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Verfahren und Vorrichtung zum Beschleunigen elektrisch geladener Teilchen eines ionisierten Gases
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Beschleunigen elektrischAmplitudsnkomponente E aufweist, auf ein Teilchen mit der Ladung e, ist durch die folgende Gleichung bestimmt
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Hiebei bedeuten : e = Ladung des Teilchens, die bei einem Elektron gleich 4, 8025. 10-10 elektrostatische Einheiten im CGS-System ist ; m = Masse des Teilchens, die bei einem Elektron gleich 9. 1076. 10-28g ist ; M= WinkelgeschwindigkeitdeselektiomagnetischenFeldes, diemitderFiequenz f durch die bekannte Beziehung verknüpft ist :
w = 2 T f ; fc = zyklotronische Frequenz (natürliche Rotationsfrequenz des Teilchens mit der Ladung e und der Masse m. das einem statischen Magnetfeld B unterworfen wird) ;
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E längs der Längsachse Oz desHohlraumesistinFig. 2dargestellt,'indermanerkennt, dassderGra- dient VE dièses Feldes langs des Hohiraumes 1 etwa Sinusform aufweist : Das Fp, ld ist bei 0 im
Bereich der Öffnung 2 gleich Null, erreicht einen maximalen Wert in der mittleren Querebene des Hohlraumes und wird wieder Null im Bereich der Öffnung 3. Der Gradient #E ist somit von beiden Seiten nach der Mittelebene zu gerichtet.
Das magnetische Feld ist im Gegensatz hiezu über die ganze
Länge des Hohlraumes konstant ; der Gradient VE weist infolgedessen in der links von der Mittelebene gelegenen Hälfte des Hohlraumes die gleiche Richtung auf wie das Magnetfeld und in der andern Hälfte die entgegengesetzte Richtung.
Gleichung (1) zeigt. dass bei einem gleichförmigen Magnetfeld. bei dem b längs des ganzen Hohlraumes grösser als 1 ist und einem Gradienten #E die mittlere Kraft F, die auf ein in den Hohl- raum durch den Durchbruch 2 eintretendes Elektron wirkt, dieses Elektron in allen Punkten der ersten
Hälfte, d. h. bis zur Mittelebene, beschleunigt und es dann verlangsamt : das Elektron verlässt den Hohl- raum über die Öffnung 3 und besitzt eine Geschwindigkeit, die gleich der bei seinem Eintritt ist. Da- mit die Kraft F ständig beschleunigend, d.h. in gleichem Sinne, wirkt, muss sich die Amplitude von b längs der Achse des Hohlraumes nach einem im folgenden abgeleiteten Gesetz ändern.
Eine Analyse der Kräfte, die auf ein geladenes Teilchen wirken, das sich in unmittelbarer Nähe der
Längsachse des Hohlraumes und in einer Querebene befindet, die als Mittelebene betrachtet werden kann, gestattet eine nähere Untersuchung dieses Problems. Für diese Ebene kann man annehmen, dass die Stärke
B des Magnetfeldes so ist, dass die zyklotronische Frequenz fc gleich der Frequenz f des an den
Hohlraum angelegten elektromagnetischen Feldes ist. DieGleichung (1) wird in diesem Falle unbestimmt und muss durch folgenden Ausdruck für die Kraft Fi ersetzt werden :
Fi = FúJ+ Fb
Hiebei bedeuten :
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und
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der Achse Oz des Hohlraumes. Diese Achse, längs der die Eintritts- und Austrittsöffnungen angeordnet sind, ist positiv von der öffnung 2 zur Öffnung 3 gerichtet.
Die Kraft Fi ist die Summe der auf dem elektromagnetischen Feld mit der Winkelgeschwindigkeit w beruhenden Kraft Ffj und der auf dem stetischen Magnetield B beruhenden Kraft Fb.
Der Faktor KE stellt die Querkomponente der kinetischen Energie des Elektrons dar, die auf die Komponente der Geschwindigkeit des letzteren zurückzuführen ist, das zyklotronische Frequenz besitzt.
