DE102019008424A1

DE102019008424A1 - DCR plasma system for generating the highest temperatures

Info

Publication number: DE102019008424A1
Application number: DE102019008424.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Heuermann
Original assignee: Heuermann Hf Technik GmbH
Current assignee: Heuermann Hf Technik GmbH
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine neuartige Konstruktion zum Aufbau einer Plasmaanlage mittels kohärent angesteuerten GHz-Generatoren, die insbesondere dazu geeignet ist, ein extrem heißes Plasma (100 Mill. K) in einem Resonanzelement (DCR: Dipol-Canal-Resonance) zu erzeugen. Dieses DCR-Plasma ist somit geeignet in der Kernfusionstechnik wie auch der wissenschaftlichen Forschung von Werkstoffen und der Produktionstechnik in Form von lonen- und Plasmaquellen wie auch Schweißgeräten eingesetzt zu werden.Durch eine starke Mikrowelleneinstrahlung wird ein (linienförmiges) Plasma im freien Raum oder im Mittelpunkt eines kugel- oder zylinderförmigen (zum größten Teil) geschlossenen Volumens erzeugt. Dieses Plasma wird durch die kontinuierliche Zufuhr von Mikrowellenenergie vergrößert und in einem Lambda/2-Bereich der Einspeisefrequenz kurz extrem dünnen Kanal im DCR bei extrem hoher Temperaturer gehalten. Zusätzliche Magnetfelder sind nicht notwendig.Eine derartige Anlage ist im Vergleich zu den bekannten Fusionsanlagen um Größenordnungen preisgünstiger und viel einfacher zu entwickeln.Diese DCR-Plasmaanlage kann mit verringerten Leistungen und Geräteaufwand auch für mittlere Temperaturen aufgebaut und als lonen- oder Plasmaquelle der in den Bereichen Industrietechnik und Werkstoffforschung wie auch der Schmelz-, Verdampfungs- und Schweißtechnik eingesetzt werden.The invention includes a novel design for building a plasma system using coherently controlled GHz generators, which is particularly suitable for generating an extremely hot plasma (100 million K) in a resonance element (DCR: Dipole Canal Resonance). This DCR plasma is therefore suitable for use in nuclear fusion technology as well as in the scientific research of materials and production technology in the form of ion and plasma sources as well as welding equipment. A (linear) plasma is created in free space or in the center by strong microwave radiation a spherical or cylindrical (for the most part) closed volume is generated. This plasma is enlarged by the continuous supply of microwave energy and kept in a lambda / 2 range of the feed frequency in a short, extremely thin channel in the DCR at extremely high temperatures. Additional magnetic fields are not necessary. Compared to the known fusion systems, such a system is orders of magnitude cheaper and much easier to develop. This DCR plasma system can also be set up for medium temperatures with reduced power and equipment and as an ion or plasma source in the areas Industrial technology and materials research as well as melting, evaporation and welding technology are used.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Darstellung des Standes der Technik bezieht sich zunächst insbesondere auf die Fusionstechnik, da nur diese zurzeit Anlagen bietet, mit denen sich höchste Temperaturen erzielen lassen. Aber auch die Ionenquellen arbeiten mit den gleichen Anlagen, bei deutlich geringeren Leistungen.The presentation of the state of the art initially relates in particular to fusion technology, as only this currently offers systems with which the highest temperatures can be achieved. But the ion sources also work with the same systems, with significantly lower powers.

Bei der Fusion (Verschmelzung) bestimmter leichter Atomkerne wird Energie freigesetzt. Damit es zwischen zwei - immer positiv geladenen - Atomkernen (Ionen) zur Reaktion kommt, muss jedoch zunächst ihre gegenseitige elektrische Abstoßung überwunden werden.When certain light atomic nuclei are fused together, energy is released. In order for a reaction to occur between two - always positively charged - atomic nuclei (ions), their mutual electrical repulsion must first be overcome.

Für einen Netto-Energiegewinn im technischen Maßstab muss die Reaktion als energetische Kettenreaktion - ähnlich einer chemischen Kettenreaktion wie etwa in einem brennenden Feuer - ablaufen, ohne dass man die Ionen durch ständige äußere Energiezufuhr beschleunigt. Die notwendige kinetische Energie der Ionen für das Auftreten genügend vieler Fusionsreaktionen entspricht einer Temperatur von über 100 Millionen Grad Celsius. Materie befindet sich bei diesen Temperaturen im Plasma-Zustand, in dem die verbleibenden Atomkerne (Ionen) von ihren Elektronen vollkommen getrennt sind.For a net energy gain on an industrial scale, the reaction must take place as an energetic chain reaction - similar to a chemical chain reaction such as in a burning fire - without the ions being accelerated by constant external energy input. The necessary kinetic energy of the ions for a sufficient number of fusion reactions to occur corresponds to a temperature of over 100 million degrees Celsius. At these temperatures, matter is in a plasma state in which the remaining atomic nuclei (ions) are completely separated from their electrons.

Um die Fusions-Kettenreaktion einzuleiten, wird daher zunächst ein Plasma geeigneter Dichte hergestellt und durch Zufuhr von Energie von außen auf die nötige Temperatur gebracht. Bei genügend hoher Temperatur „zündet“ dann die Kettenreaktion, das heißt, ein Teil der bei den Verschmelzungen gewonnenen Energie hält diese hohe Temperatur ohne weitere äußere Energiezufuhr aufrecht und leitet jeweils durch Teilchenstöße weitere Verschmelzungen ein.In order to initiate the fusion chain reaction, a plasma of suitable density is first produced and brought to the required temperature by supplying energy from outside. When the temperature is high enough, the chain reaction “ignites”, that is, part of the energy gained during the fusions maintains this high temperature without additional external energy input and initiates further fusions through particle collisions.

Anders als beim Kernspaltungsreaktor enthält das Reaktionsgefäß eines Fusionsreaktors keinen Brennstoffvorrat für längere Betriebszeit. Der Brennstoff muss vielmehr dem Verbrauch entsprechend laufend nachgefüllt werden. Deshalb kann auch nicht eine übergroße Energiemenge plötzlich unkontrolliert frei werden. Unfälle in der Art von Reaktorexplosionen oder Kernschmelzvorgängen sind nicht möglich.In contrast to the nuclear fission reactor, the reaction vessel of a fusion reactor does not contain a fuel supply for longer operating times. Rather, the fuel has to be topped up continuously according to consumption. Therefore, an excessive amount of energy cannot suddenly be released in an uncontrolled manner. Accidents like reactor explosions or core meltdowns are not possible.

Ein Deuterium-Tritium-Gemisch, im Folgenden kurz „DT“, ist der Fusionsbrennstoff, auf dem bis jetzt die gesamte Fusionstechnologie - die zivile ebenso wie die der Kernwaffen - beruht.A deuterium-tritium mixture, hereinafter referred to as “DT” for short, is the fusion fuel on which the entire fusion technology - civil as well as nuclear weapons - has been based up to now.

Für eine selbst erhaltende energetische Kettenreaktion, die mehr Energie liefert, als zu ihrer Einleitung aufgewendet wurde, muss bei gegebener Temperatur des DT-Plasmas das Produkt aus der Plasmadichte und der Einschlussdauer, während der diese Dichte und Temperatur aufrechterhalten bleiben, einen bestimmten Mindestwert übersteigen (Lawson-Kriterium). Das Plasma muss dabei so eingeschlossen werden, dass es nicht mit der Gefäßwand zusammenstößt, weil es sonst sofort auskühlen würde.For a self-sustaining energetic chain reaction that delivers more energy than was used to initiate it, the product of the plasma density and the confinement time during which this density and temperature are maintained must exceed a certain minimum value at a given temperature of the DT plasma ( Lawson criterion). The plasma must be enclosed in such a way that it does not collide with the vessel wall, otherwise it would cool down immediately.

