Ωmega Labs

Farnsworth/Hirsch-féle inerciális elektrosztatikus neutronforrás

Bevezetés

Philo Taylor Farnsworth (1906-1971) a 30-as években vált a televízió atyjává, remek munkájának köszönhetően. Akkoriban nagyon sokat foglalkozott vákuumtechnikai eszközökkel, főként csövekkel. 1949-ben az ITT felvásárolta Farnsworth cégét, így náluk dolgozott tovább. Az 50-es években, egy korábbi tapasztalata alapján megépítette az első, ma már fusorként ismert szerkezetet. Ez lényegében a létező legolcsóbb, és legegyszerűbb fúziós neutronforrás. Farnsworth eredeti megoldása egy hengerszerű szerkezet volt, ion ágyúkkal. Azonban, amikor Robert Hirsch megérkezett a laborba, terveztek egy újabb verziót, melyben nem voltak ion ágyúk, és a geometriát 2, egymásba ágyazott gömbelektródára változtatták és a külső gömb koronakisülése megfelelőnek bizonyult, mint ionforrás. Kezdetben bíztatóak voltak a kutatások, hamar elérték az 1 milliárd neutron/s értéket. E fölé azonban nem sikerült menniük, és időközben az akkori Szovjetunióban már javában folyt a tokamak-kal való fúziós energiatermelés kutatása. Az ITT ezért lassan megvonta tőlük a támogatást az olcsó fusor továbbfejlesztésére, és ők is inkább a toroidális felépítésű reaktorokkal kezdtek foglalkozni, mely jóval összetettebb, azonban nagyságrendekkel nagyobb neutron fluxust lehet vele elérni. Emiatt elképzelhetőbbnek tartották, hogy a gyűrű alakú, mágneses úton egybetartott plazmájú fúziós reaktorok a jövőben akár energiatermelésre is használhatók. (Ennek a kutatása jelenleg még mindig folyik, az egyik legnagyobb beruházás fúzió kutatására ma az ITER, azonban még nagyon messze van attól a projekt, hogy abból működő reaktor legyen.) Farnsworth ezek után megpróbálta átmenteni egy saját vállalkozásba a fusor terveit, és addigi munkásságát, amihez hozzá is kezdett, azonban 70-ben megbetegedett, és 1971-ben meghalt, és ezzel megállt a fusor továbbfejlesztése is.
Ma már inkább csak demonstrációs eszközként, esetleg aktivizációs célból, neutronforrásként használják.

Általános ismeretek, üzemanyagok, reakciók

A fúzió, mint szó, egyesülést jelent, ami pontos magyarázata annak, ami a fusorban történik. A jelenlegi koncepció 2 egymásba ágyazott, rácsból kialakított gömbhéj elektróda, melyek biztosítják a gyorsítást, az ionok egy helyre koncentrálását, és magukat az ionokat. Tehát itt pontosan olyan folyamat zajlik, ha megfelelők a körülmények, mint ami a csillagokban, az egyik proton-proton ciklusban, csak 1, illetve 2 féle üzemanyaggal. A fusor esetén 2 féle üzemanyagról beszélhetünk, amely nem más, mint a hidrogén 2 izotópja, azaz a deutérium, a másik pedig a trícium. Mivel a trícium aktív (), csak ritkán dolgoznak vele. Ezzel szemben a deutérium nem aktív, és egész olcsón hozzá lehet férni nehézvíz formájában, illetve külön gázként is árulnak a gázszolgáltatók (pl. messer). A deutérium-deutérium (ezentúl DD) fúziójakor azonban keletkezik 50% eséllyel trícium is. Felírva a fúziót:

keplet1

Tehát, ha a fúzió valóban működik, akkor deutérium üzemanyag esetén 2 új anyag is keletkezik, trícium, illetve hélium3. A TD fúzió pedig a következőképp írható le:

keplet2

A neutron ebben az esetben jóval nagyobb energiát visz el. A hélium-4 atommag pedig nem más, mint maga az alfa részecske. Mivel a DD és DT fúzióhoz szükséges hőmérséklettartomány (atmoszférikus, illetve azzal összemérhető nyomáson) átfedi egymást, ezért mindkét reakció lezajlik. A következő elméleti karakterisztika szemlélteti a reakció rátát a két üzemanyag esetén:

fusorabra1

1.ábra

A diagramból látható, hogy DD fúzió esetén jóval nagyobb hőmérsékletre van szükség ahhoz, hogy jól mérhető neutronsugárzást érjünk el. A TD fúziónak ezzel szemben már 40keV is elég a maximális hatásfokhoz.

Amennyiben tríciumos üzemanyagot kívánunk használni, azt elő kell állítani, elsősorban a DD fúziót, és lítiumot felhasználva. A lítiumnak 2 természetes izotópja van, a lítium-6, illetve lítium-7 (előfordulása 7,5%-92,5%). Mindkettő alkalmas trícium előállításához:

keplet3

Mivel a DD fúzió során 50% eséllyel keletkező trícium a reakciótérben keletkezik, maga is fuzionálni fog az 1. ábra szerinti hőmérsékleti okok miatt, azonban a DD fúzió során keletkező neutronok lítium-6 vagy lítium7-ben való elnyeletése (aktivizálása) a reakciótértől elszigetelten is végbemehet, így a megfelelő neutronfluxus, és besugárzási idő elteltével már csak a hélium-4-et, illetve tríciumot kell szétválasztani, mely történhet pl. kryodesztillációval is. Az aktivizáláshoz azonban termikus (0,025eV) neutronokra van szükség, mivel ezek nagyobb eséllyel találnak el atommagot. A neutronok lassításához neutron moderátorra van szükség, amely biztosítja, hogy a beérkező nagysebességű fúzióból származó neutronok (2,45MeV és 14,1MeV) több rugalmas ütközés útján kellően lelassulnak, így a moderátor után elhelyezett lítiumba már termikus neutronok jutnak. A moderátor hidrogénben gazdag anyag kell, hogy legyen. Ilyen a víz, nehézvíz, egyes műanyagok, paraffinok.

Egy üzemanyaggal rendelkező fusor tehát alfa, béta, röntgen (fékeződő elektronok), illetve neutronsugárzást is ad. Emiatt látszólag egy igen veszélyes berendezéssel van dolgunk. Ez azonban a fusor rossz hatásfoka miatt nem jelent túl nagy veszélyt az ember számára, illetve, mivel a szerkezet gömbsugárzó, a távolsággal négyzetesen csökken a dózis. Emiatt csak nagyon hosszú expozíció okozhat bármiféle sugárbetegséget, egy tüdőszűrés alkalmával sok nagyságrenddel nagyobb dózist kaphat az ember, ráadásul ami a fusorból kijuthat, az csak a röntgen, illetve neutronsugárzás.