Ist ein starkes elektromagnetisches Feld vorhanden, so wird das Amplitudenverhältnis der Kräfte Fb und Fw annähernd durch folgende Gleichung bestimmt :
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Wert beizulegen und einen gleichbleibenden Sinn für die Kraft Fi beizubehalten, muss man ein Profil des in Abhängigkeit von z veränderlichen statischen Magnetfeldes entsprechend einer Gleichung b = f (Z) wählen, die beispielsweise wie folgt lauten kann :
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Hiebei ist bo der Wert von b, der an der Eintrittsstelle der Teilchen gemessen wird, an der das
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3 zeigteinem Hohlraum 11A, der eine Eintrittsöffnung 12 und eine Austrittsöffnung enthält, die längs der
Längsachse des Hohlraumes aufeinander ausgerichtet sind.
Eine erste Plasma- oder Teilchenquelle 14 liefert einen Plasmastrahl 14A in den Hohlraum 11A durch die Eintrittsöffnung 12. Eine von einer
Gleichspannungsquelle 17 gespeiste Spule 15 liefert das axiale Magnetfeld. Das elektrische Feld wird durch einen Hochfrequenzgenerator 16 geliefert, der mit dem Hohlraum 11A über einen Wel- lenleiter 16A verbunden ist.
Die Austrittsöffnung des ersten Beschleunigers steht mit einer Kammer 18A in Verbindung, die durch eine Wand 18 von beispielsweise elliptischem Querschnitt begrenzt wird. Die Wand 18 kann direkt mit der Plasmaquelle 14. über einen im Inneren des Hohlraumes 11B angeordneten Teil 18B verbunden sein, der aus einem Material besteht, das für die hochfrequente elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Das Magnetfeld zur Begrenzung des Plasmas wird durch ein geeignetes System geliefert, das durch eine Spule 19 schematisch veranschaulicht ist.
Das rechte Ende der Kammer 18A ist mit einem zweiten Beschleuniger verbunden, der mit dem erstgenannten identisch ist und einen Resonator 21 mit einem Hohlraum 21A enthält. In dem Hohlraum 21A ist eineEintrittsöffnung 22 und eine Austrittsöffnung 23 vorgesehen. Eine zweite Plasmaquelle 24 liefert einen Plasmastrahl in den Resonator 21. Eine von einer Stromquelle 27 gespeiste zweite Spule 25 liefert das Magnetfeld des Beschleunigers. Ein zweiter Hochfrequenzgenerator 26, der mit dem Hohlraum 21A über einen Wellenleiter 26 verbunden ist, liefert das elektrische Feld. Das in die Kammer 18A durch die Beschleuniger eingeführte Plasma wird in der magnetischen Flasche durch das Feld der Spule 19 festgehalten.
Es liegt auf der Hand, dass an Stelle von zwei Beschleunigern auch ein einziger verwendet werden kann, wenn für die magnetische Flasche ein geeignetes Spulensystem benutzt wird.
Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung enthält einen Plasmabeschleuniger, der identisch mit dem in Fig. 1 dargestellten ist und einen Resonator 31 mit einem Hohlraum 31A enthält. Die Vorrichtung weist ferner eine von einer Spulenquelle 37 gespeiste Spule 35 und einen mit dem Hohlraum über einen Bügel 36B verbundenen Generator 36 auf. Dieser Beschleuniger ist über seine Eintrittsöffnung 32 mit einer Kammer 39A verbunden, die durch eine Wand 39 begrenzt wird und ein neutrales Gas unter niedrigem Druck enthält. Dieses Gas wird beim Durchtritt durch den Hohlraum 31A, vorzugsweise in der Nähe der Mittelebene dieses Hohlraumes, durch das hohe elektrische Feld ionisiert. Das so gebildete Plasma wird beschleunigt und durch den Durchbruch 33 ausgestossen. DieVorrichtungpumpt somit das Gas aus der Kammer 39A.
Das aus dem Hohlraum 31A durch die Leitung 42 ausgestossene Plasma vereinigt sich wieder zu neutralem Gas und wird sodann durch eine übliche Pumpe 40 abgesaugt und bei 41 ausgestossen. Die Vorrichtung ermöglicht somit die Herstellung eines besseren Vakuums, als dies mit üblichen Pumpen erreichbar ist.
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