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Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in einem unter niedrigem Druck stehenden Gas durch Induktion
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer kräftigen elektrischen Entladung durch elektromagnetische Induktion in einem Gas, welches sich unter geringem Druck in einer in sich geschlossenen, vorzugsweise torischen rohrförmigen Kammer befindet.
Sie bezweckt insbesondere, die Stabilisierung dieser Entladung so zu verbessern, dass jede Berührung der ionisierten Materie oder des"Plasmas"mit den Wänden der Kammer verhindert wird, weil eine derartige Berührung die Verunreinigung des Plasmas durch Verdampfung der diese Wände bildenden Werkstoffe zur Folge haben wurde.
Eine derartige Stabilisierung ermöglicht die Verringerung der Abkühlungsursachen des Plasmas und somit die Vergrösserung der in der Masse desPlasmas erreichtenTemperatur. Dies ist bekanntlich ein Mittel zur Herstellung einer kontrollierten fortlaufenden Kernfusion, welche eine beträchtliche Energie erzeugt.
Es sind bereits verschiedene Apparate vorgeschlagen worden, um eine derartige Entladung zu erzeugen und sie in einer gewissen Entfernung von den Wänden der ringförmigen Kammer zu halten.
Von derartigen Apparaten können folgende angeführt werden :
Die Vorrichtung vonSmith (PhysicalReview [1947], 71-135), welche die stabilisierendenEigen- schaften eines die Entladung umgebenden metallischen Ringkörpers benutzt, welcher eine radiale isolie-
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;S. 44), bei welcher eine auf einen Ringkörper aufgewickelte Hilfswicklung in diesem ein homogenes Magnetfeld erzeugt, welches jedoch andern Zwecken als der Stabilisierung einer Entladung dient, z.
B. der Untersuchung von Plasmaschwingungen (Physical Review, 97, Nr. 1, S. 13 [ 1955 ]) : die unter dem Namen"Perhapsatron"bekannte Vorrichtung (Nucleonics, Band 15, Nr. 5, [ 1957], S. 108), bei welcher die induzierende Wicklung durch isolierte Windungen gebildet wird, welche parallel in zu der mittleren Linie des Ringkörpers parallelen Ebenen angeordnet sind ; die Vorrichtung von Cousins et al (Proceeding Physical Society, [1951], 64 B, S. 159), bei welcher die induzierendewicklung durch einen die Entladung umgebenden metallischen Ringkörper gebildet wird.
Diese verschiedenen Vorrichtungen weisen alle eine gewisse Zahl von Nachteilen auf, z. B. tolgende :
Unvollkommene Stabilisierung der Entladung, mangelhafter Wirkungsgrad der Entladung infolge des grossen Abstands zwischen dem induzierenden Stromkreis und dem induzierten Strom (Smith, Bostick) oder der fehlerhaften Anpassung der Impedanz zwischen der Stromquelle und dem induzierenden Stromkreis (Cousins) ;
Unregelmässigkeit des Magnetfeldes in der Nähe der Zone, in welcher die Stromzuführungsleiter an die induzierende Wicklung angeschlossen sind (Vorrichtungen, wie das Perhapsatron, bei welchen die Hülle der Kammer nicht metallisch ist) ; mangelhafte Abdichtung der Kammer (Vorrichtungen, bei welchen nur die Metallhülle die Abdichtung bewirkt).
Um diesen verschiedenen Nachteilen abzuhelfen, weist eine derartige Vorrichtung erfindungsgemäss
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eine ringförmige Vakuumkammer auf, deren Wände durch eine mit wenigstens einer isolierenden Unterbrechung versehene leitende Abschirmung gebildet werden oder vorzugsweise mit einer solchen überzogen sind, wobei längs der Wände eine Stabilisierwicklung gewickelt ist, die mit einer Gleichstromquelle verbunden ist und deren Windungen praktisch in zu der mittleren Linie der Kammer senkrechten Ebenen liegen.
Ferner wird die induzierende Wicklung zweckmässig an eine Stromquelle angeschlossen, welche in sehr kurzer Zeit eine beträchtliche elektrische Energie liefern kann, wobei die Windungen dieser Wicklung praktisch in zu der mittleren Linie der Kammer parallelen Ebenen angeordnet und in N parallel geschaltete Abschnitte aufgeteilt sind, von denen jeder durch n nebeneinanderliegende Windungen gebildet wird, welche inReihe geschaltet sind und eine Ringzone der Aussenfläche der ringförmigen Kammer überdecken, welche durch Drehung eines Abschnittes der Leitlinie dieser Kammer um die Ringachse erzeugt wird, dessen Länge gleich dem N-ten Teil der Leitlinie ist ; bei einer torischen Kammer entsteht diese
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Die Form der ringförmigen Kammer, in welcher die Entladung auftritt, ist nicht wesentlich. Es genügt, dass diese Kammer ein in sich geschlossenes Rohr ist und keine zu starke Krümmung aufweist.