A nagyobb probléma a neutronsugárzással, hogy a fémszerkezetek kristályrácsait rombolják. Így hosszú expozíciónak kitett rozsdamentes acél eszközök is képesek egy idő után töredezni, degradálódni. Ennek legjobban a belső elektróda van kitéve, hiszen a közepén lévő fúziós plazmához nagyon közel van, így ott nagyságrendekkel nagyobb a neutronfluxus, mint a vákuumkamrán kívül. A neutron maga egy töltéssel nem rendelkező részecske, melyet James Chadwick fedezett fel, E. Rutherford munkássága után. Mivel csak a gyenge, erős, és gravitációs kölcsönhatásban vesz részt, könnyedén be tud hatolni más atomok belsejébe is, és ha megfelelő energiával rendelkezik (elsősorban a termikus, azaz nagyon lassú neutronok), és a közeli atommagnak a neutronbefogási keresztmetszetén belül van, a neutron becsapódik az atommagba, ezáltal létrehozva más tulajdonságú anyagot, ami sok esetben jelenti azt is, hogy az atommag instabil, azaz aktív lesz. Az önmagában vett neutron, vagyis a szabad neutron pedig szintén instabil, átlagos élettartama 15 perc. Ez után elbomlik protonra, elektronra, és egy anti-elektronneutrínóra, miközben a neutront alkotó egyik D kvark átalakul U kvarkká.

keplet4

A neutronok ellen a legjobb védekezési mód a hidrogénben gazdag anyaggal való ütköztetés, ami lelassítja, majd ezen lassú neutronok elnyeletése egy nagy hatáskeresztmetszetű anyagban. Ilyen pl. a kadmium (2500 barn) és a bór (3000 barn). A kis neutronfluxus azonban nem indokolja ezen anyagok használatát. A belső elektróda a neutronsugárzáson kívül ki van téve nagyon intenzív ionbombázásnak is. Ez az egyik legnagyobb vesztesége a rendszernek. Az elektródák közt keletkező ion-elektron párok ellentétes irányban indulnak el, az elektronok a pozitív rácsba csapódnak, a jóval nehezebb ionok egy jelentős része pedig a katódba. A katód emiatt fel is izzik, ha a bemenő teljesítmény meghalad egy bizonyos értéket. A katód izzása viszont veszélyes, hiszen a hőemisszió miatt egyre több elektron lép ki belőlük, a bent lévő gázatomokat pedig az anód felé mozgó gyors elektronok még jobban ionizálják. Ha a tápáram limitálva van, azaz egy áramértéket elérve áramgenerátoros üzemmódba vált, nem melegszik túl egyik elektróda sem, beáll egy egyensúlyi állapot, ha a nyomás nem változik. A katód tehát azért nem olvad el a környező extraforró plazma miatt, mivel nem érintkezik vele, a hővezetés pedig lekorlátozódik a kevés gázatomra, ami hatalmas hőellenállást képvisel. Maga a plazma pedig –jobb esetben– csak egy rendkívül kis helyen koncentrálódik. Minél nagyobb a plazma sűrűsége, és hőmérséklete, annál intenzívebb a fúzió.

A szerkezet második vesztesége a rekombinációs veszteség, amelyet az egymással szemben közlekedő elektronok, illetve gázionok miatt van. Ha ezek megfelelő sebességgel találkoznak, rekombinálódnak, és veszítünk egy iont, valamint egy esetlegesen ionizálni képes elektront. Ezt a gázrészecskét újra kell ionizálni, hogy üzemanyagként funkcionálhasson, ehhez pedig energia szükséges. A többi veszteség az ezekhez képest szinte elhanyagolható, tehát a nem teljesen tiszta indulóatmoszféra, a fúzió során keletkező hélium-3, illetve hélium-4-el való feltöltődés. Utóbbit egyébként is rendkívül nehéz lenne kiküszöbölni, ugyanis tömegben, és forráspontban is nagyon hasonló a hélium a hidrogénhez. A rekombináció ellen sem lehet túl sok mindent tenni, azonban lehetőség van ion-ágyúk használatára, melyekből páros számú elhelyezve egymással szemben, az ionnyalábok a középpontba érkezve nagyobb eséllyel találják el egymást, kevesebb lesz a szabad ion a nyalábokon kívül. Ez a megoldás üzemanyag nélküli fusor esetén felesleges. Az elsődleges veszteség pedig igen komoly probléma, a katódot ugyanis eltüntetni nem lehet, viszont, ha bármely vezető anyag a plazma körül van, illetve katódként funkcionál, ionütközésnek van kitéve. Ez pedig belátható módon nagyon nagy hőveszteséget okoz, és kiküszöbölése nem egyszerű feladat.

fusorabra2

2.ábra

A 2. ábrán látni a reakciótér egyszerűsített vázlatát. Az üzemanyaggal rendelkező fusornál nagy negatív egyenfeszültséget kell előállítani. Ezt legegyszerűbben egy villard-féle kaszkád kapcsolással érhetjük el. A külső légszigetelés tulajdonképpen nem kell feltétlenül azt jelentse, hogy az maga az anód (zárt gömb), hanem lehet használni bármilyen negatív nyomást elviselő tartályt, és ebben az esetben külön készíteni kell gömb alakú rácsot, ami az anód szerepét tölti be. Üvegbúra esetén nagyon fontos, hogy bárminemű ionbecsapódástól megóvjuk, hiszen ha egyetlen pontban is felmelegszik, az egész búra szétrobbanhat. Emiatt a búra belsejébe egy ’második anódot’ érdemes elhelyezni, mely biztosan elnyeli az esetlegesen az első anódon túljutott elektronokat, a gázionokra pedig taszító hatású. Ha a külső légszigetelés egyben az anód is, akkor a pozitív oldalt földelni kell, érintésvédelmi szempontok miatt. Ez a megoldás figyelmes tervezést igényel, ugyanis a nagyfeszültségű tápegység egyik oldala szinte minden eszközre rákerül (vákuumszivattyúk fémes kapcsolat esetén, vákuummérő szenzor, szelepek, plazmát figyelő kamera, vezérlés), és a negatív oldalt gondosan kell szigetelni a szerkezet minden további részétől. A többi eszköz esetén, ami a hálózatra csatlakozik, át kell vizsgálni annak a lehetőségét, nehogy a hálózatra rákerülhessen a nagyfeszültség.  Ez közvetlen megzavarhat minden érzékeny berendezést, amivel kapcsolatba kerül (akár megosztás útján) a nagyfeszültséggel. Leginkább a mikrokontrolleres rendszerek vannak veszélyben, illetve a térvezérlésű tranzisztorok. Ezek védelméről gondoskodni kell, amennyiben fel vannak használva.