Diese Bedingung kann auf zwei ganz verschiedene Arten erfüllt werden:

• mit mäßig hoher Plasmadichte und dauerhaftem - mindestens minutenlangem
- - Einschluss des Plasmas durch Magnetfelder;
• mit extrem hoher Plasmadichte und sehr kurz dauerndem Einschluss (Nanosekunden), der durch die Massenträgheit des Plasmas selbst bewirkt wird.

This condition can be met in two very different ways:

• with moderately high plasma density and permanent - at least minutes
- - confinement of the plasma by magnetic fields;
• with extremely high plasma density and very brief inclusion (nanoseconds), which is caused by the inertia of the plasma itself.

Die technologische Entwicklung zur zivilen Nutzung der Fusionsenergie umfasst bis heute fast nur die magnetische Einschlussmethode.The technological development for the civil use of fusion energy includes almost only the magnetic containment method to this day.

In Tokamaks und Stellaratoren schließt ein torusförmiges, verdrilltes Magnetfeld das Plasma ein. Tokamaks erzeugen die Verdrillung durch Induzieren eines elektrischen Stroms in das Plasma, Stellaratoren haben stattdessen spezielle, komplizierte Formen der Magnetfeldspulen.In tokamaks and stellarators, a toroidal, twisted magnetic field encloses the plasma. Tokamaks create the twist by inducing an electric current into the plasma, stellarators instead have special, complicated shapes of magnetic field coils.

Der Tokamak ist das am weitesten fortgeschrittene und das international mit ITER verfolgte Konzept. Er hat jedoch den prinzipbedingten Nachteil, dass sein Betrieb nicht kontinuierlich, sondern nur gepulst, dass heißt mit regelmäßigen kurzen Unterbrechungen, möglich ist. Deshalb wird als Alternative auch die Stellarator-Entwicklungslinie mit öffentlichen Forschungsmitteln unterstützt.The tokamak is the most advanced and the concept pursued internationally with ITER. However, it has the inherent disadvantage that its operation is not possible continuously, but only in a pulsed manner, that is, with regular short interruptions. Therefore, as an alternative, the stellarator development line is also supported with public research funds.

Ein Netto-Energiegewinn erfordert

• relativ große Reaktorgefäße, da nur in diesen genügend hohe Plasmatemperaturen erreicht und gehalten werden können,
• den Einsatz supraleitender Magnetspulen, damit deren elektrischer Energieverbrauch gering bleibt.

A net energy gain requires

• Relatively large reactor vessels, as only in these can sufficiently high plasma temperatures be reached and maintained,
• the use of superconducting magnet coils so that their electrical energy consumption remains low.

Auch einige existierende Versuchsanlagen wie Wendelstein 7-X und ITER verwenden bereits supraleitende Spulen. Letztere soll erstmals einen Energiegewinn/ eine Energieproduktion nachweisen.Some existing test facilities such as Wendelstein 7-X and ITER already use superconducting coils. The latter is intended to demonstrate an energy gain / energy production for the first time.

Bemerkung zur Terminologie: Mit der Bezeichnung „Reaktor“ ist meist die Gesamtanlage gemeint, die schon bei den heutigen Versuchseinrichtungen aus vielen Teilen besteht: mindestens aus dem Plasmagefäß, der Magnetspulenanordnung mit Stromversorgung und ggf. einer kryotechnischen Anlage, Plasma-Heizeinrichtungen sowie Messeinrichtungen. Beim zukünftigen Fusionskraftwerk kommen noch das Banket (Reaktormantel) mit Kühlkreislauf, eine Anlage zur Tritiumaufarbeitung, der/die Dampferzeuger und Turbinen-Generator-Sätze dazu.Note on terminology: The term “reactor” usually refers to the entire system, which in today's test facilities already consists of many parts: at least the plasma vessel, the magnet coil arrangement with power supply and possibly a cryotechnical one System, plasma heating devices and measuring devices. In the future fusion power plant, the bank (reactor jacket) with cooling circuit, a system for tritium processing, the steam generator (s) and turbine generator sets will also be added.

Um den Prozess in Gang zu bringen, müssen in das viele Kubikmeter große, fast völlig evakuierte Reaktionsgefäß einige Gramm DT-Gasgemisch eingelassen und dann „von außen“ zu einem Plasma von etwa 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Die Teilchendichte (Zahl der Teilchen pro Kubikzentimeter) entspricht dann noch immer einem Hochvakuum, aber wegen der hohen Temperatur übt das Plasma einen Druck der Größenordnung 1 Bar aus, der durch das Magnetfeld gehalten werden muss.In order to get the process going, a few grams of DT gas mixture must be let into the many cubic meters large, almost completely evacuated reaction vessel and then heated "from the outside" to a plasma of around 100 million degrees. The particle density (number of particles per cubic centimeter) still corresponds to a high vacuum, but because of the high temperature the plasma exerts a pressure of the order of 1 bar, which must be maintained by the magnetic field.

Für das Aufheizen werden verschiedene Methoden entwickelt:

• Elektrisches Aufheizen: Plasma ist ein elektrischer Leiter und kann mittels eines induzierten elektrischen Stromes aufgeheizt werden. Allerdings steigt die Leitfähigkeit des Plasmas mit steigender Temperatur, so dass der dem Strom entgegen gesetzte Widerstand ab etwa 20-30 Millionen Grad nicht mehr ausreicht, das Plasma stärker zu erwärmen.
• Neutralteilchen-Einschluss: Beim Einschießen schneller neutraler Atome in das Plasma („neutral beam injection“) bewirkt die kinetische Energie der Atome - die im Plasma sofort ionisiert werden - das Aufheizen des Plasmas.
• Ionen-Einschuss: Ionen- oder Schwerionenstrahlen werden in das Plasma geschossen. Diese lassen sich relativ leicht erzeugen und beschleunigen und tragen eine sehr hohe Energie in das Plasma.
• Magnetische Kompression: Das Plasma kann wie ein Gas durch schnelles („adiabatisches“) Zusammenpressen erwärmt werden. Ein Magnetfeld ist geeignet, das Plasma zusammenzupressen. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Methode ist, dass zugleich die Plasmadichte erhöht wird.
• Elektromagnetische Wellen: Mikrowellen können die Ionen und Elektronen im Plasma auf ihren Resonanzfrequenzen anregen und somit Energie in das Plasma übertragen. Diese Methoden des Aufheizens werden „ion cyclotron radio frequency“ (ICRF) beziehungsweise „electron cyclotron resonance heating“ (ECRH) genannt.

