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Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Starkstrom-Ringentladungen in einer mit Gas gefüllten Ringkammer Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Starkstrom-Ringentladung in einem Gas, das in einer Ringkammer enthalten ist, wobei die Entladung die aus einer einzigen Windung bestehende Sekundärwicklung eines Impulstransformators darstellt. Derartige Ringentladungen finden Verwendung in Anlagen zum Studium der Bedingungen für die Herbeiführung von Kernfusionsprozessen.
Bei einer bekannten Anlage dieser Art besteht der elektrische Stromkreis im wesentlichen aus einem Kondensator, welcher von einer äusseren Stromquelle aufgeladen und über die Primärwicklung des Transformators wieder entladen wird. Wenn die Spannung am Kondensator sich umzukehren beginnt, erfolgt die Zündung eines an der Wicklung angeschlossenen Igni- trons und sowohl die primären als auch die Entladungsströme klingen von ihren Höchstwerten expo- nential ab. Der Zweck des Zündens des Ignitrons in diesem Zeitpunkt besteht darin, eine Umkehrung der am Kondensator vorhandenen Spannung zu verhindern.
Um thermonukleare Fusionsreaktionen zwischen den Ionen des im Ringkessel vorhandenen Gases ablaufen zu lassen, müssen diese Ionen durch mit Elektronen in der Ringentladung erfolgende Kollisionen erhitzt werden. Die Ionen und Elektronen benötigen eine bestimmte Zeit zum Erreichen thermischen Gleichgewichts und die Art des oben beschriebenen Stromkreises kann unter Umständen den Entladungsstrom nicht auf einen genügend hohen Wert für eine Zeitdauer halten, die zum Erzielen dieses Gleichgewichts genügt. Infolgedessen kann eine Brenngas- menge verbraucht werden, die nicht genügt, um den Betrieb des Reaktors ökonomisch zu gestalten.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung von Mitteln, um einen hohen Wert an Entla- dungsstrom für lange Zeit aufrechterhalten zu können.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung, bei welcher eine Starkstromringentladung im Gas eines Ringkessels durch Anwendung eines kurzen Hochspannungsimpulses von einem ersten Erregerkreis auf die Primärwicklung eines Impulstransformators erzeugt wird, dessen aus einer einzigen Windung bestehende Sekundärwicklung durch die genannte Ringentladung gebildet ist, weist einen zweiten Erregerstromkreis auf, der bezüglich des ersten Erregerstromkreises einen niedrigeren Spannungsimpuls von längerer Dauer erzeugen kann, und besitzt Mittel, um den genannten zweiten Erregerstromkreis mit der durch die Ringentladung gebildeten Sekundärwicklung zu verkoppeln,
wodurch der Entladungsstrom nach dem Absinken des Hochspannungsimpulses auf einen niedrigen Wert für einen der Dauer des niedrigen Impulses entsprechenden Zeitraum auf einem hohen Wert gehalten wird.
Die genannten ersten und zweiten Erregerstromkreise können hintereinander an der gleichen Primärwicklung des genannten ersten Impulstransformators angeschlossen sein, wobei die genannte niedrige Spannung in dem genannten, in Reihe geschalteten Kreis vor Beginn des kurzen Hochspannungsimpulses auftritt. Schaltmittel können vorgesehen sein, um den ersten Erregerstromkreis einem Kurzschluss zu unterwerfen, wenn dessen Hochspannungsimpuls auf einen niedrigen Wert gesunken ist.
Der genannte erste Erregerstromkreis kann aus einem Kondensator und aus zweiten Schaltmitteln bestehen, um den genannten Kondensator über die Primärwicklung des genannten Impulstransformators zu entladen. Der genannte zweite Erregerstromkreis kann eine belastete Verzögerungsleitung aufweisen und sich
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zum Aufspeichern von Hochspannungsenergie eignen, wobei ein zweiter Impulstransformator zum Heruntertransformieren der genannten Hochspannung auf die erforderliche niedrige Spannung vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung zieht aus der Tatsache Nutzen, dass nach erfolgtem Eintritt der Entladung die Impedanz zum grossen Teil aus einem Ohmschen Widerstand besteht und einen sehr niedrigen Wert aufweist, so dass eine verhältnismässig kleine Spannung einen Primärstrom erzeugt, der genügt, um den Entladungsstrom auf einem hohen Wert zu halten.
In der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 ein halbschematisches Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung für einen Kernfusionsversuchsreaktor und Fig. 2 Strom- und Spannungsverläufe, wie sie im Stromkreis gemäss Fig. 1 auftreten.
Die Reaktionskammer besteht gemäss Fig. 1 aus einem metallenen Ringkessel 1, der Gas (Deuterium oder eine Deuterium/Tritium-Mischung) enthält, in welchem eine eingeengte Ringentladung durch einen Transformator T1 erzeugt wird. Der Ringkessel 1 ist mit einer toroidförmigen Wicklung L 11 versehen, durch welche von einer Quelle 2 ein Strom geschickt wird, um ein axiales Magnetfeld zum Vermindern der räumlichen Instabilität der Entladung zu erzeugen. Der Transformator T1 ist mit einer Steuerwicklung L10 versehen, welche über eine Drosselspule L12 von einer Stromquelle 4 gespeist wird.