Felhasználható építőelemek

Vákuumrendszer

A vákuumrendszer az egyik, amit igen nehéz házi körülmények (és persze olcsón) esetén összerakni. Az üzemanyaggal nem rendelkező fusor esetén a nyomás elég, ha 1mbar (vagy 1Torr) alatt van. Üzemanyaggal rendelkező fusor esetén a nyomást célszerű levinni 1ubar (vagy 1mTorr) alá, hogy tiszta legyen a belső tér. Ez után lehet csak megfelelő mennyiségű üzemanyaggal feltölteni, 5-50μbar tartományban. Ez a nyomásérték nagyon sok dologtól függ, az elektródák alakjától kezdve a távolságukon át, a felhasznált feszültség, illetve áramértékig. A vákuumrendszer esetén elsődleges az, hogy megvizsgáljuk, mekkora nyomásértékre, valamint szívási sebességre van szükségünk, nem utolsó sorban pedig, hogy milyen gázt kívánunk eltávolítani a kamrából. Természetesen egy ilyen házi készítésű eszköznél az ár fog dominálni, ahogy ez nálam is történt, de szerencsére sikerült megfelelő szivattyúkat beszerezni olcsón. A vákuumszivattyúkat többféleképp csoportosíthatjuk. A gyakrabban használt szivattyúk csoportosítása végvákuum szerint:

fusorabra3

3. ábra

A második csoportosítás pedig a szívás módja alapján történik. Alapvetően az UHV szivattyúk itt majdhogynem külön csoportot alkotnak, a fusornál azonban nem szükséges 3. lépcső, 2 lépcsős megoldás tökéletesen elégséges.

Lássuk tehát a második csoportosítást:

fusorabra4

4. ábra

Néhány tulajdonsága ezen gyakran használt szivattyúknak:

Rotációs: alapvetően jó elővákuumszivattyúnak, létezik belőle többlépcsős változat. Én egy 2 lépcsős verzióval rendelkezem, melynek végvákuuma 1,5μBar. Speciális olaj szükséges bele, illetve a motort külön lehet cserélni hozzá. Ennek sok előnye van, ha elromlik a motor, nem kell megbontani a szivattyút. A legtöbbször használt elővákuumszivattyú, klímatechnikában is használatosak a 2 lépcsős verziók. Elég nagy a szívási teljesítménye.

Dugattyús: alapvetően nem vákuumra van tervezve, de mérésem alapján 50mbar nyomásig még 1 lépcsőben is képes lemenni egy sima hűtőgépkompresszor. Ebben az esetben nem volt benne speciális olaj, de hosszú távon nem alkalmazható, tekintve, hogy nincs hűtőközeg, ami hűtse, valamint az olajat kifújja a nyomó oldalon, ha nincs olaj szeparátor bekötve. Nagyon nagy előnye, hogy akár ingyen is beszerezhető.

Szorpciós: ez már teljes mértékben vákuumszivattyúnak minősül, nitrogén, vagy esetleg szárazjeges hidegcsapdával működik. 0,1μbar a végvákuuma.

Roots: 2 ’fogaskerék’ segítségével távolítja el a gázokat, nagyjából hasonló végvákuummal rendelkezik, mint a szorpciós.

Diffúziós: az egyik legrégebbi nagyvákuumszivattyú típus, mely a molekuláris áramlás tartományában működik, régebben higanydiffúziós szivattyúk is üzemben voltak, azonban a higany mérgező volta miatt ma már sosem használják. A másik közegtípus az olaj. Olajdiffúziós szivattyúkat ma is használnak, mivel relatíve egyszerű a felépítése, és nagyon nagy méretekben is gyártható, nagy szállító képességgel rendelkezik. Ehhez már mindenképpen szükséges egy jó elővákuumszivattyú, 100μbar alatt kezd el igazán működni. A hátránya, hogy speciális olaj kell hozzá, amiből 5 féle van forgalomban, ezek a szénhidrogének, szilikonok, polifenil-éterek, észterek, és perfluorvegyületek. A polifenil-éterek kimagaslón a legjobb tulajdonságú olajak diffúziós szivattyúhoz, azonban nagyon drágák. A 3 lépcsős rotációs szivattyún kívül egy ilyen olajdiffúziós szivattyúval rendelkezem, mely azonban üzemanyag nélküli fusorhoz nem szükséges.

Turbómolekuláris: rendkívül precíz mechanikai kialakítású, emiatt nagyon kényes is mechanikailag. Egymás alatt lévő rotorok helyezkednek el benne, melyek hatalmas sebességgel forognak (50-100krpm/min). 10μbar elővákuum szükséges hozzá, de már 1mbartól elindul. Előnye, hogy nagyon nagy nyomástartományban működik (1mbar-10fbar), nem szükséges hozzá speciális olaj, illetve kicsi. Hátránya, hogy komplex vezérlése van (6, vagy 3 fázisú 1200Hz-es BLDC motor), és nagyon drága. A dolgozatírás időszakában már egy Turbovac 50 turbószivattyú is megrendelés alatt állt.

Titánszublimációs: titán forrás melegítésével, titán monoréteg gettert hoz létre a környező gázatomokkal. Ennél a szivattyúnál és minden további csapdázós esetén a szívás sebessége nagyban függ a kamrában lévő gázok fajtájától. Nem igényel különösebb karbantartást, de csak kicsivel képes jobb vákuumot elérni, mint a turbómolekuláris.

Ion: ionok és az elektródák kölcsönhatását használja ki. A katódnál pedig nemillékony gettert hoznak létre, vagy közvetlenül belediffundálnak. Elérhető végvákuum 10^-16. Előnye, hogy önszabályozó, valamint egyben mérőműszerként is működik.

Kryo: folyékony héliummal működnek, 10-20K hőmérsékleten. A kryokondenzáció, illetve kryoszorpció elvén működik. Sok karbantartást igényel, és a folyékony hélium rendkívül drága, azonban ezzel érhető el a létező legjobb vákuum (10^-19 bar).

A nyomás mérése

Míg atmoszférikus nyomás közelében, illetve többszörös atmoszférikus nyomást egyszerű mechanikus, mutatós műszerekkel könnyen lehet mérni, vákuumnál ez másképpen történik. Egy bizonyos nyomástartományban persze működnek a mechanikus elvű műszerek is (nagyjából 1-10mbarig, de létezik 100μbaros is). Ez elsősorban a membrános, amivel én is rendelkezem. Az értékek megadása során ügyelni kell arra, hogy milyen formában adjuk meg a nyomást. Ugyanis létezik abszolút, és relatív forma is, a hőmérséklethez hasonlóan. Az abszolút nyomás esetén a 0 érték az ideális vákuumot jelenti, míg a relatív esetén a nullát egy bizonyos nyomásértékhez rendeljük, ami az atmoszférikus nyomás szokott lenni. Emiatt lehetséges negatív nyomásérték. Ezt olyan helyeken használják, ahol nem fontos precízen mérni kis nyomásokat. Az abszolút nyomásmérésnek többfajta mértékegysége van, alapvetően a Torr (Hgmm), és a Pascal (1Torr=133Pa). Létezik ezen kívül bar, atm, at, és psi, amiket természetesen ugyan úgy lehet használni. Én a bart szoktam meg, így legtöbbször ezt a mértékegységet használom a továbbiakban is. Nyomásmérőkből létezik még kapacitív, piezorezisztív, rezonáns, mágneses elv is. A legelterjedtebbek azonban a hővezetéses (pirani) és ionizációs (penning) változatok. Nekem egy pirani mérőm van, melyet bekalibrált egy pontosabb műszerhez az, akitől vettem, egészen 8mTorrig. A pirani, és penning mérőfejek nagy előnye, hogy házilag is el lehet őket készíteni, azonban a kalibráció miatt mindenképpen szükség van egy másik, pontos műszerre is. A pirani, ahogy feljebb már említettem, hővezetés alapján vizsgálja a nyomást. Nagyjából 1-0,1μbarig lehet használni. A gáz csökkenő hővezetése egy fűtőszál, és egy termisztor segítségével történik. Jelenleg ez nincs linearizálva, így csak egy táblázat alapján lehet a nyomást megállapítani. Tervbe van véve azonban egy mikrokontrolleres linearizáló, mely a teljes tartományban képes közvetlen a nyomást kiírni egy 2x16 karakteres LCD kijelzőre. Nézzük tehát a pirani karakterisztikáját:

fusorabra5

5. ábra

Látható, hogy egy szakaszon nagyjából lineáris a vezetés, az után pedig (közeledve a műszerrel mérhető elméleti minimális nyomáshoz) rohamosan nő a meredeksége. Léteznek lineáris karakterisztikájú gyári piranik, azonban ezek drágák. A közvetlen feszültség leolvasással történő nyomásmérésnek egy előnye van, méghozzá az, hogy nincs benne linarizálásból származó hiba. A mikrokontrolleres megoldás esetében ez még hozzáadódik a műszer bizonytalanságához. A másik, egyszerűbb megoldás, amivel linearizálni lehet, az a nemlineáris analóg műszerskála. Azonban 1 tartományként kezelve az 1-1000mTorros tartományt, kis érték esetén rendkívüli nagy lesz a leolvasási hiba, akár több száz százalék is. Ennek egy kiküszöbölése a több tartományra osztás, ekkor pl. az 1000 és 100 mTorr közti értékeket, valamint az 1 és 100mTorr közti értékeket kén külön műszer jelzi ki (vagy 2 külön skála, ami egyszerűbb megoldás), melyeket relé kapcsolgat. Ez a mérési tartomány teljesen megfelel az üzemanyag nélküli fusornak.

Vákuumkompatibilis anyagok

A nagyobb nyomásoknál (x mbar) még a legtöbb esetben nem okoz problémát az, hogy milyen anyagokat használunk fel a rendszerhez. Viszont minél lejjebb haladunk, annál inkább előjönnek azok az effektusok, amiket az alacsony nyomás okoz. Ez a jelenség elsősorban a különböző anyagok forráspontjának a csökkenését jelenti. A 6.ábrán látható, hogy csökken a víz forráspontja a nyomás függvényében. Az 1 Torr érték közelében már 0 fok körülire csökkent a forráspont. A probléma ezzel, hogy a vákuumszivattyúk számára nem jó, ha víz is kerül beléjük, bármilyen kis mennyiségben, az olaj is vizet vesz fel. A vákuumtérben pedig alapvetően atmoszférikus gázok, és pára is található, leszívás előtt. Az esetlegesen a résekbe, illetve érdes felületre kicsapódott kevés pára pedig egy bizonyos nyomásérték alatt elforr, legyen a környezeti hőmérséklet 30 fok, vagy 10. Ez a gőz pedig egyenesen megy a szivattyú szívó oldalába. Emiatt pedig érdemes nagyon jól kitisztítani minden részét a rendszernek, valamint lehetőleg polírozott alkatrészeket kell használni, tökéletes tömítéssel.

fusorabra6

6.ábra

A víz kipárolgása után jön csak a többi, forráspont csökkenéshez köthető jelenség, mégpedig minden más szennyeződés, esetleg maga a rendszer anyaga, elkezd párologni. Ilyen anyag lehet a sárgaréz, mivel a cink elkezd kipárologni belőle. Ez azonban 1μbar felett még nem várható, csak ha egy 2. lépcső is be van kötve, pl. egy olajdiffúziós szivattyú. De ettől függetlenül nem érdemes ón-ólom keverékkel forrasztani semmit sem. A belső tisztítást célszerű alkohollal (izopropil, kloroform-etanol, aceton) elvégezni, és ezután, ha szükséges a nagy tisztaság, ultrahangos tisztítóval áttisztítani az alkatrészeket, illetve magát a vákuumkamrát.

A legjobban elterjedt vákuumtechnikai anyagok a különböző rozsdamentes acélok. A 304-es (amerikai szabvány) a legelterjedtebb. Ez 1μbar nyomásig tökéletesen megfelelő. Előnyei, hogy rendkívül jó a teherbírása, védőgázas ívhegesztővel (AVI, MAG) könnyen összehegeszthető, valamint keményfém késsel könnyen forgácsolható. Hátránya, hogy drágább, mint a vörösréz, vagy műanyag csatlakozók, holott ezek is alkalmasak lennének erre a nyomásra. Én kizárólag rozsdamentes anyagokat használok, éppen amiatt, mert a rendszerbe később egy turbómolekuláris, vagy olajdiffúziós szivattyú kerül majd. A 304-es típusú acél azonban nem bírja a savakat, lúgokat, ezért a kézről rákerülő zsírt is le kell tisztítani, főként, ha az éppen melegedő alkatrész. Sok műanyag is használható, akár mélyebb vákuumhoz is, ilyen pl. a teflon, melyből tömítéseket is csinálnak. De tömítésekhez használható még többféle gumi is, melyeket O gyűrűként UHV-nál is alkalmaznak (Viton-A). A legmélyebb vákuumnál azonban inkább oxigénmentes vörösréz, vagy aranytömítés megfelelő.

Külső elektródának a rozsdamentes acél megfelelő, de akár vörösréz is lehet. Belső elektródánál azonban ügyelni kell arra, hogy ne legyen lágyforrasztás, a cink, illetve a folyasztószer miatt. A hőmérséklet ugyanis nagyon gyorsan eléri az 500 fokot, így ha forrasztásról van szó, csakis keményforrasztás jöhet szóba. Ehhez, mivel a belső elektródának hőállónak kell lennie, ezüst tartalmú forrasztóanyagot szokás használni. Létezik többféle típusú ezüst pálca, 10%-40%-ig, sőt, akár nagyobb ezüst tartalmúak is, érdemes legalább 40%-ost használni, lehetőleg hidrogénes lánggal, ami nem szennyezi be a belső elektródát (főleg szénnel). Azonban a vörösizzást (800-900 fok) már nem viseli el ez sem, így teljes biztonságot csak a hegesztés ad. A külső elektródáknál ez nem áll fenn, vörösréz esetén foszforos réz pálcával lehet őket forrasztani 710 fokon.

Belső elektróda esetén, amennyiben az ionok számára ’átlátszót’ szeretnénk készíteni, minél vékonyabb huzalra van szükség. A vékonyabb huzal azonban kevesebb hőt képes sugározni, kisebb felülete miatt. Ezért a vékony rozsdamentes huzalok elolvadnak nagyobb áram mellett. Ilyenkor érdemes megfontolni a wolfram, vagy molibdén huzal alkalmazását. Ha tiszta, mindkettő alkalmas vákuumban elviselni a vörös, sőt fehérizzást is (2000fok <), károsodás nélkül. Nagyobb nyomás esetén (x10mbar) azonban az oxigén miatt oxidálódik a felületük, és tönkremennek. Ezekhez manapság már könnyen hozzá lehet férni, különböző vastagságban, olcsón. Nekem 0,3mm wolfram, illetve 0,5mm vastag molibdén huzalom van, azonban a belső elektróda geometriáját rendkívül nehéz kialakítani velük, ezért valószínű, hogy a belső elektróda is rozsdamentes acél lesz egy ideig. Lehetőség van rozsdamentes acél kapilláris cső alkalmazására, ennek az előnye nagy, hiszen hűtőközeggel lehet hűteni magát az elektródát, belülről, megakadályozva ezzel a katód hőemisszióját. Csak arra kell ügyelni, hogy olyan közeget válasszunk, aminek nagy az elektromos ellenállása, jó a hővezető képessége, valamint kicsi a viszkozitása, és ellenálló a gyors neutronokkal szemben.