Die Kamm er wird vorzugsweise aus einem Werkstoff hergestellt, welcher dicht ist, einen guten elek- trischen Isolator bildet, vollständig entgast werden kann und möglichst temperaturbeständig ist. Derartige Werkstoffe sind das unter dem Namen Pyrex bekannte Glas, Porzellan und verglaste Kieselerde.
Ausser der Herstellung der Abdichtung gestattet diese Kammer noch die Verteilung der Potentiale in der Nähe der Lippen der in der leitenden Abschirmung vorgesehenen isolierenden Unterbrechung und somit die Verhinderung der Zündung von Bögen zwischen diesen Lippen.
Diese Abschirmung, welche ausserhalb der isolierenden Wand liegt, wenn eine solche vorhanden ist, schmiegt sich der Form dieser Wand möglichst nahe an. Sie weist eine isolierende Unterbrechung auf, welche die Bildung einer Kurzschlusswindung verhindert.
Um die Verteilung des Feldes in der Nähe der Unterbrechung gleichmässiger zu machen, wird diese vorzugsweise mit einer örtlichen Abschirmung überdeckt, die durch einen Abschnitt eines metallischen Ringkörpers gebildet wird, welcher elektrisch von der ersten Abschirmung isoliert ist.
Die eigentliche leitende Abschirmung kann z. B. dadurch hergestellt werden, dass auf die ringförmi- ge Kammer eine Kupferlitze in zwei gekreuzten Schichten aufgewickelt wird, welche durch zahlreiche Schweisspunkte miteinander vereinigt sind. Eine andere Ausführungsform verwendet einfach eine auf die entsprechende Form gebrachte Metallfolie, wobei das gewählte Metall ein möglichst guter elektrischer Leiter sein soll (Aluminium, Kupfer).
Die durch die ringförmige Kammer und die leitende Abschirmung gebildete Anordnung kann auch in Form eines innen emaillierten metallischen Ringkörpers hergestellt werden.
DieBedeutung der leitenden Abschirmung beruht auf der Tatsache, dass jede Verformung des Plasmabandes in dieser Abschirmung Ströme induziert, die ein Magnetfeld erzeugen, welches auf das Plasma eine sich dieser Verformung widersetzende Kraft ausübt.
Die nachstehend mit Bs bezeichnete Stabilisierwicklung wird durch isolierte Leiterdrähte gebildet, deren Windungen gleichmässig um das ringförmige Rohr in zu der mittleren Linie desselben senkrechten Ebenen gewickelt sind.
Eine derartige Wicklung Bs erzeugt ein magnetisches"Längsfeld", welches an allen Stellen parallel zu der Entladung, d. h. parallel zu dem Plasmaband ist, das infolge der"Einschnürungserscheinung" (Pinch-Effekt), welche von der elektromagnetischen Anziehung zwischen parallelen Stromlinien herrührt, längs der mittleren Linie der Kammer lokalisiert ist.
Bei einer Verformung dieser Entladung übt das Feld auf diese Kräfte aus, welche sich dieser Verformung widersetzen.
Die Theorie zeigt, dass sich die Wirkung des durch die in der Metallhülle induzierten Ströme erzeugten Magnetfeldes insbesondere den Verformungen widersetzt, deren Wellenlänge grösser als die Länge der mittleren Linie der Kammer ist, während die Wirkung des durch die Wicklung Bs erzeugten Magnetfeldes sich insbesondere den Verformungen widersetzt, deren Wellenlänge kleiner als die Länge dieser mittleren Linie ist.
Die nachstehend Bi genannte induzierende Wicklung wird vorzugsweise durch isolierte Leiterdrähte gebildet, welche gleichmässig auf der Aussenfläche der leitenden Abschirmung angeordnet sind, wobei die Windungen dieser Wicklung im wesentlichen in zu. der Ebene der mittlerenLinie der Kammer'paral1e- lenEbenen liegen und zweckmässig zwischen der Abschirmung und der Wicklung Bs angeordnet sind.
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Diese Windungen sind zu N parallelen Abschnitten zusammengefasst, deren jeder durch einen einfa- chen Leiter gebildet wird. welcher n nebeneinander liegende in Reihe geschaltete Windungen bildet und die leitende Abschirmung an einer.. ririgionenförmigen Teil ihrer Aussenfläche überdeckt.
