1993)pp 210-223.
(35) H. J. Dauben, Jr., J. D.Wilson, J. L. Laity, J. Am. Chem. Soc. (1968)pp 90-95.
(36) The delocalization index is a measure of the number of electrons that are shared or exchanged between two atoms or basins. Integration of the Fermi hole density leads to the localization index (LI) and delocalization index. For more information see F--era, X.; Austen, M. A.; Bader, R. F. W.; J. Phys. Chem. A 1999, 103, 304; Merino, G.; Vela, A.; Heine, T.; Chem. Rev. (2005)pp 105-114.
(37) (a)R. W. F. Bader. Atoms in molecules: A quantum Theory; Claredon: Oxford, 1990.(b) R. W. F. Bader. Acc. Chem. Res. 1985,18, 9.(c) R. W. F. Bader. Chem. Rev. (1991)pp 91-98.
(38)J.Poater,; Solà, M., Duran, M.; F--era, X.; J. Chem.Phys.A (2001)pp 105-111.
(39) J.Poater,; X.F--era,; M.Duran,; M.Solà,; Chem. Eur. J. (2003)pp 422-426.
(40)density, degeneracy and delocalization-bases index of aromaticity
Caio L. Firme, Sergio E. Galembeck, O. A. C. Antunesa and Pierre M. Esteves J. Braz. Chem. Soc., (2007)pp 18-24.
(41)(a) P.v.R. Schleyer. Chem. Rev 2001,101,1115.(b)T.M. Krygowski, B. T. Stepiern, Chem. Rev., (2005) pp105-109.
(42)Stock A., Pohland E (1926). "Boric acid solution, VIII Regarding knowledge of B2H6 and B5H11".HYPERLINK "http://en.wikipedia.org/wiki/Berichte"Berichte (59): 2210–2215.
(43)Polymeric precursors to boron based ceramics Larry G. Sneddon, Mario G. L. Mirabelli, Anne T. Lynch, Paul J. Fazen, Kai Su, and Jeffrey S. Beckdon, Pure & Appl. Chem., 63, (1991)pp 407-413.
(44)Jong-Kyu Jeon, Yuko Uchimaru, and Dong-Pyo Kim Inorg. Chem., 43 ,(2004)pp 479-488.
(45)M. L. H.Green,; S. R.Marder,; M. E.Thompson,; J. A.Bandy,;Bloor, D.; P. V.Kolinsky,; R. J. Jones, Nature (London) (1987)pp 360-362.
(46)A. Karton, A.Mark Iron, E.Milko. van der Boom,* and Jan M. L. M J. Phys. Chem. A 2005, 109, 5454-5462, and references in it
(47) R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 2nd ed.; Academic Press: SanDiego, CA, 2003.(53) Dalton, L. R. J. Phys.: Condens. Matter 2003, 15, R897-R934.(54) van der Boom, M. E. Angew. Chem., Int. Ed. 2002, 41, 3363-3366.(55) van der Boom, M. E.; Marks, T. J. Layer-by-Layer Assembly of
Molecular Materials for Electrooptical Applications. In Polymers forMicroelectronics and Nanoelectronics; Lin, Q., Ed.; ACS Symposium Series
874; American Chemical Society: Washington, DC, 2004; pp 30-43.
(48)risch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A.; Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Cioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, Revision B.03; Gaussian, Inc., Pittsburgh PA,: 2003.
(49)R. Ditchfield, W. J. Hehre, J. A. Pople, J. Chem. Phys 54 (1971) pp 724-733.
(50)P. C. Hariharan, J. A. Pople, Mol. Phys 27 (1974) 209-212.
(51)M. S. Gordon, Chem. Phys. Lett. 76 (1980) pp 163-175.
(52) C. C. J. Roothan, "New Developments in Molecular Orbital Theory," Rev. Mod.Phys. 23, (1951).pp69-77.(53) J. A. Pople and R. K. Nesbet, "Self-Consistent Orbitals for Radicals," J. Chem. Phys. 22, (1954) pp571-584.
(54) R. McWeeny and G. Dierksen, J. Chem. Phys., (1968)pp49-56.

نمونههایی از فایلهای ورودی فایل ورودی برای بهینه کردن ساختار و محاسبه فرکانسهای ارتعاشی و فوق قطبش پذیری
%chk=o1-OH.chk
%mem=6MW
%nproc=1
# rb3lyp/6-311g(d,p) opt freq
Title Card Required
0 1


B
N 1 B1
B 2 B2 1 A1
N 3 B3 2 A2 1 D1 0
B 4 B4 3 A3 2 D2 0
N 1 B5 2 A4 3 D3 0
H 1 B6 2 A5 3 D4 0
H 2 B7 1 A6 6 D5 0
H 3 B8 2 A7 1 D6 0
H 4 B9 3 A8 2 D7 0
H 5 B10 4 A9 3 D8 0
C 6 B11 1 A10 2 D9 0
H 12 B12 6 A11 1 D10 0
C 12 B13 6 A12 1 D11 0
H 14 B14 12 A13 6 D12 0
C 14 B15 12 A14 6 D13 0
C 16 B16 14 A15 12 D14 0