A vákuumkamrában a ragasztás csakis vákuumkompatibilis ragasztóval történhet. Ezek elég drágák, azonban lehetőség van oldószermentes műgyanta használatára is, a legjobb az epoxy gyanta, mely nem zsugorodik térhálósodás közben, és felmelegítve könnyen ki lehet párologtatni belőle a vizet, illetve egyéb bennrekedt gázokat.

Nem átlátszó burájú fusoroknál betekintő ablakot is szükséges elhelyezni, ehhez elsősorban boroszilikát üveget érdemes felhasználni.

A nagyfeszültségű átvezető anyaga pedig minden esetben kerámia. Ez elsősorban alumínium-oxidból készül, mert hőállók, nagyon nagy az átütési szilárdságuk, és polírozva vákuumkompatibilisek.

A leszívásnál ügyelni kell az úgymond virtuális lyukakra. Ezek lényegében nem valódi lyukak, csak kigázosodás, és egy hosszabb nyomásmérés segítségével megállapítható, hogy melyikkel állunk szemben. A kigázosodásnak ugyanis meredek a karakterisztikája, míg a szivárgásnak lineáris.

Nagyfeszültségű tápegység

A legtöbb gyorsító esetén szükség van egy nagyfeszültségű forrásra. A fusor esetén is így van, mivel itt az elektrosztatikus tér az, ami gyorsítja az ionokat a szerkezet középpontja felé. Ez a jelenség természetesen kisebb feszültségek esetén is előjön, de a feszültség emelésével közel lineárisan az ionok energiája is növekszik. Az 1.ábra alapján azonban látható, hogy szükséges egy bizonyos nagyságú energia. Mivel feltételezzük, hogy elsősorban a szembeütköző ionok fúzionálnak, ezért az energia felével számolva minimum 5kV feszültség szükséges a megvalósításhoz. De ennél nagyobbra van szükség, hogy a folyamat úgy menjen végbe, ahogy kell. Üzemanyag nélkül azonban nincs szükség 5-10kV-nál nagyobb feszültségre, mivel a plazma így is létrejön, a nehéz (N2,O2) ionok viszont sosem fognak fúzionálni, még jóval nagyobb feszültség esetén sem. 10kV egyenfeszültség előállítása nem okoz különösebb problémát, kb. 100W teljesítményre van szükség. Többféle megoldás kínálkozik, de a legegyszerűbb, egy, már eleve nagyfeszültségű transzformátor egyenirányítása, illetve feszültségének többszörözése. A 0-10kV tartományban igazából csak 1 trafó található meg a háztartásokban, ami 100W leadására is bármikor képes, ez pedig a mikrohullámú sütő trafó. A kisebb sütőkben 700W-os, a nagyobbakban 1kW-os kapott helyet. Ezeknek a szekunderfeszültsége minden esetben 2,1kVAC. A sütőben alapvetően van egy feszültségduplázó, mely egy 1uF-os kondenzátorból, és egy 12kV 300mA-es diódából áll. Itt félperiódusonként ugrik fel a feszültség 5,6kVDC-re, mely a magnetronra megy. A trafóhoz ingyen is hozzá lehet jutni, azonban ez a legveszélyesebb eleme az egész rendszernek, hiszen zárlatban 0,5-1A áramot is képes leadni. A szekunderkivezetés egyik fele a vasmagra van kötve, ezt is figyelembe kell venni. Én azonban egy 7,5kV-os neontranszformátort használok, melynek a feszültségét könnyen lehet kis teljesítményű szabályozható toroid transzformátorral szabályozni, és egyenirányítva éppen 10kV-ot ad, valamint található benne egy mágneses sönt, amely lekorlátozza a zárlati áramot, így nem lehet túlterhelni, mivel a sönt egyfajta áramgenerátoros üzemben járatja a transzformátort zárlat, vagy túlterhelés esetén. Az egyenirányítást célszerű több, sorba kötött nagyfeszültségű diódával végezni, ugyanis a 20-30kV-os diódák (és nagyobb feszültségűek) jóval drágábbak, mint a kisebbek együtt. Az ilyen egyenirányított (vagy sokszorozott) tápegységek esetén figyelni kell a feszültségesésekre. Ez főként a diódára vonatkozik, ugyanis már egy szimpla félutas egyenirányítás esetén is dupla csúcsfeszültség jelenik meg periódusonként egyszer a dióda anódján és katódján. Ezért minden esetben, ahol a diódák után kapacitív elem van, a diódákat minimum kétszeres csúcsfeszültségre kell méretezni. Azonban a diódákon sem egyformán oszlik meg a feszültség, tehát 10kVDC esetén 2 vagy több diódának együtt záróirányban nagyobb feszültséget kell elviselniük, mint 20kV. A tranziensek pedig a diódák tönkremenetelét okozhatják, mivel a nagyfeszültségű diódák többsége, melyek nagy áramot is elviselnek, lassúak (hálózati frekvenciára vannak tervezve). Tehát jelen esetben:

keplet5

keplet6

A 0,1 egy tapasztalati tényező, mely biztosítja azt a túlméretezést, ami esetében a diódákon eső feszültségek differenciája nem okoz meghibásodást. 2 dióda, és 7,5kVAC esetén ez az érték 11,632kV. A mikrohullámú sütőben található dióda 12kV-os, így ez is megfelel az egyenirányításhoz. Amennyiben olcsóbb megoldásra van szükség, 12 darab sorbakötött 1N5408 (1kV) vagy 8 darab BY255 (1,5kV) is megfelel. Ha tudva lévő, hogy a diódákon nagy a feszültségesés-differencia, lehetőség van kiegyenlítő ellenállások alkalmazására. Ebben az esetben minden diódával egy –lehetőleg kis tűrésű (1%)– ellenállást kell bekötni, amelyeket úgy kell méretezni, hogy akkora áram folyjon rajtuk, hogy ne melegedjenek. 1kV feszültség esetén azonban a normál ellenállások nem jók, azok ugyanis 600V-ra vannak tervezve, 1kV esetén átütnek (ezt tapasztaltam is). A megoldás az úgynevezett HV ellenállások használata, melyekből léteznek 10kV-os verziók is.

10kV esetén még nem jelentős a koronaveszteség, illetve maga a koronajelenség, azonban 30kV felett lehetőleg minden fém-levegő csatlakozási pontot, illetve alkatrészek környékét, ahol más eszköz is található, le kell kerekíteni, ekkor az erősen inhomogén térerő eloszlást megszüntetjük.

