Kernfusion im Kugelreaktor- Theorie

Um die relevanten Messgrößen erfassen zu können kommen folgende elektronische Messsysteme zum Einsatz:
Digitaler Druckmesser mit Hochvakuummessstelle, Analoger Druckmesser, Spannungs- und Strommesssystem mit Mikrocontroller, Neutronendetektor / Zähler und aßy-Strahlungsdetektor Gammascout.
Die Kommunikation mit den Messgeräten erfolgt überwiegend über RS-232. Um alle Daten mit einem PC in Echtzeit speichern zu können werden alle RS-232 Signale über ein RS-232-to-USB Hub zusammengefasst und über ein USB-Kabel zum PC übertragen. Dort werden die Daten mit einer Labview Anwendung erfasst, verarbeitet, dargestellt und gespeichert. Die Software übernimmt neben der Datenerfassung auch einige Berechnungen zu aktuellen Werten wie Fusionsrate und Leistungsaufnahme.

Schematischer Plan der Messtechnik

Druckmessungen

Zur Messung des Vakuums in der Kammer wird ein IONIVAC ITR 90 Druckmesser der Firma Leybold eingesetzt. Durch Kombination eines Pirani- und eines Bayard-Alpert- Vakuummeters (Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter) deckt er einen Messbereich von 5 x 10-10 bis 1000mbar ab und eignet sich optimal für die zu messenden Drücke. Zur Überwachung des Vorvakuums ist zwischen Drehschieberpumpe und Turbopumpe ein zweiter analoger Druckmesser installiert. Vor allem beim Wechsel oder Hochfahren des des Systems wird dieser benötigt um sicherzustellen, dass in den Zuleitungen das nötige Vakuum herrscht.
	Vakuumkammer mit IONIVAC ITR 90 Druckmesser	Druckanzeigemodule, Steuerung der Turbomolekularpumpe

Spannungs- und Strommessung

Die Spannungs- und Strommessung erfolgt mit einem selbstentwickelten Messsystem, da solche Systeme im Handel sehr teuer sind. Gemessen werden die Spannungen und Ströme der inneren Gitterkathode, der äußeren Gitteranode und der Heizdrähte. Das Messsystem ist auf eine Messgenauigkeit von maximal 16-bit ausgelegt. Allerdings werden nur die ersten 14-bit berücksichtigt, da davon auszugehen ist, dass die letzten zwei Stellen nicht mit der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden können. Dennoch ist es möglich alle Größe mit ausreichender Genauigkeit darzustellen. Beim Entwurf der Schaltung wurde Wert auf Präzision und Schnelligkeit gelegt. Allen Eingänge ist eine Impedanzwandlung mit mittels Operationsverstärkern nachgeschaltet um die Messgrößen so gering wie möglich zu beeinflussen. Zwei AD-Wandler (AD974) von Analog Devices verarbeiten die Analogsignale der Messkanäle. Ein Mikrocontroller sendet die Daten mit 115200 Baud über RS-232 an den PC (das entspricht bis zu 1000 Werten pro Sekunde und Kanal). Zum Schutz vor Überspannung kommen Überspannungsschutzdioden in der Schaltung und ein Lichtwellenleiter-System für die Übertragung zum PC zum Einsatz. Die Spannungsteiler und Shuntwiderstände für die Messungen sind ebenso gegen Elektromagnetische Strahlung abgeschirmt wie die Schaltung an sich und alle Verbindungskabel.
		Magnus programmiert das Messsystem


fliegender Aufbau	Einbau des Systems in Aluminiumgehäuse	Computermesssystem mit Livekamera

Strahlungsüberwachung

Die bei der Fusion entstehende Strahlung wird mit Hilfe zweier Messgeräte gemessen: - dem Universalmessgerät GammaScout für Alpha-, Beta- und Gammastrahlung, welches in erster Linie zur Überwachung der entstehenden Röntgenstrahlung eingesetzt wird. Diese wird durch die Kammer abgeschirmt, um sicherzustellen, dass trotzdem auf eine etwaige Strahlenbelastung durch das System reagiert werden kann, misst das Gerät die Strahlung während den Versuchen und warnt im Notfall. - dem Neutronendetektor.
	Vesuchsaufbau mit Neutronendetektor
Mit dem Neutronendetektor nm500 der Firma Münchner Apparate Bau werden die bei der Fusion entstehenden Neutronen erfasst und ablaufenden Fusionsreaktionen nachgewiesen. Bei dem Neutronendetektor handelt es sich um einen von einem Polyethylen- Moderator umgebenes Bortriflourid (BF3) –Proportionalzählrohr. Neutronen im Energiebereich zwischen 0,025eV-10MeV werden durch den Moderator so abgebremst, dass sie mit dem Bor in der Röhre reagieren können: Das entstehende Alphateilchen Ionisiert das Zählrohr, sodass ein kurzer Spannungsstoß erfolgt. Diese Impulse werden von der internen Elektronik in eine entsprechende Äquivalentdosis umgerechnet. Da bei den Fusionsversuchen keine größere Äquivalentdosis als 1µSv/h in der Umgebung der Vakuumkammer zu erwarten ist, werden die gesetzlichen Vorschriften in jedem Fall während des Betriebs eingehalten. Es besteht kein Risiko durch Strahlenschäden.
Der eingesetzte Neutronendetektor besitzt ein rundes Zählrohr mit einem einer wirksamen Querschnittsfläche von AW˜10cm2. Mit einem intrinsischem Ansprechvermögen von ei=0,01 wird in dem Detektor jedoch nur etwa jedes hundertste Neutron, welches die wirksame Querschnittfläche durchdringt, registriert. Geht man nun davon aus, dass die entstehenden Fusionsneutronen gleichmäßig (isotrop) von dem punktförmigen Plasma in der Mitte der Gitterkathode emittiert werden, ergibt sich bei einer Quellstärke Q eine gemessene Impulszahl RM von Da Q gleich der Anzahl der entstehenden Fusionsneutronen im Neutronenzweig ist kann bei D-D-Plasmen die Gesamtfusionsrate (Neutronen- und Protonenzweig) bestimmt werden: Da die erzeugte Leistung der D-D-Reaktionen im Durchschnitt (Neutronen- und Protonenzweig mit einander verrechnet) eine Energie von 3,65MeV erzeugt, ist die gesamte freiwerdende Energie durch Fusion .
	Neutronendetektor

	Oszilloskop mit Zähler