Die Windungszahl n eines jeden Abschnittes wird naturgemäss so gewählt, dass die beste Anpassung der Stromquelle an die Impedanz von Bi gehalten wird.
Die Unterteilung der induzierenden Wicklung Bi in N parallel geschaltete Abschnitte gestattet, jene Verformungen der Entladung zu verhindern, deren Wellenlänge in der Nähe der mittleren Länge der Kammer liegt (z. B. eine Zusammenziehung oder Ausdehnung der gesamten Entladung).
Wenn sicn nämlich die Entladung einem der Abschnitte nähert, so ergibt dies nach dem Lenzsclien Gesetz eine Vergrösserung des diesen Abschnitt durchfliessenden Stroms, deren Wirkung sich der Verschiebung der Entladung widersetzt.
Unter diesen Bedingungen erfolgt die Stabilisierung der Entladung durch die vereinte Wirkung der in der leitenden Abschirmung bzw. der Wicklung Bs bzw. der Wicklung Bi fliessenden Ströme.
Eine derartige Unterteilung der Wicklung Bi ist nicht unbedingt erforderlich, da ja die leitende Abschirmung ebenfalls diese Verformungsart bekämpfen kann, sie ist jedoch zweckmässig, da sie die erforderliche Wirkung dieser Abschirmung verringert, so dass die Dicke derselben verringert werden kann.
Die Anordnung von Bi auf der Oberfläche der leitenden Abschirmung ist der Anordnung vorzuziehen, bei welcher die Kopplung mit der Ladung durch einen ferromagnetischen Kern erfolgt, wie bei einem gewöhnlichen Transformator.
Die Eigemnduktivität der Entladung wird nämlich hiedurch auf einen möglichst kleinen Wert gebracht, was die Herstellung sehr starker Entladungen ohne Auftreten einer zu starken Blindleistung gestattet.
Die Gegeninduktivität zwischen der Entladung und der Wicklung Bi erhält einen Höchstwert, so dass selbst bei Fehlen eines Magnetkreises eine genügende Kopplung erzielt werden kann. Es kann daher eine Betriebsweise mit einem sättigbaren Magnetkreis verwirklicht werden, welcher nur während eines Bruchteils des Arbeitsspiels wirksam ist.
Diese Anordnung gestattet ferner die leichte Beherrschung der beträchtlichen elektromagnetischen Kräfte, welche zwischen von starken Strömen durchflossenen Leitern auftreten. Bei einer ringförmigen Kammer torischer Form lässt sich nachweisen, dass die auf die Windungen von Bi durch das während einer Entladung erzeugte Feld ausgeübten elektromagnetischen Kräfte einem Druck gleichwertig sind, welcher
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ist, worin izu stossen.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende :
Wenn dieSpannungV der die induzierende Wicklung speisenden Stromquelle plötzlich an die Klemmen dieser Wicklung angelegt wird, erscheint in dem unter geringem Druck in der Kammer vorhandenen
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Kraft ausreichend ist, erzeugtstärke entstehen kann, wenn der Wert von V hiefür ausreicht. Das Gas wird dann durch Stromwärmewir- kung auf eine äusserst hohe Temperatur gebracht, was die Entstehung von thermonuklearen Vorgängen in dem Gas begünstigt. Die Vorrichtung verhält sich wie ein die Spannung erniedrigender Transformator, aessen Primärwicklung die Wicklung Bi ist, und dessen Sekundärwicklung nur eine einzige durch die Entladung selbst gebildete Windung aufweist.
Es ist zu bemerken, dass die oben erwähnte"Einschnürerscheinung"allein ausreichend sein kMnn, um
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Die erfindungsgemässe Ausbildung vervollständigt diese Stabilisierung insbesondere für ungenügende
Werte von I.
So besitzen das durchBs erzeugte Längsfeld sowie die von den in der Metallhülle fliessenden Strömen herrUhrendenFelder ausser ihrerStabilisienrirkung die Eigenschaft, die Diffusion des Plasmas zu den W n- i den der Kamm er zu verzögern, wenn die die Einschnürung erzeugende elektromotorische Kraft aufgeho - ben wird.
Das Vorhandensein dieser Felder ermöglicht somit einen kontinuierlichen Betrieb, bei welchem die
Wicklung Bi von einer Wechselstromquelle gespeist wird, vorausgesetzt, dass die Frequenz dieses Stroms genügend hoch ist, d. h. dass die Dauer einer jeden Periode, während welcher der Strom in der Entladung
Null oder praktisch Null ist-während dieser Zeit ist die von der Einschnürung herrührende Begrenzungswir- kung aufgehoben-genügend kurz ist.