Various methods are being developed for heating up:

• Electrical heating: Plasma is an electrical conductor and can be heated by means of an induced electrical current. However, the conductivity of the plasma increases with increasing temperature, so that the resistance set against the current from around 20-30 million degrees is no longer sufficient to heat the plasma more strongly.
• Neutral particle inclusion: When fast neutral atoms are injected into the plasma (“neutral beam injection”), the kinetic energy of the atoms - which are immediately ionized in the plasma - causes the plasma to be heated.
• Ion injection: ion or heavy ion beams are shot into the plasma. These can be generated and accelerated relatively easily and carry a very high amount of energy into the plasma.
• Magnetic compression: The plasma can be heated like a gas by rapid (“adiabatic”) compression. A magnetic field is suitable for compressing the plasma. An additional advantage of this method is that the plasma density is increased at the same time.
• Electromagnetic waves: Microwaves can excite the ions and electrons in the plasma to their resonance frequencies and thus transfer energy into the plasma. These heating methods are called "ion cyclotron radio frequency" (ICRF) or "electron cyclotron resonance heating" (ECRH).

Wenn die Fusionsreaktion dann als energetische Kettenreaktion abläuft, geben die gebildeten Heliumkerne ihre Energie - ein Fünftel der Energieausbeute der Kernreaktion (3,5 MeV) - durch Stöße an Deuterium- und Tritiumkerne ab und erhalten so die notwendige Plasmatemperatur aufrecht.When the fusion reaction then takes place as an energetic chain reaction, the helium nuclei formed give off their energy - one fifth of the energy yield of the nuclear reaction (3.5 MeV) - through collisions with deuterium and tritium nuclei and thus maintain the necessary plasma temperature.

Zum Nachfüllen von Brennstoff während der Brenndauer des Plasmas hat sich das Hineinschießen von „Pellets“ aus einem gefrorenen DT-Gemisch in das Gefäß als geeignete Technik erwiesen. Solche Pellets mit einer Masse von beispielsweise 1 mg werden hierfür durch eine Zentrifuge oder pneumatisch (mit einer Art Gasgewehr) auf eine Geschwindigkeit in der Größenordnung 1000 m/s gebracht. Diese Nachfüllmethode gestattet es, durch die Wahl der Einschussstelle und der Pelletgeschwindigkeit die räumliche Dichteverteilung des Plasmas gezielt zu beeinflussen.For refilling fuel while the plasma is burning, shooting “pellets” from a frozen DT mixture into the vessel has proven to be a suitable technique. For this purpose, such pellets with a mass of, for example, 1 mg are brought to a speed of the order of magnitude of 1000 m / s by a centrifuge or pneumatically (with a kind of gas gun). This refill method makes it possible to specifically influence the spatial density distribution of the plasma through the choice of the injection point and the pellet speed.

Von der Energieausbeute der Kernreaktion (pro Einzelreaktion 17,6 MeV) treten vier Fünftel, also 14,1 MeV, als Bewegungsenergie des erzeugten Neutrons auf. Die Neutronen werden vom Magnetfeld nicht beeinflusst, durchdringen leicht die Wand des Plasmagefäßes und gelangen damit in das Blanket, wo sie zunächst durch Stöße ihre Energie als nutzbare Wärme abgeben und danach zum Erbrüten je eines Tritiumatoms dienen. Mit dieser Wärme wird - wie in Kraftwerken und Kernspaltungsreaktoren - Dampf erzeugt, der in herkömmlicher Weise Turbinen mit angekoppelten Stromgeneratoren antreibt.Four fifths of the energy yield of the nuclear reaction (17.6 MeV per individual reaction) occur as kinetic energy of the generated neutron, i.e. 14.1 MeV. The neutrons are not influenced by the magnetic field, they easily penetrate the wall of the plasma vessel and thus get into the blanket, where they first give off their energy as usable heat through impacts and then each serve to incubate a tritium atom. As in power plants and nuclear fission reactors, this heat is used to generate steam that conventionally drives turbines with connected electricity generators.

TrägheitsfusionInertial fusion

In einem Trägheitseinschluss-Fusionsreaktor würden, stark vereinfacht gesagt, sehr kleine Wasserstoffbomben in einem Reaktorgefäß gezündet werden. Das Problem, die nötige Zündenergie genügend schnell (innerhalb weniger Nanosekunden) in ein Zielvolumen von weniger als einem Kubikzentimeter zu bringen, lässt sich mittels Laserstrahlen oder lonenstrahlen aus Teilchenbeschleunigern lösen. Der dadurch extrem schnell aufgeheizte Brennstoff - beispielsweise 2,5 Milligramm DT, also rund 3×10²⁰ Atompaare - wird durch Rückstoßeffekte zu einem Plasma sehr hoher Dichte, dessen Fusionsprozess insgesamt eine Energie von 1 GJ freisetzt. Die Reaktion läuft nur so lange ab, wie der Brennstoff durch seine Massenträgheit zusammenhält (Picosekunden), aber wegen der Dichte genügt dies für einen großen Netto-Energiegewinn. In einem Reaktor dieser Art würden pro Sekunde mehrere eingeschossene DT-„Targets“ abbrennen.Put simply, in an inertial confinement fusion reactor, very small hydrogen bombs would be detonated in a reactor vessel. The problem of bringing the necessary ignition energy sufficiently quickly (within a few nanoseconds) to a target volume of less than one cubic centimeter can be solved by means of laser beams or ion beams from particle accelerators. The fuel, which is heated up extremely quickly as a result - for example 2.5 milligrams DT, i.e. around 3 × 10 ²⁰ atom pairs - becomes a very high density plasma through recoil effects, the fusion process of which releases a total of 1 GJ of energy. The reaction only takes place as long as the fuel holds together due to its inertia (picoseconds), but because of the density, this is sufficient for a large net energy gain. In a reactor of this type, several shot-in DT “targets” would burn down every second.

Für Trägheitseinschluss-Reaktoren gibt es Anlagen (National Ignition Facility in USA und Laser Megajoule in Frankreich), in denen die Zündung von Fusionsplasmen mit Laserstrahlen erforscht wird. Erklärter Zweck der Versuche ist es, die eingestellten früheren Kernwaffentests zu ersetzen. Die zu erwartenden physikalischen Grundlagenerkenntnisse würden jedoch auch einer zivilen Reaktorentwicklung nützen. Laserstrahlen werden verwendet, weil Hochleistungslaser beispielsweise schon im Rahmen des SDI-Projektes weit entwickelt worden sind. Für Reaktorkraftwerke, also Anlagen mit Netto-Energiegewinn, sind jedoch gerade Laser wegen ihrer geringen Wirkungsgrade kaum geeignet.For inertial confinement reactors there are systems (National Ignition Facility in the USA and Laser Megajoule in France) in which the ignition of fusion plasmas with laser beams is researched. The stated purpose of the tests is to replace the previously discontinued nuclear weapons tests. The basic knowledge of physics to be expected would, however, also be of use to civilian reactor development. Laser beams are used because high-power lasers, for example, have already been developed extensively within the framework of the SDI project. For reactor power plants, i.e. plants with net Energy gain, however, lasers in particular are hardly suitable because of their low efficiency.

Kritik am Stand der TechnikCriticism of the state of the art

Anlagen zur Erzeugung von Temperatur im Bereich von 0,01-100 Mil. K gibt es z. Z. nur im Bereich der Kernfusion. Anlagen in diesem Temperaturbereich für die wissenschaftliche Materialforschung oder industriellen Prozesstechnik gibt es nicht.Systems for generating temperature in the range of 0.01-100 mils. There are e.g. Currently only in the area of nuclear fusion. There are no systems in this temperature range for scientific materials research or industrial process technology.

Die Anlagen der Fusionstechnik verwenden torusförmige Plasmagefäße, die durch extrem teuere supraleitende Magnetspulen im Innern ein Plasma von der Außenwand trennen.Fusion technology systems use toroidal plasma vessels that separate a plasma from the outer wall by means of extremely expensive superconducting magnetic coils inside.

