Farnsworth-Hirsch Reaktor

Grundlagen: Der Farnsworth /Hirsch Reaktor ist ein einfacher Neutronengenerator der auf den Fernsehpionier Farnsworth zurück geht. Die Neutronen entstehen in einer Gasentladung in der zwei Atome des schweren Wasserstoffes (Deuterium) zu einem Heliumatom verschmelzen. Dieser Vorgang ist als Kernfusion bekannt, deswegen wird das Farnsworth/Hirch Gerät auch etwasgroßspurig Fusionreaktor genannt. Von einer positiven Energiebilanz sind Farnsworth/Hirsch Reaktoren allerdings sehr weit entfernt. Nichts desto trotz ist es ein interessanten Experiment bei dem trotz vergleichsweise niedriger Spannung hohe Neutronenraten erzeugt werden können. Im Gegensatz zu linearen Beschleunigern wird hier die Fusionsrate durch eine pendelförmige Bewegung der Deuteriumaionen erhöht.

Aufbau:
Vakuumkammer: Die Reaktorkammer mit 120 mmm Durchmesser wurde aus 2 Edelstahl-Halbschalen (Ikea Salatschüsseln) gebaut. Die Flansche aus Werkzeugstahl wurden eingelötet. Nachdem Versuche mit Hartlöten fehlschlugen wurde einfaches Weichlot verwendet und die beiden Aluringe an der Mittelnaht nur mit UHU-Plus verklebt, auch das Sichtfenster aus Glas ist mit Kleber gedichtet. Obwohl das allen Regeln der Vakuumtechnik widerspricht war die Kammer auf Anhieb dicht und konnte auf weniger als 10^-3 mBar abgepumpt werden. Die Hochspannungsdurchführung ist aus Plexiglas. Die Käfigkathode aus mit vier Schlaufen 0,8 mm dickem Federstahldraht hat einen Durchmesser von 30 mm.

Pumpenanlage: Der Betriebsdruck der Kammer liegt bei etwa 10^-2 mBar und muß sehr fein einstellbar sein. Aus diesem Grund wurden zwei Regelmöglichkeiten eingebaut. Die grobe Einstellung erfolgt über ein Nadelventil in der Gaszuleitung während die Feinregelung über eine Drosselklappe in der Pumpleitung erfolgt. Gepumpt wird mit einer Diffussionspumpe gefolgt von einer zweistufigen Vorpumpe.Zur Druckmessung dient ein thermoelektrisches Piranimanometer. Allerdings ist dessen Anzeige nur ein Richtwert, die genaue Druckeinstellung erfolgt besser über die Entladeparameter. Die an der Kammer liegenden Spannung ist stark vom Druck abhängig.

Hochspannungsversorung: Die Hochspannung stellt ein Hochspannungsmodul (Plastic Capacitors 50kV, 5 mA) bereit. Die Eingangsspannung für das Modul wird mit einem Regeltrafo eingestellt. Ein Schutzwiderstand von 50 kOhm in der Hochspannungsleitung verhindert stromstarke Überschlägeund gleicht die negative Widerstandscharakteristik der Gasentladung aus. Mit einem Multimeter und einem 1000 MOhm Widerstand kann die an der Kathode liegende Spannung gemesen werden ,ein 10 mA Instrument in der erdseitigen Leitung mißt den fliesenden Strom.

Für erste Entladungsversuche wurde die Kammer nur mit Luft gefüllt. Man sieht das sich bei niedrigem Druck ein leuchtender Plasmaball in der Käfigkathode bildet. Wird der Druck kleiner als 0,5 mbar bildet sich ein Elektronenstrahl der vom Plasmaball, der virtuellen Kathode, zur positiv geladen Gefässwand reicht. Bei diesen Vorgängen ist die Spannung noch relativ niedrig, weit von den Werten entfernt die für die Neutronen erzeugende D-D Reaktion notwendig sind. Bei Drücken um 0,02 mbar steigt dann die Spannung bis 20 kV und Entladung erreicht den sogenannten "Sternmodus" bei dem diffuse Strahlenspeichen zur Kammerwand reichen. In diesem Bereich würden mit Deuteriumfüllung schon Kernreaktionen stattfinden. Bei noch kleineren Drücken steigt die Spannung weiter an und hochenergetische Elektronen lassen das Glasfenster fluoreszieren. Wenn auch mit Luftfüllung sicher keine Neutronen generiert werden ist doch Vorsicht geboten.