Bei einer derartigen Wechselstromspeisung ist die durch die Einschnürung erzeugte Begrenzung dauernd
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Es ist zu bemerken, da"'das zwischen dem Plasma und den Wänden der Kammer bestehende gesamte Längsfeld in gewissen Fällen eine Richtung haben kann, welche der des getrennt von Bs erzeugten Feldes entgegengesetzt ist, da das von den in der MetallhUlls induzierten Strömen erzeugte Feld unter gewissen Bedingungen vorherrschend sein kann. Nur die Summe dieser beiden Wirkungen ist in Betracht zu ziehen.
In gewissen Fällen kann ein die Gegeni. 1duktivität zwischen der Wicklung Bi und der Entladung vergrössernder Magnetkreis eine günstige Wirkung haben. Dieser Magnetkreis kann z. B. durch einen Weich- eisenkerngeblldet werden, welcher mindestens einen Teil der Kammer, wie die Kerne umgibt, auf welche die üblichen induzierenden Wicklungen aufgewickelt sind (Bostick et al).
In dem durch ein Netz von elektromagnetischen Kräften gehaltenen Plasma können vorübergehende oder dauernde Schwingungen auftreten, welche-abwechselnde Verdichtungen und Ausdehnungen erzeugen, z. B. infolge derEinleitung von labilen Zuständen. Diese Schwingungen induzieren in Bi (oder in einer andern geeigneten Wicklung) eine elektromotorische Kraft, welche dazu benutztwerdenkann, um zu der Erhitzung des Plasmas beizutragen oder diesem Energie zu entziehen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist gegenüber den bisher benutzten Vorrichtungen zur Erhitzung von verdünnten Gasen auf sehr hohe Temperaturen zahlreiche Vorteile auf, insbesondere folgende :
Eine Stabilisierung der Verformungen der Entladung aller Wellenlängen ; einen ausgezeichneten Wirkungsgrad infolge der Annähemng der induzierenden Wicklung an die Entladung und der möglichen Anpassung zwischen den Impedanzen dieser Wicklung und der induzierenden Quelle ; eine homogene Feldverteilung in der Nähe der Stromzuführung und der Unterbrechungsstelle ; eine gute Abdichtung der Kammer ;
die Möglichkeit der Erzeugung einer Entladung mitsehr grosser Stromstärke, wobei jedoch der induzierende Strom mit einer üblichen Maschine erzeugt werden kann, da die Stromstärke in der Entladung das n-fache der von der Stromquelle gelieferten Stromstärke sein kann (Transformatorwirkung), wodurch ausserdem die Verluste in den Zuführungsleitern verringert werden ; die Möglichkeit eines Dauerbetriebs.
Es ist zu bemerken, dass die obige Unterteilung der induzierenden Wicklung in N Abschnitte infolge der hiedurch erhaltenenStabilisierwirkung eine wesentliche Rolle bei Entladungen sehr langer Dauer (z. B. in der Grössenordnung von 1/10 Sekunde) spielen kann, bei welchen es nicht möglich ist, der Metallhülle eine der Hautdicke entsprechende Dicke zu geben. Dies kommt insbesondere in Betracht, wenn eine Temperatur von über 30 Millionen Grad erreicht werden soll, bei welcher die Leitfähigkeit des Plasmas grösser als die aller bekannten Metalle, im besonderen des diese Hülle bildenden Metalls wäre.
Die Theorie zeigt, dass es in diesem Fall zweckmässig ist, die Speisung der Wicklung Bs von einem kurzen Zeitraum vor Beginn der Entladung an zu unterbrechen, wobei die Dauer t dieses Zeitraums in Sekunden,
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahm e auf die Zeichnung beispielshalber erläutern
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Entladungsvorrichtung. Fig. 2 zeigt schematisch in einem lotrechten diametralen Schnitt die gleiche Vorrichtung unter Wegbrechung von Teilen.
In diesen Figuren ist nur ein Teil der Wicklungen Bi und Bs dargestellt, welche mit 1 (induzierende Wicklung) bzw. 2 (stabilisierende Wicklung) bezeichnet sind.
Die ringförmige Kammer 3 wird durch eine toroide Hülle am Pyrexglas gebildet und hat einen mittleren Durchmesser von 78 cm, während der Durchmesser des Leitkreises des Ringkörpers 8 cm beträgt.