Dieser torusförmige Aufbau ist sehr groß, komplex und teuer. Der Energieaufwand zur Erzielung der notwendigen Starttemperaturen in diesem ringförmigen Aufbau ist ungleich größer zu einem Aufbau ähnlich in einer Punktquelle.This toroidal structure is very large, complex and expensive. The energy expenditure to achieve the necessary starting temperatures in this ring-shaped structure is much greater than in a structure similar to a point source.

Die gesamten Lösungen der Kernfusion sind derartig groß und teuer, dass diese sich nicht in anderen Bereichen nutzen lassen.All nuclear fusion solutions are so large and expensive that they cannot be used in other areas.

Bereits als Stand der Technik wird Mikrowellen- und Laserenergie zur Erzeugung von Plasmen genutzt.Microwave and laser energy is already used as the state of the art to generate plasmas.

Bei der Energiezufuhr mittels Mikrowellenenergie gibt es Probleme mit den sich ändernden Lastverhältnissen. Deshalb verändert man in industriell genutzten Anlagen die Impedanztransformation durch mechanische Änderung von Kondensatoren oder man verändert die Frequenz ([1], Heuermann, H., Hochfrequenzzündanlage für Kraftfahrzeuge, D102005005792.9, 07.02.2006). Letzteres ist schnell aber auch nur über gewisse Plasmengrößen anwendbar. Weiterhin weist ein Hochfrequenzplasma den Nachteil auf, dass es eine relative große Ausdehnung hat.When energy is supplied by means of microwave energy, there are problems with the changing load conditions. Therefore one changes the impedance transformation in industrially used systems by mechanical change of capacitors or one changes the frequency ([1], Heuermann, H., high frequency ignition system for motor vehicles, D102005005792.9, 07.02.2006). The latter can be applied quickly but only over certain plasma sizes. Furthermore, a high-frequency plasma has the disadvantage that it is relatively large in size.

Die Energiezufuhr durch Hochleistungslaser zeichnet sich durch einen kleinen in im freien Raum frei wählbaren Plasmapunkt aus. Nachteilig ist, dass die Energie in diesem Punkt nicht beliebig vergrößert werden kann, da die einfallende Laserenergie mit zunehmender Plasmagröße immer stärker reflektiert wird.The energy supply by high-power lasers is characterized by a small plasma point that can be freely selected in the free space. The disadvantage is that the energy at this point cannot be increased as desired, since the incident laser energy is reflected more and more as the size of the plasma increases.

Deshalb ist es nicht sinnvoll für die Erzeugung von Höchsttemperaturplasmen nur Mikrowellengeneratoren oder Hochleistungslaser einzusetzen.Therefore it does not make sense to use only microwave generators or high-power lasers for the generation of high-temperature plasmas.

Die Einspeisung durch die bekannten Techniken (elektrisches Aufheizen, Neutralteilchen-, Ionen-Einschuss, magnetische Kompression und ICRF bzw. ECRH) haben den Nachteil, dass das gesamte Plasma in einem recht großen Volumen erwärmt wird.Feeding in using the known techniques (electrical heating, neutral particle injection, ion injection, magnetic compression and ICRF or ECRH) have the disadvantage that the entire plasma is heated in a fairly large volume.

Erzielbare VorteileAchievable benefits

Gegenstand der Erfindung ist der Aufbau einer DCR-Plasmaanlage (DCR: Dipol-Canal-Resonance), basierend auf einem relativ schmalbandigen Hochfrequenzsignal (im dreistelligen MHz- und gesamten GHz-Bereich) und gegebenenfalls einem zusätzlichen Leistungslaser, der ein punktförmiges Plasma zur Zündung erzeugt. Das DCR-Plasma, dass durch die Energieeinspeisung durch Mikrowelle über einen extrem dünnen Dipol-Kanal, der sich in Resonanz befindet, bietet hier viele Vorteile.The invention relates to the construction of a DCR plasma system (DCR: Dipol-Canal-Resonance) based on a relatively narrow-band high-frequency signal (in the three-digit MHz and entire GHz range) and optionally an additional power laser that generates a punctiform plasma for ignition . The DCR plasma, which is supplied by microwave energy via an extremely thin dipole channel that is in resonance, offers many advantages here.

Im Gegensatz zu einer ECR-Anlage ist das DCR-Plasma extrem kurz. Die Länge liegt typisch bei Lambda/2 der Wellenlänge der Betriebsfrequenz, kann aber auch kürzer gewählt werden. Zusätzlich ist durch den Wegfall der Magneten der Wirkungsgrad einer DCR-Anlage um Größenordnungen höher als der Wirkungsgrad einer ECR-Anlage.In contrast to an ECR system, the DCR plasma is extremely short. The length is typically lambda / 2 of the wavelength of the operating frequency, but it can also be chosen to be shorter. In addition, by eliminating the magnets, the efficiency of a DCR system is orders of magnitude higher than the efficiency of an ECR system.

Für eine Anwendung im Fusionsreaktor wird mittels des Lasers ein punktförmiges Plasma im unter Vakuum befindlichen Reaktor erzeugt. Dieses Plasma wird durch die Zufuhr von mehreren kohärent angesteuerten Mikrowellenenergiequellen vergrößert. Zusätzliche (supraleitende) Magnetfelder sind i.d.R. nicht notwendig, da

• über das Plasma bereits ein Temperaturgefälle besteht,
• die Reaktor einen ungleich größeren Durchmesser zum Torusschlauchdurchmesser haben kann,

For use in the fusion reactor, a point-shaped plasma is generated in the reactor under vacuum by means of the laser. This plasma is enlarged by the supply of several coherently controlled microwave energy sources. Additional (superconducting) magnetic fields are usually not necessary because

• there is already a temperature gradient across the plasma,
• the reactor can have a diameter that is not the same as the diameter of the torus tube,

Eine derartige Anlage ist im Vergleich zu den bekannten Fusionsanlagen um Größenordnungen preisgünstiger und viel schneller zu entwickeln.Compared to the known fusion systems, such a system is orders of magnitude cheaper and can be developed much faster.

Ein DCR-Fusionsreaktor mit einem Absorptionsgebiet, das sich im Mittelpunkt des Reaktors befindet, hat Vorteile in Hinblick einer besseren Wärmeverteilung und geringen Oberflächen.A DCR fusion reactor with an absorption area that is located in the center of the reactor has advantages in terms of better heat distribution and small surface areas.

Gegenüber der Einspeisung durch den bekannten Techniken (elektrisches Aufheizen, Neutralteilchen-, Ionen-Einschuss, magnetische Kompression und ICRF bzw. ECRH) wird nicht das gesamte Plasma, sondern nur das Plasma im Mittelpunkt durch Energieeinspeisung erwärmt. Folglich bildet sich bereits über das Plasma ein Temperaturgefälle zum Rand hin aus.In contrast to the feed by the known techniques (electrical heating, neutral particles, ion injection, magnetic compression and ICRF or ECRH), not the entire plasma, but only the plasma in the center is heated by energy input. As a result, a temperature gradient is already formed across the plasma towards the edge.

Das linienförmige Höchsttemperaturplasma ist vergleichbar mit den Bedingungen in der Sonne. Die Zuführung von DT kann in den bekannten Techniken wie dem Hineinschießen von Pellets durchgeführt werden.The linear high-temperature plasma is comparable to the conditions in the sun. The supply of DT can be carried out in the known Techniques such as shooting pellets can be performed.

