Neutronengenerator

Grundlagen:
Ein statischer Beschleuniger arbeitet wie der Name schon sagt mit statischen, meist elektrischen Feldern zur Beschleunigung von Teilchen. Die maximale Energie der beschleunigten Teilchen entspricht der an die Struktur angelegten Spannung. Damit ist auch schon die Grenze der Energie gegeben da es technologisch nicht möglich ist Spannungen von mehr als einígen Megavolt zu beherrschen.
Im folgendem Versuch werden aber noch deutlich kleinere Brötchen gebacken, die Spannungen liegen bei 100 bis 200 Kilovolt. Beschleunigt werden sollen Deutronen, also Ionen des schweren Wasserstoff, da diese Teilchen besonders leicht ein Neutron abgeben, und damit im Targetmaterial Kernreaktionen auslösen können.

Aufbau:
Im Wesentlichen besteht ein Beschleuniger aus einer Ionenquelle, der Beschleunigungsstrecke und dem Target. Als Ionenquelle wurde ein >Kanalstrahlrohr< verwendet, das aber durch Entfernen des Anodenrohres und Anbringen einer Spule einfach in eine >HF-Ionenquelle< verwandelt werden kann. Das Quarzrohr für die Quelle mit der Elektrodeneinschmelzung wurde durch Absägen einer Röhrenlampe (aus Fotokopierer) gewonnen. Die Anode besteht aus einem Aluröhrchen das mit der Elektrode verbunden ist. Die Anode wird über 100 Megaohm mit dem positiven Pol einer 25 kV Quelle verbunden. Der negative Pol ist geerdet und somit mit der Kathode, dem Kanalröhrchen verbunden.
Das Kanalröhrchen mit 1,5 mm Durchmesser sitzt in einem T-Flansch dessen Abzweigung zur Pumpe führt, ein Fenster im T-Stück erlaubt die Beobachtung des Ionenstrahls direkt nach der Quelle. Über eine Kupferkapillare wird der Quelle das Betriebsgas zugeführt. An der rechten Seite des T-Stücks ist das Beschleunigungsrohr aus Glas angeflanscht, an dessen anderem Ende für die ersten Versuche ein Fenster aus Glas sitzt. Der rechte Endflansch wird über ein Strommessgerät mit der Erde verbunden.

Das folgende Bild zeigt die Ionenquelle im Betrieb. Das Betriebsgas ist Luft. Die Spannung an der Ionenquelle beträgt 16,5 kV bei einem Strom von 60 µA. Während das Ionenbündel nach dem Kanal noch relativ scharf begrenzt ist breitet sich es in dem Beschleunigungsrohr aus und füllt nach circa 10 cm den gesamten Rohrdurchmesser mit diffusem Leuchten. Am rechten Flansch kann ein Ionenstrom von 4,2 µA gemessen werden. Dieser Wert ist aber sicher zu groß, da von den Ionen ausgelöste Sekundärelektronen das Target verlassen und den Gesamtstrom vergrößern. Der Druck vor der Kupferkapillare beträgt 0,8 mbar, in der Beschleunigungsröhre < 10^-4 mbar.


Wird nun am rechtem Endflansch eine Spannung von -35 kV angelegt ändert sich das Erscheinungsbild. Nun beginnt das Glas des Beschleunigerrohrs und allerlei Schmutz im Rohr zu fluoreszieren, möglicherweise durch besagte, nun stark beschleunigte Sekundärelektronen. Der Kanalstrahl ist durch das helle Licht der Flureszenz nur noch schwach zu erkennen. Aber am Fenster des rechten Flansches sieht man einen fluoreszierenden Spot von dem offenbar ganz gut fokussiertem Ionenstrahl. Der Strom beträgt nun 20 µA. Wird die Ionenquelle abgeschaltet verschwinden die Leuchterscheinungen und der Strom geht auf etwa 4 µA zurückt. Dieser Reststrom ist auf Sprühverluste des auf Hochspannung liegenden Flansches zurück zuführen.

Für die folgenden Versuche wird der Aufbau noch etwas ab geändert. Das ist notwendig um auch mit höheren Spannungen als 35 kV arbeiten zu können.
Das auf Hochspannung liegende Target aus Titan oder Zirkoniumblech liegt mit der es umgebende, ebenfalls auf Hochspannung liegende Abschrimhaube ganz im Inneren der Beschleunigerröhre. Die Hochspannung wird durch eine Glasröhre dem Target zugeführt.

Durch diese Anordnung werden Sprüherscheinungen vermieden. In der Hochspannungsleitung zum Target ist eine Zennerdiode oder Glimmlampe eingebaut. Durch den Spannungsabfall an diesem Bauteil erhält der Abschirmzylinder ein negativeres. Potential ( ca. 200..300V) als das Target. Deshalb können am Target entstehende Sekundärelektronen den Zylinder nicht verlassen und werden nicht Richtung Quelle beschleunigt. Diese Maßnahme unterdrückt die Entstehung von Röntgenstrahlung am Ausgang der Ionenquelle.
InTargetmaterialien wie Zirkonium oder Titan können besonders leicht Wasserstoffatome eindiffundieren. So wird nach einiger Betriebszeit die Oberfläche des Target mit Deuterium angereichert und es kann die gewünschte D-D Reaktion stattfinden.

Warnung!!!
Obwohl der Strahlstrom ziemlich klein ist entsteht bei diesem Versuch eine, nicht unerhebliche, Röntgenstrahlung. Deshalb muss die Anordnung muss ausreichend mit Blei abgeschirmt werden und die Beobachtung darf nur durch ein Bleiglasscheibe erfolgen.