Das Innere dieser Hülle ist mit einer Pumpleitung 4 mit einem Durchmesser von etwa 1, 5 cm verbunden, welche ihrerseits mit einer Pumpe verbunden ist, welche ein zwischen 3. 10-1 und 10.. 1 mm liegendes Vakuum herstellen kann Die ringförmige Kammer ist von einer leitenden Abschirmung 5 aus Kupferlitze überdeckt, welche eine Unterbrechung 6 aufweist, deren Breite (etwa 1 cm) grössenordnungsmässig ein Zehntel des Durchmessers des Leitkreises beträgt.
Diese Unterbrechung ist von einer leitendenAbschirmung 7 überdeckt, welche von der Abschirmung 5 isoliert ist.
Die induzierende Wicklung 1 umfasst sechs Leiter, deren jeder durch einen Kupferdraht von 2 mm Durchmesser gebildet wird, welcher von einer Hülle aus Polythen von etwa 1 cm Durchmesser umgeben ist. Diese Leiter sind parallel an die Stromquelle 8 angeschaltet und laufen je viermal um den Ringkörper.
Die vier Windungen eines jeden Leiters liegen nebeneinander und nehmen auf der Hauptfläche des Ringkörpers den durch die Umdrehung eines Bogens von 600 um die Achse dieses Ringkörpers erzeugten Abschnitt ein.
Die stabilisierende Wirkung Bs wird durch vier übereinanderliegende Schichten von emailliertem Kupferdraht von 2 mm Durchmesser gebildet. Diese Schichten sind so gewickelt, dass sich die von ihnen erzeugten Magnetfelder addieren, dass sich aber ihre Gegeninduktivitäten mit Bi voneinander abziehen.
Praktisch wird der die stabilisierende Wicklung Bs bildende Draht vom Eingangsanschluss 9 in gleichbleibendem Windungssinn bis zu einer Lippe an der Unterbrechungsstelle 6 als Ringspule um die Ringkammer gewickelt : dann wird der Draht in gleichem Windungssinn, aber rückläufig von dieser Lippe um die Ringkammer bis zur andernLippe und wieder zurück zur ersten Lippe gewickelt. bis der Draht nach Herstellung von vier voll- ständigenLagen den Ausgangsanschluss 10 erreicht. Wenn angenommen wird, dass die Ringkammer in einer horizontalen Ebene liegt, dann verlaufen also alle Windungen der vier Schichten z. B. stets von unten über die Aussenseite der Ringkammer nach oben und von dort über die Ringkammerinnenseite wieder nach unten.
Die durch Bs gebildete Hulle weist eine Unterbrechung auf, welche der in der Abschirmung 5 vorhan-
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von 50 kV-60 Mikrofarad. Ihre Entladung wird durch eine Funkenstrecke 11 mit drei Elektroden gesteuert und auf die sechs Abschnitte von Bi durch sechs parallel geschaltete koaxiale Kabel 12 übertragen, wodurch eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen die mechanischen Kräfte erzielt und die Grösse der von der Schaltung herrührenden Störinduktivitäten vermindert wird.
Eine durch eine rotierende Maschine für 600 V -150 A üblicher Bauart gebildete Gleichstromquelle 13 speist die Wicklung Bs.
Ein Beobachtungsfenster wird durch eine einfache Öffnung von 5 x 20 mm2 gebilrlet, welche in der Abschirmung 7 an der Stelle der Unterbrechungen zwischen den Drähten Bi volgesehen ist, welche hiefür etwas auseinander gespreizt sind.
Zur Erleichterung der Zündung ist ein Impulsgenerator 14 vorgesehen, der mittels einer die Pumplei- tun 4 aussen umgebenden Wicklung 15 ein magnetisches Feld induziert, durch das einige Teilchen des in dieser Leitung strömenden Gases ionisiert werden.
Zu dem gleichen Zweck kann auch eine Hilfsentladung zwischen Elektroden, welche die Glaswand der Kammer durchsetzen, oder auch eine Elektronenkanone benützt werden.
Ein mit der Leitung 4 verbundenes Pump-und Füllsystem 16 gestattet, die Kammer 3 auszupumpen, zu entgasen und in sie ein gewünschtes Gas einzuführen.
Zur Messung des Entladungsstroms werden zweckmässig zwei Anleger (oder Stromwandler) benutzt, von denen der eine, 17, die koaxialen Zuführungskabel 12 umgibt und nur auf die Stromstärke in Bi anspricht, während der andere, 18, einen Abschnitt des Ringkörpers umgibt und gleichzeitig auf diesen Strom und den in der Entladung fliessenden Strom anspricht, wobei die Messung durch Differenzbildung nach Abgleichung mittels eines geeigneten Messsystems 19 erfolgt.