Für eine Anwendung im mittleren Temperaturbereich wird ggf. mittels des Lasers ein punktförmiges Plasma in einer geschlossenen Anlage unter Normaldruck oder nur geringen Ober- oder Unterdruck erzeugt. Dieses Plasma wird durch die Zufuhr von Mikrowellenenergie vergrößert und die DCR-Form erzielt. Zusätzliche Magnetfelder sind nicht notwendig, da sich das Plasma im freien Raum in mitten der Anlage befindet und eine große Luftschicht dieses von den Wänden isoliert.For use in the medium temperature range, the laser may be used to generate a punctiform plasma in a closed system under normal pressure or only slightly over or under pressure. This plasma is enlarged by the addition of microwave energy and the DCR shape is achieved. Additional magnetic fields are not necessary, as the plasma is in the free space in the middle of the system and a large layer of air isolates it from the walls.

Weitere Ausgestaltung der ErfindungFurther embodiment of the invention

Die DCR-Anlage kann mit verringerten Leistungen und Geräteaufwand auch für geringere Temperaturen (1000 - 1 Mill. K) aufgebaut werden. In diesen Bereich können sich neue physikalische Forschungsbereiche im Höchsttemperaturverhalten von Werkstoffen auftun.The DCR system can also be set up for lower temperatures (1000 - 1 million K) with reduced performance and equipment costs. In this area, new physical research areas can open up into the maximum temperature behavior of materials.

Weiterhin kann es eine Alternative zu den bereits zahlreichen vorhandenen Schweißtechniken (unter denen das bereits bekannte Plasmaschweißen sehr gute Ergebnisse liefert) oder auch dem HF-Skalpell werden.Furthermore, it can be an alternative to the numerous existing welding techniques (among which the already known plasma welding delivers very good results) or the HF scalpel.

Bei kleineren Leistungen ist es auch nicht mehr notwendig das Plasma in einer geschlossenen Anlage zu betreiben. Eine offene Anlage unter Normaldruck ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen.With lower outputs it is no longer necessary to operate the plasma in a closed system. An open system under normal pressure enables a multitude of applications.

Ohne mechanische Bewegung können viele Schweißpunkte im Raum angesteuert werden. Allein dieser Vorteil ist in der Produktionstechnik ein sehr wichtiges Kriterium, da der Schweißvorgang deutlich schneller abläuft.Many welding points in space can be controlled without mechanical movement. This advantage alone is a very important criterion in production technology, since the welding process is much faster.

Ebenso ist eine Werkstoffanalyse über durch das Hybridplasma gelöste Partikel möglich.A material analysis is also possible using particles dissolved by the hybrid plasma.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Bereits in [1] wurde ausführlich dargestellt, dass sich eine hohe lonisationsdichte in einem Gas mittels Hochfrequenzenergie (HF-Energie) hauptsächlich über die Höhe der elektrischen Feldstärke erzielen lässt.It was already shown in detail in [1] that a high ionization density in a gas can be achieved by means of high-frequency energy (HF energy) mainly via the level of the electric field strength.

Neben dem klassischen Weg eine hohe HF-Feldstärke nur durch eine Leistungserhöhung zu erreichen, werden in [1] Alternativen gezeigt, wie man über Impedanztransformation hohe Feldstärke erreicht. Da die Impedanztransformation deutlich preisgünstiger als die HF-Leistungsgeneration ist, sind diese Techniken auch für die DCR-Plasmen zu bevorzugen.In addition to the classic way of achieving a high RF field strength only by increasing the power, alternatives are shown in [1] on how to achieve high field strengths via impedance transformation. Since the impedance transformation is significantly cheaper than the HF power generation, these techniques are also preferable for DCR plasmas.

Die Aufbau des Reaktors bzw. der Quelle, in der sich das DCR-Plasmas befindet, besteht aus mindestens einem Kreis (eine Ebene) von HF-Generatoren (mindestens 3, möglichst viele) und je einer anschließenden Antenne (ggf. mit einer Linse) sowie optimal einem Hochleistungslaser oder Plasmajet.The structure of the reactor or the source in which the DCR plasma is located consists of at least one circle (one level) of HF generators (at least 3, as many as possible) and a connecting antenna each (possibly with a lens) and ideally a high-performance laser or plasma jet.

Ein einfaches DCR-System mit 4 Generatoren und optionalem Laser ist in 1 dargestellt.A simple DCR system with 4 generators and optional laser is in 1 shown.

Eine rechnerunterstützte Steuerung 10 (PC) moduliert den optionalen Leistungslaser dergestalt, dass sich dessen über die Glasfaser 12 abgestrahlte Laserenergie im Plasmabereich 17 konstruktiv überlagert und dort ein punktförmiges Plasma erzeugt.A computer-aided control 10 (PC) modulates the optional power laser in such a way that it spreads over the optical fiber 12th emitted laser energy in the plasma range 17th superimposed constructively and there a point-shaped plasma is generated.

Auf diesen Plasmapunkt strahlen die kohärenten HF-Leistungsquelle 13a, 13b, 18a und 18b über eine Verbindungsleitung 14, einer Antenne mit dielektrischer Durchführung 15 und ggf. einer Linse 16.The coherent HF power sources radiate onto this plasma point 13a , 13b , 18a and 18b via a connecting line 14th , an antenna with a dielectric feedthrough 15th and possibly a lens 16 .

Die HF-Quellen generieren ein monofrequentes Signal (Sinussignal), das bevorzugt im ein- oder zweistelligen GHz-Bereich ist.The HF sources generate a monofrequency signal (sinusoidal signal), which is preferably in the one or two-digit GHz range.

Das HF-System ist so ausgelegt, dass dieses möglichst gut an der Last des Plasmas angepasst ist und somit möglichst viel HF-Energie im Plasma absorbiert wird. Dadurch wird dieses noch weiter erhitzt und somit steigt der Plasmadruck und auch die Ausdehnung.The HF system is designed in such a way that it is adapted as well as possible to the load of the plasma and thus as much HF energy as possible is absorbed in the plasma. As a result, this is heated even further and thus the plasma pressure and also the expansion increase.

Die elektrisch geladenen Teilchen werden durch die Magnetfelder in der Mitte zu einer Linie mit der Länge von Lambda/2 gesammelt, wie es bei anderen Systemen durch die (supraleitenden) Magneten erzeugt wird.The electrically charged particles are collected by the magnetic fields in the middle to form a line with the length of lambda / 2, as it is generated in other systems by the (superconducting) magnets.

Auslegung der EinkoppelantennenDesign of the coupling antennas

Die Antennen 15 werden im einfachsten Fall wie in 1 dargestellt nur in einer Ebene angeordnet. Dann genügt eine zylinderförmige Gestaltung der Plasmakammer (des Reaktors). Wenn man das schmale Linienplasma mit extrem hoher energiedichte generieren möchte, dann muss man mehr als 4 Antennen pro Ebene und mindestens 5 Ebenen verwenden. Hier bietet sich die kugelförmige Plasmakammer an: Es muss das Feldbild eines Hertzschen Dipols möglichst gut nachgebildet werden!The antennas 15th are in the simplest case as in 1 shown arranged in one plane only. Then a cylindrical design of the plasma chamber (the reactor) is sufficient. If you want to generate the narrow line plasma with extremely high energy density, then you have to use more than 4 antennas per level and at least 5 levels. The spherical plasma chamber is ideal here: the field image of a Hertzian dipole must be reproduced as well as possible!