Az első verziójú nagyfeszültségű tápegységet előzőleg röntgen kísérletekhez készítettem, amelyet a 35kV-os mérőtrafó, és egy szimmetrikus táp alkotott. A kapcsolási rajza:

Ezt a szimmetrikus tápot 100kV-ra terveztem. A kondenzátorbankja 32 darab mikrohullámú sütő kondenzátorból áll, mely így 33nF / 100kV. Maximális feszültség esetén a tárolt energia 160J. Emiatt igen lényeges, hogy véletlenül se alakulhasson ki kisülés sehol, ugyanis ez az energia minden mást tönkretesz. A kondenzátorokat egymástól kellő távolságban, 2 rétegben egy nagyobb, régi fázisjavító kondenzátor fémdobozába tettem, amit transzformátorolajjal öntöttem ki. A levegőn ugyanis a megosztás miatt folyamatosan szikrák pattogtak a csatlakozók és a házak közt. Ezt a megosztás okozta, ugyanis a kondenzátorok házai is elkezdtek kondenzátorként viselkedni egymással szemben. Emiatt még olaj alatt is szükség lesz egy közbenső leföldelt árnyékoló gyűrűre. A diódák 256kV-ra vannak méretezve, gyakorlatban azonban csak 192kV a maximális teherbírásuk. A 200W 400kΩ ellenállás 40 darab 5W 5%-os, 10kΩ-os ellenállásból áll, melyet kiöntöttem szintén poliészter gyantával egy kábelcsatornában. A feszültség, és árammérő műszernél a korona jelenség nagy problémát okoz, ugyanis 30-40kV felett a korona minden fémes csúcson megjelenik. Ennek kiküszöbölésére azt találtam ki, hogy az egyik potenciálra van közvetlen mindkettő kötve fizikailag, és ezeket a műszereket egy rácsos hálóval leárnyékolom, kihasználva, hogy a vezetők belsejében nincs térerő. A módszer sikeres, azonban a külső fémes pontokat villamos szempontból szigetelni kell majd. A 400kΩ-os ellenállás önmagában, zárlat esetén nem nyújt áramgenerátoros üzemet, mivel a feszültség jóval nagyobb lesz ebben az esetben az ellenállásokon, mint amennyi a megengedett, emiatt átütnek. Ebben az állapotban csak kis terheléssel szabad használni a tápegységet, hogy az ellenállásokon ne alakulhasson ki túl nagy feszültség. A 60W 1GΩ-os ellenállás 100 darab 5% 0,6W 10MΩ-os ellenállásból készült, amelyet előzőekhez hasonlóan szintén gyantával kiöntöttem. Ezek az ellenállások még kis feszültségtűrésűek, így a jövőben ezeket le fogom váltani 3500V-os ellenállásokra, illetve a tűrésen is javítani kell, hiszen ez 1GΩ ± 5% + a műszer 2,5%-os pontatlansága együtt már ±7,5% mérési hibát okoz, amely elég jelentős. A mérőtrafót –tekintve, hogy 100V-os a szekunder oldala– nem lehet közvetlen hálózatról hajtani. Erre felhasználtam a szabályzódobozomban lévő 6kVA-es szabályozható toroid transzformátort. A szabályzódobozt eredetileg egy 4kW-os Tesla tekercshez készítettem, de az évek során elég sokoldalúnak bizonyult. A doboz tartalmaz 2 öntartó relés kapcsolást is, az egyik a már említett 6kVA-es toroidot kapcsolja, a másik pedig egy 1kVA-es toroidot. A doboz tartalmaz 2 kismegszakítót is, egy 25 illetve 10A-est. Mindkettő lassú kioldású a toroidok nagy kezdeti áramfelvétele miatt. Ezek után egy zavarszűrő található, melyek a különböző felharmonikusakat kiszűrik, ne kerüljön vissza a hálózatra. A fusor esetében nem kell számolnunk erős felharmonikus visszakerülésről, ugyanis a plazma frekvenciái nem jutnak el a zavarszűrőig sem. A dobozban található még egy kulcsos kapcsoló is, mely biztosítja, hogy csak a készítő, illetve megbízott helyezheti üzembe a szabályzót, illetve a rá kötött eszközöket. A toroid nemcsak feszültségszabályzó funkciót tölt be, de egyben lágyindítást is ad. A mérőtrafó eredetileg csak 120VA-es, ez azonban csak a mérés pontosságát befolyásoló tényező, én visszafelé, nagyfeszültségű transzformátorként használom, áramkorláttal. A dobozban jelenleg még nincsen feszültség, valamint árammérő. Ezekre azonban szükség lesz, a felvett teljesítmény megbecsléséhez. A szabályzódoboz kapcsolási rajza:

A feszültség mérése

 

A mérés fontos, hiszen csak ennek segítségével tudjuk pontosan nyomon követni, hogy mi zajlik a szerkezetben. Nagyfeszültségek mérésénél egy kis problémába ütközünk, ami abban nyilvánul meg, hogy nem találunk ilyen nagy méréshatárú eszközt. A másik probléma csak akkor jön elő, ha megpróbálunk digitális multimétert, vagy árnyékolatlan, illetve szűretlen digitális műszert használni ehhez. Alapvetően a feszültségmérő méréshatárának a kiterjesztése nem okoz problémát, ezt egy ellenállással orvosolni lehet, azonban a nagyfeszültség által keltett térerő, illetve hatalmas tranziensek teljesen használhatatlanná teszik a legtöbb érzékeny digitális mérőeszközt. Ezért, hogy a problémát kikerüljük, analóg műszert érdemes használni, amennyiben nem fontos a számítógéppel, vagy mikrokontrollerrel való adatgyűjtés. Ekkor ugyanis mind a megosztás, mind a tranziensek okozta hiba megszűnik. A tranziensek alapvetően a rossz csatlakozási pontoknál, kapcsolóknál, illetve ködfény vagy ívkisülésnél jelentkeznek. Ezek a plazmák ugyanis alapvetően rádiófrekvenciás tartományban sugároznak, méghozzá megakadályozhatatlanul. Mivel a fusor egy alapvetően plazmát használó berendezés, ez itt különösen igaz. Tehát, ha digitális úton szükséges a feszültség, vagy áram (illetve bárminek) a mérése, a mérőeszközt árnyékolni, és erősen szűrni is kell, főként a plazma alapharmonikusára hangolt párhuzamos rezgőkörrel (is).