Ab Spannungen von etwa 15 kV entstehen in der Kammer Röntgenstrahlen, die wenn auch nicht durch die metallische Kammerwand so doch durch das Sichtfenster austreten können. Der Nachweis der Röntgenstrahlung ist mit einem Zählrohr vor dem Sichtfenster leicht möglich.

Betrieb mit Deuterium: Zur Erzeugung von Neutronen muß die Kammer mit Deuterium betrieben werden. Allerdings ist der Nachweis der Neutronen nicht ganz einfach. Da sie ungeladene Teilchen sind werden von ihnen keine Ionen erzeugt, so können sie nicht mit einem Zählrohr detektiert werden. Der Nachweis gelingt indirekt durch die von Neutronen ausgelöste Kernreaktionen. Hier ist ihre neutrale Natur von Vorteil da sie nicht von den positiv geladenen Atomkernen abgestossen werden und so leicht in die Kerne eindringen können. Durch die Anlagerung der Neutronen an Atomkerne entstehen neue Elemente die meist nach kurzer Zeit wieder zerfallen. Dieser Zerfall ist es der leicht mit einem Zählrohr nachgewiesen werden kann. Allerdings haben die bei der D-D Reaktion entstehenden Neutronen mit 2,45 MeV eine hohe Energie (Geschwindigkeit) und reagieren deshalb nur wenig mit Atomkernen. Für eine höhere Trefferwahrscheinlichkeit müssen die Neutronen abgebremst werden. Das geschieht mit sogenannten Moderatoren, Stoffe die viel Wasserstoffatome enthalten. Durch wiederholte Stöße mit den leichten Wasserstoffkernen werden die Neutronen bis auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst. Solche, thermischen Neutronen sind für Kernreaktionen auf Grund ihres hohen Wirkungsquerschnittes weit besser geeignet. Als Moderator kann im einfachsten Fall Wasser verwendet werden. Auch gut geeignet und besser handhabbar ist Paraffin. Wichtig ist eine möglichst große Menge von Wasserstoffatomen pro Volumen.

Der Neutronenzähler besteht aus einer mit Paraffin gefüllten Blechdose. In einem zentralen Loch wird das mit Silberfolie ummantelte Zählrohr versenkt.Neben Silber kann auch das Metall Indium als Mantel für das Zählrohr verwendet werden.

Silberaktivierung: natürliches Silber besteht zu etwa gleichen Teilen aus den Isotopen Ag ¹⁰⁷ und Ag ¹⁰⁹.

Ag ¹⁰⁷ + n > Ag ¹⁰⁸ Ag ¹⁰⁸ - ß- (2 MeV) > Cd¹⁰⁸	Halbwertszeit Ag ¹⁰⁸ = 2,4 min
Ag ¹⁰⁹ + n > Ag ¹¹⁰ Ag ¹¹⁰ - ß- (2,9 MeV) > Cd¹¹⁰	Halbwertszeit Ag ¹¹⁰ = 25 sec

Die gebildeten Isotope Ag ¹⁰⁸ und Ag ¹¹⁰ können durch die entstehende Betastrahlung nachgewiesen werden.

	Indiumaktivierung: Ähnlich verhält sich Indium, auch hier entstehen Isotope mit kurzer Halbwertszeit deren Strahlung zum Neutronennachweis eignet. Für die nebenstehende Messung wurde ein kleines Zählrohr ( SBM 20) mit flach gewalzten Indiumdraht umwickelt und in eine mit Paraffin gefüllte Kaffeedose gesteckt. Anschließend wurde die Dose neben die Entladungskammer gestellt und mit 25 kV, 5 mA für 5 Minuten bestrahlt. Indium ¹¹⁵ wird durch Neutronenbeschuss zu Indium ¹¹⁶. Indium ¹¹⁶ zerfällt unter Betastrahlung mit einer Halbwertszeit von 14 sec zu Zinn ¹¹⁶.
	In¹¹⁵ + n > In¹¹⁶ In¹¹⁶ - ß- (3,3 MeV) > Sn¹¹⁶
	Bei diesem niedrigen Neutronenfluss ist die Aktivierung nur schwach und hebt sich kaum vom Nulleffekt ab. Trotz der schlechten Statistik ist der Zerfall des Indium ¹¹⁶ Isotops aber gut zu sehen

Wer sich mit dem Gedanken trägt einen Farnsworth /Hirsch Reaktor zu bauen dem sei das >>> Internet Fusor Forum <<< empfohlen dessen kompetente Mitglieder bei Problemen mit Rat zur Seite stehen. Hat man es dann geschafft nachweisbar Neutronen zu generieren kann man in den >>>exklusiven Neutron Club<<< eingetragen werden.