Um diesen gewünschten Effekt des Linienstromes zu erzielen legt man die Anlage wie folgt aus: Man verwendet einen Feldsimulator zur Berechnung von elektromagnetischen Feldern. In diesem gibt man die Linie im Mittelpunkt des Reaktors in Form einer Dipolantenne mit einem extrem kurzen „Lumped Element Port“ vor. Letztere weist die Torimpedanz Zx auf. Zx berechnet sich aus der gewünschten im Resonator gespeicherten Energie und den zugehörigen Stromfluss. In order to achieve this desired effect of the line current, the system is designed as follows: A field simulator is used to calculate electromagnetic fields. In this, the line in the center of the reactor is given in the form of a dipole antenna with an extremely short "lumped element port". The latter has the toroidal impedance Zx. Zx is calculated from the desired energy stored in the resonator and the associated current flow.

Hierfür muss ein linienförmiger Plasmakanal analytisch beschrieben werden. Diese Beschreibung ist auch für die Leitfähigkeitsmodellation der Hertzschen Dipolelemente notwendig. Deshalb kann eine Auslegung nur für eine Leistung genau sein.For this purpose, a line-shaped plasma channel must be described analytically. This description is also necessary for the conductivity modeling of the Hertzian dipole elements. Therefore a design can only be accurate for one service.

Nun optimiert man die Antennen 15 und ggf. auch die Linsen 16 des Umfeldes so, dass sich eine optimale Anpassung für die innere Antenne (17) einstellt.Now you optimize the antennas 15th and possibly also the lenses 16 of the environment in such a way that an optimal adaptation for the inner antenna ( 17th ) adjusts.

Ist diese Optimierung gelungen, so muss es aufgrund der Reziprozität so sein, dass bei kohärenter (d.h. phasen- und amplitudengleicher) Ansteuerung der Generatoren 13a, 13b, 18a und 18b und baugleichen Leitungen 14 und Antennen 15 sich in der Mitte das elektrische Feld des Hertzschen Dipols ergibt. Dieses schließt über die magnetischen Komponenten die elektrischen Ladungen ein.If this optimization has been successful, then, due to the reciprocity, it must be such that with coherent (that is to say with the same phase and amplitude) control of the generators 13a , 13b , 18a and 18b and identical lines 14th and antennas 15th the electric field of the Hertzian dipole results in the middle. This traps the electrical charges via the magnetic components.

Es bildet sich dort der DCR-Bereich aus, wo zuvor sich der Hertzsche Dipol befand. Bei einer Anlage mit mehreren Ebenen müssen die Phasenunterschiede zwischen den verschiedenen Ebenen über die Feldsimulation mit dem Hertzsche Dipol als Sendeantenne bestimmt werden und später bei der Einspeisung berücksichtigt werden.The DCR area is formed where the Hertzian dipole was previously. In a system with several levels, the phase differences between the various levels must be determined using the field simulation with the Hertzian dipole as the transmitting antenna and later taken into account when feeding.

Diese Auslegung beruht auf eine Anpassung der Felder und der Fusspunktimpedanzen. Deshalb kann so eine Anpassung nur bei einer Frequenz gelingen.This design is based on an adaptation of the fields and the base point impedances. This is why such an adjustment can only succeed with one frequency.

Die Frequenzwahl leitet sich von einer möglichst kurzen Dipollänge (d.h. möglichst hohen Frequenz) und einer möglichst großen Leistung von Halbleitergeneratoren ab. Hier ist 2,45 GHz ein zurzeit guter Kompromiss. Generell ist eine höhere Frequenz vorteilhaft, da die Dipollänge proportional mit der Frequenz abnimmt und die Energiedichte entsprechend ansteigt.The frequency selection is based on the shortest possible dipole length (i.e. the highest possible frequency) and the highest possible power from semiconductor generators. 2.45 GHz is currently a good compromise here. In general, a higher frequency is advantageous because the dipole length decreases proportionally with the frequency and the energy density increases accordingly.

Wenn man einem Einzelgenerator und Signalteiler verwendet, dann kann man auch auf eine Magnetronanlage zurückgreifen, die im GHz-Bereich deutlich preiswerter sind. Jedoch verursacht deren Jitter eine Verschlechterung der Plasmalinie.If you use a single generator and signal splitter, you can also use a magnetron system, which is significantly cheaper in the GHz range. However, their jitter causes the plasma line to deteriorate.

Berechnung des magnetischen FlußdichteCalculation of the magnetic flux density

Für eine 2,45 GHz-Anlage ergibt sich bei einem Strom von nur 10 A und einem Abstand von r=0,1 mm vom Zentrum eine magnetische Flussdichte von 6,1 Tesla. Zu kleineren Abständen steigt die Flussdichte und zu größeren sinkt diese mit rund 1/r.For a 2.45 GHz system, a current of only 10 A and a distance of r = 0.1 mm from the center results in a magnetic flux density of 6.1 Tesla. At smaller distances the flux density increases and at larger distances it decreases by around 1 / r.

Durch die Einhaltung des Plasmabetas aufgrund der großen Flussdichte für die HF-Energie, die sich durch die DCR-Auslegung so gut fokussieren lässt wie der Laser, weitet sich das Plasma auch durch bei Anhebung im Volumenbereich nicht aus! Es können allergrößte Temperaturen entstehen.By adhering to the plasma beta due to the high flux density for the HF energy, which can be focused as well as the laser thanks to the DCR design, the plasma does not expand even when the volume is increased! Extremely high temperatures can arise.

Bei der in 1 vorgestellten Anlage handelt es sich um die einfachste Ausgestaltung, die zwar sehr kostengünstig ist und je nach der Generatorenergie mittlere oder große Plasmatemperaturen erlaubt.At the in 1 presented system is the simplest design, which is very inexpensive and, depending on the generator energy, allows medium or high plasma temperatures.

Der Aufbau mit dem geringsten Entwicklungsaufwand verwendet Mikrowellenkomponenten, die auf 50 Ohm ausgelegt sind. Somit kann dieser Aufbau direkt mit handelsüblichen Komponenten umgesetzt werden. Lediglich die Antennenstruktur bedarf ggf. einer Optimierung.The design with the least development effort uses microwave components rated for 50 ohms. This structure can therefore be implemented directly with commercially available components. Only the antenna structure may need to be optimized.

Wie anfangs erwähnt wurde, entspricht diese Vorgehensweise nach 1 dem Stand der HF-Technik für 50 Ohm. Da man bei der gleichen HF-Leistung und einer Impedanztransformation eine deutlich größere Feldstärke und folglich eine verstärkte lonisationsrate und somit eine höhere Temperatur erreicht, ist dieser Weg in vielen Fällen vorzuziehen. Ein Weg ist hier hinter einer Impedanztransformation, wie sie z.B. in [1] dargestellt ist, einen Hohlleiter und eine Hohlleiterantenne zu wählen, die jeweils einen relativ großen Wellenwiderstand aufweisen. Jedoch lassen sich hiermit auch nur Wellenwiderstände bis zu 800 Ohm erreichen.As mentioned at the beginning, this procedure corresponds to 1 the state of the art HF technology for 50 ohms. Since a significantly greater field strength and consequently an increased ionization rate and thus a higher temperature are achieved with the same RF power and an impedance transformation, this method is to be preferred in many cases. One way is to choose a waveguide and a waveguide antenna, each of which has a relatively large characteristic impedance, behind an impedance transformation, as shown in [1], for example. However, only wave resistances of up to 800 ohms can be achieved with this.