Tehát analóg műszerrel már könnyedén elvégezhető mind a feszültség, mind az árammérés. Az előtétellenállást sorosan kötött ellenállásokból kell összetenni. Ez lehetséges 600, illetve 3500V-os ellenállásokkal is, figyelembe véve azok terhelhetőségét, és tűrését. A tápegység relatíve kis teljesítménye miatt (x 100W) az analóg műszernek a lehető legkisebb áramúnak kell lennie. Léteznek 50, illetve 100μA-es un. panelműszerek, amelyek 2,5%-os pontossággal rendelkeznek, és lineáris a skálájuk. 100μA pedig még nem terheli be a tápegységet, így ez alkalmas a méréshez. A nagy bizonytalanság miatt ezzel szemben az előtétellenállást a lehető legpontosabbra érdemes megépíteni. Erre jó lehetőség a soros kötés, és egy nagyon pontos ellenállásmérő műszer. Lehetőségem volt egy Advantest R6652 műszerrel lemérnem a vásárolt 10MΩ 0,5W 5%-os 3500V-os ellenállásaimat. A kívánt előtétellenállás értéke 100MΩ, mivel ezen ellenálláson 10kV hatására éppen 100μA áram folyik.

keplet7

Mivel az egy gyártásból származó ellenállások mind egy irányba térnek el tűrés alapján, ezért a szimplán sorbakötött 10 darab 10MΩ-os ellenállás együttes bizonytalansága is 5% elméletben. Gyakorlatban a lemért ellenállások összege 97,5MΩ ± 0,2%. Ehhez hozzátettem még egy 2,2MΩ-os ellenállást, ami lemérve 2220kΩ ± 0,03%. Utóbbi ellenállás bizonytalansága az eddigi eredőben:

keplet8

Látható, hogy a 2220kΩ-os ellenállás bizonytalansága elhanyagolható az eredőben. Tehát az eredőnk 99,72MΩ ± 0,2%. Mivel 270kΩ-os 5%-os ellenállásom is volt, így azt is bekötöttem sorosan az előtétbe, de ennek a hibája még kisebb, így ezt sem veszem figyelembe. A végeredmény: 99,99MΩ ± 0,2%. Ennél nagyobb pontosságra jelen esetben nincs szükség. A panelműszer belső ellenállása nincs figyelembe véve, mivel nagyságrendekkel kisebb, kvázi a teljes ellenállást az előtét képviseli.

A 2,5%-os panelműszer és az előtét bizonytalansága együttesen 2,7%. Az előtétellenállást, hogy érintésvédelmi szempontból biztonságos legyen, kiöntöttem víztiszta poliésztergyantával, 20kV-os szilikon szigetelésű kábellel benne. Az előtét terhelhetősége pedig nagyjából 5W. 100uA áram esetén fellépő teljes disszipáció:

keplet9

Amely bőven 5,5W alatt van, a gyanta hővezetése pedig elég, hogy 1W hőt felvegyen, és leadjon a környezetnek. Az előtét feszültségtűrése minimum 35kV. Én egy FoSZ30 0,1/35kV-os mérőtranszformátorral ellenőriztem 17kVAC-ig az előtét feszültségtűrését, és nem volt probléma. Tehát, az ellenállás biztonságosnak tekinthető. Az előző részben említett nagy (7,5%-os) mérési hibát tehát ezzel kiküszöböltem, igaz, ez az előtét csak 10kV-ra jó.

Sugárzások detektálási módjai, veszélyességük

Mivel végső sorban egy potenciális sugárforrásról beszélünk, szükség van arra is, hogy néhány alapvető dolgot ismertessen a dolgozat.

Normális, aktív anyagot nem tartalmazó környezetben az átlag sugárzás 10-20 μRöntgen / óra. Ezt a világ minden részén, bárhol meg lehet figyelni, ez ugyanis a radioaktív háttérsugárzásnak nevezett jelenség. A háttérsugárzás egy része az űrből érkezik kozmikus- és gammasugárzás formájában, a másik a természetes környezetünkben nagyon csekély mértékben megtalálható aktív anyagok por alakja, mely folyamatosan körülvesz minket. Az emberre halálosnak tekinthető sugárzás 500 Röntgen / 5 óra. Ezzel a témával bővebben a dozimetria foglalkozik.

Mértékegységek:

Besugárzás: Röntgen [R], csak gammasugárzásra van értelmezve.

Elnyelt dózis: Gray [Gy], a térfogatelem tömegével arányosan elnyelt sugárzás energia. Ez minden anyagra, és mindenféle sugárzásra vonatkozik, azonban nincs definiálva a különböző sugárzástípusok biológiai hatása.

Egyenérték (vagy ekvivalens) dózis: Sievert [Sv], a régi egysége a rem volt (rad equivalent man). Az ekvivalens dózis kifejezetten az aktív sugárzás biológiai hatásaihoz lett kitalálva. Az úgynevezett biológiai hatásossági tényező (q) jelenti az adott sugárzásfajta roncsoló hatásának erősségét az emberi szervezetre. Béta és gamma sugárzás esetén ez 1, alfa, illetve neutron sugárzás esetén 2-10 terjedhet, anyagtól és energiától függően. Az alapja a dózis (Gy). Az ekvivalens dózis így a biológiai hatásossági tényező, és a dózis szorzatának függvénye:

keplet10

A rem alapja pedig a rad (radiation absorbed dose):

keplet11

Effektív dózis: Sievert [Sv], szintén ugyan az a mértékegysége, mint az effektív dózisnak, azonban különbözik tőle. Itt fontos megemlíteni a szöveti súlytényezőt, mivel megállapították, hogy a különböző szerveknek különböző határértéke van, ami felett károsnak mondható egy dózis. Ezért az effektív dózis az egyenérték dózis és a szöveti súlytényező szorzata.

 

Aktivitás: Becquerel [Bq], a régi egysége a Curie [Ci] volt. 1 Bq annak az anyagnak az aktivitása, melyben 1 másodperc alatt 1 bomlás történik.

keplet12

Manapság a leggyakrabban használt mértékegység a Sievert, mivel ez önmagában azt adja meg, mennyire káros egy bizonyos forrásból származó expozíció, méghozzá testrészenként is akár. Azonban közvetlen ezt nem lehet mérni, csak számolással határozható meg.

Dóziskorlátozások: alapvetően 2 csoportja van, a lakossági, illetve foglalkozási. Ez a teljes embert ért effektív dózisra vonatkozik, a háttérsugárzás szintje feletti többletdózisra, mely foglalkozási esetén 5 év alatt 100mSv, de 1 évben 50mSv-nél nem lehet több. A lakossági korlát 5 év alatt 5mSv.

Az üzemanyag nélküli fusor 20kV alatt semmifajta sugárzást nem produkál, így nem szükséges dózist számolni. E feszültség felett azonban rohamosan nő a röntgensugárzás. A fúzióra kész szerkezet esetében viszont érdemes kiszámolni mérések alapján, de nagy valószínűséggel annyira csekély érték, hogy elhanyagolható, ha az ember nincs naphosszat besugározva közvetlen közelről.

Ez a táblázat foglalja össze a mértékegységeket:

A táblázatban nem szerepelnek még az egyéb atommagdarabok biológiai hatásossági tényező értékek, ezek az alfa részecskéhez hasonlóan 2-20-ig vehetnek fel értékeket. Neutronsugárzás esetén külön táblázatban ismertetem a neutronok biológiai hatásossági tényező függését az energiától:

fusorabra7

10. ábra

A DD fúzió során keletkező 2,45MeV-os neutronok éppen az egyik legnagyobb szorzóval rendelkeznek. A TD fúzió esetén 14MeV energiával rendelkező neutronokról nincs adat, de nagyjából fele akkora lehet, mint a DD fúziós neutronjai esetén.

