Plasma Fokus
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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. |
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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. |
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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.
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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.
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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.
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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. |
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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. |
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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". |
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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.
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