Beschleunigungsspannung aus	Beschleunigungsspannung (50kV) ein

Auf den obigen Bildern sieht man dass der diffuse Ionenstrahl im Beschleunigungraum durch die anliegende Hochspannung zu einem feinem Strahl fokussiert wird. Bestätigt wird die Vermutung durch einen Blick auf das Zirkoniumtarget, im rechtem Bild. Deutlich ist ein Brennfleck zu sehen, der zwar Stigmatismus zeigt aber doch relativ gut begrenzt ist. So kann angenommen werden dass fast alle Ionen des Strahls auf dem Target landen.

		Die DD-Reaktion hat zwei Zweige, zum einen entstehen Helium3 (He3) und ein Neutron, zum Anderen Tritium (H3) und ein Proton. Das entstehende Tritium könnte weiter reagieren und mit Deuterium zu Helium verschmelzen, auch dabei ensteht ein Neutron. Die entstehenden Neutronen haben hohe Energien (3,3 und 17,6 MeV). Um mit diesen Neutronen wiederum weitere Kernraktionen auslösen zu können müssen sie stark abgebremst, moderiert werden. Das geschieht mittels Wasserstoffatomen in möglichst dichter Packung. Hierzu wird ein Block aus Parafin verwendet der die Reaktionszone am Target umgibt. In Bohrungen im Parafinblock sind die zu aktivierenden Materialien eingebracht.
Neutronen 3,3 MeV	Neutronen 17,6 MeV

Die Targetstrommessung ist schwierig weil es auf einer hohen negative Spannung (> -50kV) liegt. Deshalb wurde ein alten Trick angwandt der schon 1972 von C.L. Stong im Scientific American beschrieben wurde. Der Strommesser besteht nur aus einer Glimmlampe und einem parallel geschaltetem Kondensator. Durch den Messstrom wird der Kondensator geladen, ist die Zündspannung der Glimmlampe erreicht entlädt sie den Kondensator wieder was durch einen kurzen Lichtblitz angezeigt wird. Die Frequenz der Lichtblitze ist dem Messtrom proportional. Der Messbereich kann durch verschiedene Kapazitäten verändert werden.


Schaltung von dem Einschieben in das Isolatorrohr	Aufleuchten der Glimmlampe	Film mit der Exilim EX-FH20 von Casio
Der Highspeed Film der Exilim EX-FH20 wurde mit 420 Bildern/Sekunde aufgenommen. Durch Zählen der Einzelbilder sieht man dass auf etwa jedem 40. Bild der Blitz zu sehen ist. Die Blitzfrequenz beträgt somit 10 Hz und der Targetstrom ca. 30µA (Ionenquellenstrom 500µA).

Als Testsubstanzen wurden Silber und Indium verwendet, beides Materialien die leicht zu aktivierten sind. Die Detektoren sind russische GM-Zählrohre vom Typ SBM 20. Ein Zählrohr wurde mit Indiumdraht, das andere mit Silberblech umwickelt.
Die durch die Bestrahlung erzeugten Isotope haben kurze Halbwertszeiten, Ag¹¹⁰ 25 sec, In¹¹⁶ 14 sec, deshalb muss die Aktivität gleich nach der Bestrahlung gemessen werden. In beiden Fällen betrugt die Expositionszeit 4 Minuten, die Ionenquellenspannung 20 kV bei 0,2 mA, die Targetspannung -50kV.

Die Neutronen können auch mit einem >Szintillationszähler< detektiert werden. Verwendet wurde ein Kunststoffszintillator. Obwohl dieser gegen niederenergetische Röntgenstrahlung (50keV) ziemlich unempfindlich ist sollte er doch mit einer Bleiabschirmung umgegeben sein. Durch den Szintillator werden hochenergetische, schnelle Neutronen detektiert, ein Moderator ist deshalb nicht erforderlich.
Das rechte Diagramm zeigt die Messung. Durch den etwa 1x1x1 cm großen Szintillator werden etwa 16 Count/s erzeugt. Nach dem Ausschalten der Neutronenquelle kann man den Nulleffekt mit etwa 1 Count/s bestimmen. Zur Kontrolle wurde der Beschleuniger unter sonst gleichen Bedingungen noch mit Luft statt Deuterium betrieben. Man erhält immer noch ein Signal dass aber schnell auf die Hintergrundrate abfällt, wahrscheinlich durch Deuteriumreste im System. Nach dem Wiedereinfüllen von Deuterium wird die ursprüngliche Zählrate wieder erreicht.Die Messung erlaubt eine ungefähre Messung der Aktivität der Quelle. Der Zähler befindet sich in 25 cm Abstand der Quelle. Wird eine isotrope Verteilung der Neutronenstrahlung angenommen entspräche das einer Kugel mit 25 cm Radius deren Oberfläche 7454 cm². Die Oberfläche des Szintilators beträgt 1 cm². Bei einer Zählrate von 15c/s ( Signal - Hintergrund) entspräche das einem Gesamtfluss von 15 x 7454 = 1x10⁵ Neutronen pro Sekunde.
Die Rechnung ist aber mit zwei großen Fehler behaftet, zum Einen ist die Verteilung der Neutronenstrahlung wahrscheinlich nicht isotrop und zum Anderen wird die Dektektivität des Szintillators nicht 100% betragen. Aber man erhält einen Begriff der Größenordnung des Flusses.