Sugárzásdetektorok

A sugárzásokat típustól függően többféle módon lehet detektálni. A legismertebb sugárzásdetektor talán a Geiger-Müller számláló (vagy röviden GM számláló), mely manapság is igen elterjedt, nagy érzékenysége, és olcsósága miatt. Én 2008-ban, technikusi munkaként építettem a saját számlálómat, ezért egy hosszabb leírást tudok erről bemutatni. A Geiger számláló alkalmas (GM csőtől függően) alfa, béta illetve gamma sugárzás mérésére, kijelzésére. A készülék lelke a Geiger cső, mely egy speciálisan kialakított hengerszerű alkatrész. A cső a sugárszinttel azonos számú impulzust produkál egy bizonyos határig, amit a cső holtideje és platófeszültsége határoz meg. A GM csőről leírás

A következő sugárzásdetektor az ionizációs kamra. Ez a GM cső ’nagyobbik testvére’. Mivel a GM csövek többsége kis sugárzáshoz lett kitalálva, nagy érzékenységüknél fogva, nagyobb (>10R/h) sugárzások detektálására (főként gammasugárzás) használják. Az elérhető tartomány 0,5R/h-5kR/h. Fusorhoz egyáltalán nem alkalmazható.

A kisfeszültségű félvezetős sugárdetektor is elég régi megoldás. Itt egy félvezető, un. PIN dióda segítségével detektáljuk a sugárzást. A félvezető pedig a sugárzás intenzitása miatt változtatja a vezetőképességét. A GM számlálónál jóval érzéketlenebb, azonban nagyobb tartományt lehet vele átfogni, nagyjából 1mR/h-500R/h-t. Ezeken kívül létezik még a szcintillációs detektor, mely fénnyé alakítja a beérkező sugárzást, méghozzá sokszorozva. Tehát egy beérkező elektron akár 1000 fotont is létrehozhat, a kristálytól függően. Lehetnek folyadék, vagy plasztik, esetleg szervetlen kristály szcintillátorok. Fotoelektromos átalakító segítségével mérhető elektromos jelet kapunk. Nagyon érzékeny berendezések, és manapság a legjobbak.

Van még többféle módszer, amivel lehet detektálni a sugárzásokat, pl. erősítőfólia és fotodióda (vagy bármilyen opto eszköz), proporcionális detektor, ködkamra, szikrakamra, buborékkamra stb. A doziméterek egy külön csoportot képviselnek, ugyanis ezek a dózis összességét mérik, ami egy adott időszakban érte az érzékelőt. Ezek általában toll-szerű kialakításúak, vagy zsebben könnyedén elférnek, és folyamatosan működnek. Ilyen pl. a filmdoziméter, a termolumineszcens doziméter, de dózismérőként ugyan úgy működnek a GM-csöves, ionizációs kamrás, valamint félvezető detektoros megoldások is. A vizsgált időszak végén (pl. napi munka után) a dozimétereket leolvasóba teszik, és kiszámolják a teljes, emberre vett dózist. Ezeket aztán újra lehet tölteni (pl. a kondenzátoros-ionizációs megoldásnál), és újból lehet használni. Ezeket is többféle tartományra gyártják, a pár mR-től egészen több tíz R-es is létezik. Alacsony határú gamma doziméter használata ajánlatos, ha sok időt tölt el az ember bármilyen sugárforrás mellett, pl. a fusor. Ezek a detektorok, illetve műszerek azonban kifejezetten alfa, béta (vagy egyéb töltött részecske) illetve gamma sugárzás detektálására használhatóak. Neutron sugárzás esetén viszont problémába ütközünk. Főleg a fúziós neutronok esetén, ugyanis a gyors neutronokat szinte semmi nem képes detektálni. Néhány speciális szcintillátor azonban erre is képes, de ezek nagyon drágák, illetve olyan ionizációs kamra, amelyben hasadóanyag található (legtöbbször Urán-235), szintén tud gyors neutronokat detektálni. Ennek kiküszöbölésére azonban fel tudjunk használni a neutron aktivizáló képességét. Nincs más dolgunk, mint egy megfelelő hatáskeresztmetszetű anyagban elnyeletni a neutronokat, miután valamilyen moderátor közeggel lelassítottuk őket. A detektálási célra a szokásos anyagok a következők: kadmium, hélium-3, lítium-6, bór-10, és urán-235. Miután neutronnal találkoztak, a neutron energiáját egy más formában adják ki, ez lehet béta, vagy gammasugárzás. Mindkettőt képesek vagyunk detektálni az előzőekben tárgyalt műszerekkel. A 11.ábrán látni a blokkvázlatot:

fusorabra8

Léteznek közvetlen lassú neutron detektorok is, ilyen pl. a BF3-al, vagy Hélium-3-al töltött cső. Ezek a csövek a 11. ábrán látható utolsó két blokkot egyesítik, így megkönnyítve a mérést. Amennyiben szükséges kalibrálni a neutrondetektort, lehetőség van izotópos neutronforrás készítésére, melyhez az egyik anyag a berillium, a másik pedig egy erős alfasugárzó anyag. Ilyen például az amerícium-241, plutónium-239, rádium-226, polonium-210. A berilliumatom a beléje csapódó alfa részecske után egy neutront fog kibocsájtani. Ezen kívül létezik neutronsugárzással bomló anyag is, mely nem más, mint a kalifornium-252. 1μg belőle 2millió neutront lő ki magából másodpercenként, ezért egy nagyon csekély mennyiség is elegendő belőle.

Jövőbeli kilátások

Mivel a Farnsworth/Hirsch fusor igazából csak demonstrációs eszköz, illetve alacsony fluxusú neutronforrás, még rászorul a fejlesztésre, új ötletekre. Alapvetően ezen az elven működnek a nem gömbsugárzó neutronágyúk, illetve a Polywell típusú fúziós reaktorok. Előbbi szinte kizárólag aktivációs célra lett kitalálva, nem ritkán 10^18 neutron/s értékkel. Az utóbbi, a Polywell típus pedig az eredeti fusor egy új megközelítése, melyben elhagyjuk a katódot, illetve a belső elektródát. Ez a Polywell ugyanis a kocka lapjaihoz hasonló elrendezésben toroid elektromágneseket használ (tehát 6 darabot), melyek körpályára kényszerítik az elektronokat. A toroidokból felépített kocka közepén pedig az elektronpályák metszik egymást egy kis térfogatban. Ez a tér hatalmas negatív potenciállal rendelkezik, így egy virtuális katódot hoz létre. A külső ionágyúkból pedig deutérium ionokat lőnek a kocka közepébe több oldalról, ezáltal hozva létre a fúziót. Ezzel is akad probléma, ugyanis a pozitív ionok semlegessé ’szeretnék’ tenni a belső katódot, illetve rekombinálódnak, valamint az elektronokból is sok becsapódik valahová. Emiatt még mindig nem tudunk egyszerű, nagy fluxusú neutronforrást létrehozni. A fusor megépítése után ennek kutatásával is kívánok foglalkozni, amennyire időm engedi.


Megjegyzés: Kandó TDK 2010 dolgozat.

 

2006-2012   © Omega Labs