Leitungen und Antennen für noch höhere Wellenwiderstände benötigen einen sehr großen Abstand zwischen den Leitern. In der Theorie und Praxis gibt es bei diesen Leitungen und Antennen Probleme mit anderen Ausbreitungsmoden. Lediglich die so genannte M-Line und die zugehörige M-Antenne ([2]: Heuermann, H., Verlustarme Mono-Mode-Mikrowellenleitung und -breitbandantennen, D102006014566.6, 29.03.2006) erlauben es ein Monomodesystem für sehr große Wellenwiderstände aufzubauen. Eine M-Antennen und die zuführende Leitung sind in 2 dargestellt. Über den Bereich einer symmetrischen M-Leitung 20 wird das Signal dem Antennenbereich 21 zugeführt. Von der Antenne wird es abgestrahlt. Im Weiteren wird eine dielektrische Linse oder ein parabolischer Reflektor zur Energiefokussierung eingesetzt.Lines and antennas for even higher wave resistances require a very large distance between the conductors. In theory and in practice, these lines and antennas have problems with other modes of propagation. Only the so-called M-Line and the associated M-antenna ([2]: Heuermann, H., low-loss mono-mode microwave line and broadband antennas, D102006014566.6, March 29, 2006) allow a mono-mode system to be set up for very large wave resistances . An M antenna and the feeding line are in 2 shown. Over the range of a symmetrical M line 20th the signal is sent to the antenna area 21 fed. It is emitted from the antenna. In addition, a dielectric lens or a parabolic reflector is used for energy focusing.

Das symmetrische Leitungssystem der M-Line hat den Vorteil, dass es über zwei HF-Generatoren, die differentiell betrieben werden, angesteuert werden kann. Somit ist eine Leistungskombination direkt gegeben. Weiterhin hat diese Antenne den Vorteil, dass nur eine elektrische Feldkomponente (die senkrechte Komponente wird in der Regel als z-Komponenten bezeichnet) angeregt wird. Somit ist bei gleicher HF-Leistung und gleicher Impedanztransformation die E-Feldstärke größer als bei Antennen, die mehrere Feldkomponenten anregen.The symmetrical line system of the M-Line has the advantage that it can be controlled via two HF generators that are operated differentially. Thus a combination of services is given directly. This antenna also has the advantage that only one electric field component (the vertical component is usually referred to as the z-component) is excited. Thus is at With the same RF power and the same impedance transformation, the E-field strength is greater than with antennas that excite several field components.

In der Praxis gibt es bei der Energieeinspeisung des HF-Signals Probleme mit den sich ändernden Lastverhältnissen. Deshalb verändert man in industriell genutzten Anlagen die Impedanztransformation durch mechanische Änderung von Kondensatoren oder man verändert die Frequenz. Letzteres ist schnell aber auch nur über gewisse Plasmengrößen anwendbar. Da im DCR-System der Laser ein Initialplasma generieren kann ist der Variationsbereich der Plasmagröße durch die technisch einfachere Frequenzverstimmung machbar.In practice, there are problems with the changing load conditions when feeding the RF signal into the system. That is why the impedance transformation is changed in industrial systems by mechanical changes to capacitors or the frequency is changed. The latter can be applied quickly but only over certain plasma sizes. Since the laser can generate an initial plasma in the DCR system, the range of variation of the plasma size is feasible through the technically simpler frequency detuning.

Diese Erweiterung ist in 3 visualisiert. Der Koppler 38 koppelt einen Teil der reflektierten Energie aus und führt diese dem Detektor 39 zu. Dieser Detektor 38 erzeugt eine Gleichspannung, die proportional zur HF-Leistung ist und diese wird über A/D-Wandlung vom Rechner 30 ausgewertet. Mit den gleichen Algorithmen wie im Aufbau nach [1] lassen sich die Frequenzpunkte finden, in denen die geringste Reflexion und somit größte Absorption (im Plasma) vorliegt. Der Rechner 30 regelt über einen D/A-Wandler den VCO des Generators 33 nach.This extension is in 3rd visualized. The coupler 38 decouples part of the reflected energy and guides it to the detector 39 to. This detector 38 generates a DC voltage that is proportional to the RF power and this is generated by the computer via A / D conversion 30th evaluated. The same algorithms as in the structure according to [1] can be used to find the frequency points in which there is the least reflection and thus the greatest absorption (in the plasma). The computer 30th controls the generator's VCO via a D / A converter 33 to.

Die allgemeinste Art dieser Messmethode ist der sogenannte Hot-S-Parameter-Messplatz. Bei diesem wird für große Leistungen vektoriell der Reflexionswert S11 hochgenau über eine Systemfehlerkorrektur mittels des MSO- bzw. 3-Term-Verfahrens durchgeführt.The most general type of this measuring method is the so-called Hot-S-Parameter measuring station. With this, the reflection value becomes vectorial for high powers S11 Carried out with high precision via a system error correction using the MSO or 3-term process.

Für Höchsttemperaturanwendungen wie der Kernfusionstechnik wird man möglichst viele HF-Generatoren kombinieren. Folgende Kombinationen sind besonders sinnvoll:

N-Generatorbetrieb

For high-temperature applications such as nuclear fusion technology, as many HF generators as possible will be combined. The following combinations are particularly useful:

N generator operation

Für eine Fusionsanlage sind Leistungen im Megawattbereich notwendig. Diese werden auf viele Halbleitergeneratoren verteilt. Diese große Anzahl (z.B. 500) erlaubt dann auch die präzise Nachbildung der Wellenfront eines Hertzschen Dipols. Je besser dieses nachgebildet wird desto feiner (dünner) wird auch das DCR-Linienplasma.For a fusion system, outputs in the megawatt range are necessary. These are distributed to many semiconductor generators. This large number (e.g. 500) then also allows the precise simulation of the wavefront of a Hertzian dipole. The better this is simulated, the finer (thinner) the DCR line plasma becomes.

Bei einer großen Anzahl von Antennen ist es sogar vorteilhaft, wenn die Antennen chaotisch bzgl. ihrer Lage im Kugelreaktor (mit Ausrichtung auf dem Fokuspunkt) im Kugelreaktor installiert sind. Analogien der Vorteile lassen sich beim Sigma-Delta-Modulator gegenüber dem Fraktional-N-Modulator für Phasenregelschleifen ableiten.With a large number of antennas, it is even advantageous if the antennas are installed chaotically with regard to their position in the spherical reactor (with alignment on the focal point) in the spherical reactor. Analogies of the advantages can be derived from the sigma-delta modulator compared to the fractional-N modulator for phase-locked loops.

In 1 ist weiterhin noch die Plasmakammer 19 dargestellt. Wie dort dargestellt können die dielektrischen Linsen 16 als Mikrowellenfenster genutzt werden. Vorteil ist es die gesamten Wände der Kammer aus keramischem Material zu fertigen. Ansonsten wurden in 1 die Koppler und Detektoren der Übersichtlichkeit wegen nicht mit illustriert. Mit der Kammerwand 19 beginnt im Fusionsreaktor das Blanket zur Energieauskopplung.In 1 is still the plasma chamber 19th shown. As shown there, the dielectric lenses 16 can be used as microwave windows. It is advantageous to manufacture the entire walls of the chamber from ceramic material. Otherwise, in 1 the couplers and detectors are not illustrated for the sake of clarity. With the chamber wall 19th the blanket for energy extraction begins in the fusion reactor.

