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Plasma Fokus

 

Grundlagen: Ein Plasmafokus ist eine Anordnung mit durch durch eine Kondensatorentladung ein extrem heißes und dichtes Plasma erzeugt werden kann. Im wesentlichen besteht der Plasmafokus aus zwei koaxialen Elektroden zwischen denen in einem Gas von geringem Druck eine Gasentladung gezündet wird. Durch elektromagnetische Kräfte wird das Plasma der Entladung entlang der Elektroden beschleunigt und wird an deren Ende zu einem dichten , heißen Plasmafaden komprimiert.
Um diese Kompression zu ereichen müssen Ströme im Kiloamperebereich fließen. Diese hohen Ströme können nur durch einen möglichst induktionsarmen Aufbau erreicht werden. Ein kompakter, möglichst koaxialer Aufbau reduziert auch die starke elektromagnetische Abstrahlung des Aufbaus was ansonsten die Messelektronik stören kann.
Experiment: Die Vakuumkammer ist aus Flanschteilen aufgebaut und wird mit einer Vorpumpe evakuiert. Anschließend läßt man das Füllgas, in diesem Fall Deuterium, bis zum gewünschten Druck von einigen Millibar einströmen. Der Speicherkondensator von Siemens hat eine maximale Spannung von 20 kV und eine kapazität von einem Mikrofarad. Durch den kompakten Aufbau und die koaxialen Anschlüße eignet er sich gut für Stossanwendungen. Ist der Kondensator geladen wird mit einer Zündspule die Funkenstrecke getriggert. Ein Spannungsteiler an der Anode dient zur Messung der Entladespannung und eignet sich auch als Triggerquelle für die anschließenden Geräte wie Kamera und Oszi.
Schaltung: Da außer der Kapazität und der Ladespannung keine Parameter der Schaltung bekannt waren und sich zudem der fließende Strom schlecht messen läßt wurde die Schaltung mit PSpice simuliert und die Ergebnisse mit der gemessenen Entladespannug verglichen. Die simulierte Entladespannung stimmt bei den gewählten Parametern von R und L gut mit der gemessenen Spannung überein. Deshalb kann angenommen werden dass auch der simulierte Strom der Realität in etwa entspricht. Der simulierte Entladestrom erreicht Werte von über 60 Kiloampere. Der Schalter der den Kondensator mit der Plasma Gun verbindet ist als Funkenstrecke ausgeführt. Die geringen Abweichungen im Spannungsverlauf resultieren aus den nichtlinearen Widerständen der Funkenstrecke und der Plasmaentladung.

Entwicklung der Entladung: Um die zeitliche Etwicklung der Entladungverfolgen zu können wurde sie mit einer "Sensicam" Highspeed Kamera durch ein seitliches Fenster aufgenommen. Getriggert wird die Kamera vom Spannungspuls an der Anode. Leider ist die Kamera mit 100 ns Belichtungszeit und einem Triggerintervall von 100 ns für die Vorgänge etwas zu langsam. Die linke Bildserie wurde bei einem Druck von 8 mBar aufgenommen.
Nach einer Zeit von 400ns bis 500 ns sind die Anzeichen eines Pincheffektes zu erkennen. Auf auf dem Oszillogram der Entladespannung ist der Pinch als Spannungseinbruch zu erkennen. Wird der Betriebsdruck auf 4 mbar gesenkt ist der Plasmapinch deutlicher zu erkennen. Besonders das rechte Falschfarbenbild zeigt die hellsten und damit heißesten Stellen des verdichteten Gases.
Emission des Plasma Pinches: Die Besonderheit des Plasma Fokus ist die entstehende Strahlung. Trotz der niedrigen Spannung wird vom heißen Plasma eine großer Spektralbereich emittiert der von Mikrowellen bis zu Gammastrahlung reicht. Wird die Entladung in Deuteriumgas betrieben entstehen auch Neutronen durch Fussionsreaktionen. Kommerzielles Interesse besteht an der Emission von weicher Röntgenstrahlung zur Belichtung kleinster Strukturen in der Halbleiterindustrie.
Zur Messung der Emission wurde eine Fotodiode BPX 61 verwendet. Das Glasfenster der Diode wurde entfernt und durch verschiedene Filter ersetzt. Nacheinander wurde ein 1 mm dickes Bleiblech, 100 µm dicke Kupferfolie und 100 µm vor die Diode gesetzt.
Bei vorgesetztem Bleiblech ist nur das Übersprechen der Entladespannung zu sehen. Aber sowohl das Kupferblech wie die Alufolie lassen die Strahlung in messbarer Stärke zur Diode passieren. Für das rechte Diagramm wurde vom Fotodiodensignal das Übersprechen subtrahiert. Man sieht dass die härtere, das Kupfer durchdringende, Strahlung für eine kürzere Zeit emittiert wird als die weichere "Alustrahlung".

Neutronenemission: Zur Messung der geringen Neutronenemission kann leider nicht die einfache Silber Aktivierungsmethode angewandt werden. Deshalb wurde ein empfindlicher Multiplier vom Typ 56 AVP mit Flüssigszintillator verwendet. Der Szintillator besteht aus einem Glasgefäß das mit einer Lösung von p-Terphenyl in Toluol gefüllt ist. Die Neutronen erzeugen durch Stöße an den Wasserstoffatomen der Flüssigkeit Rückstoßprotonen die wiederum die Szintillatorsubstanz zum Leuchten anregen. Multiplier und Szintillator müssen natürlich in einer absolut lichtdichten Box eingeschlossen werden. Versuchsweise wurde auch ein 5 cm dicker Parafinblock zwischen Plasma und Detektor gesetzt. Die Impulsform des Multipliersignal wurde dadurch dratisch verändert. Theoretisch möglich wäre das durch die Abbremsung (Moderation) der Neutronen durch das Parafin. Ob das Signal wirklich durch Neutronen verursacht wird kann aber zum jetzigen Zeitpunkt nicht sicher bestimmt werden.