Falls sich das Plasma doch zu sehr zur Kammerwand erstreckt, so kann durch Magnetfelder wie bei den bekannten Fusionsreaktoren das Plasma im Inneren gedrängt werden. Durch die bekannte magnetische Kompression kann das Plasma zusätzlich erwärmt werden.If the plasma does extend too far to the chamber wall, the plasma can be pushed inside by magnetic fields as in the known fusion reactors. The plasma can be additionally heated by the known magnetic compression.

Setzt man das DCR-Plasma in mittleren Temperaturbereichen unter Normaldruck ein, so ist die Wärmeleitfähigkeit der Luft um Größenordnungen größer als im Vakuum. Jedoch stellt sich grob abgeschätzt für eine Anlage mit einer Mikrowellenleistung von 10kW und einem Durchmesser von nur einem Meter bereits eine Temperatur für das Linienplasma von 83000K ein.If the DCR plasma is used in medium temperature ranges under normal pressure, the thermal conductivity of the air is orders of magnitude greater than in a vacuum. However, roughly estimated for a system with a microwave power of 10 kW and a diameter of only one meter, a temperature for the line plasma of 83000K is already established.

PlasmaietPlasmaiet

Anlagen mit wenig Leistung können mittels des DCR-System so ausgelegt werden, dass ein Plasma zunächst durch einen Plasmajet (anstatt des Lasers) generiert wird und dieser Plasmastrahl ins Zentrum des DCR-System geführt wird. In diesem Zentrum wird durch das DCR-System der Plasmastrahl energetisch angehoben.Systems with little power can be designed using the DCR system in such a way that a plasma is first generated by a plasma jet (instead of a laser) and this plasma jet is guided into the center of the DCR system. In this center, the plasma jet is energetically raised by the DCR system.

Er wird schmaler und der Ionisationsgrad wie auch die Anzahl der Mehrfachionisationen steigen in dieser DCR-Zone stark an.It becomes narrower and the degree of ionization as well as the number of multiple ionizations increase sharply in this DCR zone.

Diese Anlagen können im Normaldruck, Hochdruck und auch Niederdruckbereich arbeiten. Ein Anwendungsbeispiel für den Niederdruckbereich ist der lonenantrieb für die Raumfahrt.These systems can work in normal pressure, high pressure and also low pressure range. An application example for the low pressure range is the ion drive for space travel.

Sehr vorteilhaft sind hier Plasmajet, die eine hohle innere Elektrode (Kanüle) aufweisen und somit ein Linienplasma erzeugen.Plasma jets, which have a hollow inner electrode (cannula) and thus generate a line plasma, are very advantageous here.

MultifrequenzbetriebMulti-frequency operation

Werden die äußeren Generatoren (13, 18, ...) so wie zuvor dargestellt angesteuert, aber bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen betrieben, so entstehen überlagerte DCR-Linienplasmen bei zwei Frequenzen (f1 und f2) mit zwei Längen. In diesen nichtlinearen Plasmen gibt es zudem dann Mischprodukte. Insbesondere bei der Frequenz fx=f1+f2 entstehen im Inneren neue Signal, die höchste Energiedichte im Zentrum des DCR-Plasmas erzeugen.If the external generators (13, 18, ...) are controlled as shown above, but operated at at least two different frequencies, then superimposed DCR line plasmas arise at two frequencies (f1 and f2) with two lengths. In these non-linear plasmas there are also mixed products. Particularly at the frequency fx = f1 + f2, new signals are generated inside, which generate the highest energy density in the center of the DCR plasma.

Auch der zuvor erwähnte Plasmajet mit Kanüle kann eine andere Frequenz (f2) als die äußeren Generatoren (f1) aufweisen. Dadurch wird wie zuvor dargestellt ebenfalls im Zentrum beim Mischprodukt (f1+f2) ein sehr kurzes Dipolplasma generiert.The previously mentioned plasma jet with cannula can also have a different frequency (f2) than the external generators (f1). As a result, a very short dipole plasma is also generated in the center of the mixed product (f1 + f2), as shown above.

Reaktor oder AtmosphäreReactor or atmosphere

Diese DCR-Plasmaquelle kann sowohl in der Atmosphäre als auch ein einem geschlossenen Reaktor aufgebaut werden.This DCR plasma source can be set up both in the atmosphere and in a closed reactor.

Bei einer Realisierung in der Atmosphäre sind eher Anwendungen wie die Schweißtechnik umsetzbar.When implemented in the atmosphere, applications such as welding technology are more likely to be implemented.

Bei Reaktoranwendungen wird bevorzugt der Unterdruckprozess mit Anwendungen wie die Ionenquellen und Fusionsreaktoren verfolgt.In reactor applications, the negative pressure process is preferred with applications such as ion sources and fusion reactors.

Claims

Cylindrical or spherical DCR plasma system for generating a line-shaped plasma with a small diameter and finite length at the highest temperature in the center of the system using at least three coherent RF signal generators, with at least one reference oscillator for generating the high-frequency signals, possibly with one or more Power amplifiers for increasing the power of the high-frequency signal or the RF signals and possibly signal splitters for generating monofrequency high-frequency signals in the high MHz or GHz range, including the control unit for spatial power focusing, containing means such that a. the HF energy is radiated via at least three antennas and, if necessary, is radiated to a focal point through at least three dielectric or differently designed HF lenses placed in front of it, or b. the RF energy is radiated over the focal point via at least three well-bundling antennas and is radiated onto the focal point by at least three parabolic mirrors, or c. the RF energy is radiated via at least three antennas and the focal point of this antenna is located directly in front of the antennas and d. radiate the RF energy via as many antennas as possible, which are installed in a reactor that is as spherical or cylindrical as possible, to the inner center point (focal point) and e. When using several antennas in more than two planes, the system should be as spherical as possible and f. the controlled RF signal sources on one level radiate into the center via antennas of the same design in phase and with the same polarization and G. in the case of a large number of antennas it is even advantageous if these antennas are installed chaotically with regard to their position in the spherical reactor (with alignment on the focal point) and H. the focal point of the optional laser for ignition and the focal point of the antenna structure overlap.

Design of a DCR plasma system according to Claim 1 , characterized in , a. that the high-frequency signal of the sources is set high in voltage by means of three or more impedance transformers and emitted via a high-resistance antenna.

Design of a DCR plasma system according to Claim 1 , characterized in , a. that differential systems are used in antenna technology.

Design of a DCR plasma system according to Claim 1 , characterized in , a. that the plasma is in a closed system (e.g. ion source or fusion reactor) under vacuum conditions or b. that the plasma is in a closed system at any pressure or c. that the plasma is in an open system at normal pressure.

Design of a DCR plasma system according to Claim 1 , characterized in , a. that the antennas are located outside a closed system or b. that the antennas are located in a closed system.

Design of a DCR plasma system according to Claim 1 , characterized in , a. that the input impedance of the antennas is measured continuously and, in the event of mismatches, the frequency is adjusted in such a way that the best possible energy feed is available.

Design of a DCR plasma system according to Claim 1 , characterized in , a. that the plasma is initially generated by a plasma jet (instead of a laser) and then energetically increased by the DCR system.

Design of a DCR plasma system according to Claim 1 and 9 , characterized in , a. that the external antennas are operated at a different frequency than that of the plasma jet.

Design of a DCR plasma system according to Claim 1 , characterized in , a. that the outer antennas are operated via signals at at least two different frequencies.