Die Primärwicklung des Transformators T1 ist in fünf separate Unterwicklungen L8, L9, L13, L14 und L15 unterteilt, welche von fünf identischen Erregerstromkreisen in Parallelschaltung gespeist werden. Nur einer dieser fünf Stromkreise ist im einzelnen dargestellt, nämlich der mit Wicklung L8 verbundene Stromkreis. Die anderen vier Stromkreise sind als Blöcke 11, 12, 13 und 14 jeweils dargestellt und an die betreffenden Wicklungen L9, L13, L14 und L15 angeschlossen.
Der im einzelnen dargestellte Stromkreis weist einen Kondensator C6 von 1820 Mikrofarad und 24 kV Betriebsspannung auf, welcher über einen Widerstand R6 von 250 Ohm und einen Jennings Hochvakuumschalter S8 von einer Quelle 3 gespeist wird. Die Stromquelle 3 besteht aus einem Sechsphasentransformator und Gleichrichter, wobei die Eingangsleistung zum Transformator durch einen Induktionsregler servogesteuert ist, so dass die Stromquelle einen konstanten Ladestrom von 1 Amp. so lange liefert, bis der Kondensator C6 völlig auf 24 kV geladen ist. Hernach wird nur mit schwachem Strom zur Aufrechterhaltung der Spannung geladen.
Parallel zum Kondensator C6 und einem Widerstand R8 von 250 Ohm liegt ein Jennings-Schalter S10 als Sicherheitskurzschlussschalter. Der Kondensator C6 wird über die Wicklung L8 durch Zündung eines in Reihe geschalteten Ignitrons Il (BTH Typ BK 194) entladen. Ein zweites Ignitron 12 (BTH Typ BK 194) liegt zwischen der Kathode von Il und dem Erdungspunkt des Stromkreises, während ein Kondensator C7 von zwei Mikrofarad zusammen mit einem mechanischen Schalter S7 an die Anode des Ignitrons 11 und die Erdungsseite des Stromkreises angeschlossen sind.
Der Schalter S7 ist vom schnell funktionierenden, druckluftbetätigten Typ mit einer Ansprechzeit von ungefähr 57 Millisekunden und besitzt Kontakte mit einer Belastungsfähigkeit von annähernd 35k Amp. Ein in Reihe geschalteter Schutzwiderstand R7 von 0,08 Ohm ist im Entladungsstromkreis noch eingebaut, um den Kondensator C6 zu schützen, indem er irgendwelche vom zufälligen Versagen des 12 herrührende Schwingungen abdämpft.
Die Rückleitungen der fünf Primärwicklungen des Transformators T1 sind zu den geerdeten Seiten der fünf Stromkreise geführt, und zwar über die fünf Sekundärwicklungen L6, L16, L17, L18 und L19 eines Impulstransformators T2, der ähnlich wie T 1 eine Steuerwicklung aufweist, welche von einer Quelle 5 über einen Widerstand R10 erregt wird, um den maximalen Magnetflussausschlag zu erzielen. Die Primärwicklung L5 des Transformators T2 ist über einen, dem Schalter S7 ähnlichen, mechanischen Schalter S6 mit einer Verzögerungsleitung verbunden, welche aus vier Induktionsspulen L1-L4 und fünf Kondensatoren Cl-C5 von je 1820 Mikrofarad und 24 kV Arbeitsspannung besteht.
An den genannten Kondensatoren sind kurzschliessende Sicherheitsschalter S1-S5 vom Jenningstyp in Reihe mit Widerständen R1-R5 von je 250 Ohm angeschlossen. Die Streuinduktivität der Primärwicklung L5 stellt eine fünfte Induktivität in der Verzögerungsleitung dar. Die Kondensatoren Cl-C5 der Verzögerungsleitung werden von einer der Quelle 3 ähnlichen Stromquelle 11 über einen Jenningsschalter S9 und einen Widerstand R9 von 250 Ohm aufgeladen. Die Ignitrons 13 und 14 sind an den Kondensatoren Cl bzw. C5 angeschlossen. Der an die Primärwicklung des Transformators T2 angeschlossene Stromkreis stellt einen zweiten Erregerstromkreis dar.
Der Transformator T2 besitzt Anzapfungen, welche die folgenden Verhältnisse in Abwärtstransfor- mierung vorsehen 6/ 12/ 24/ 36/ 48/ 72/ 96/ 144/ 192:1. Die Spulen Ll-L4 haben Anzapfungen, die es ermöglichen, ihre Induktivitäten zwischen 5 und 320 m Henry zu ändern. Die fünf Primärwicklungen am Transformator T1 sind an der Oberfläche des Torus gewickelte, verteilte Wicklungen und können in drei Reihenparallelschaltungen angeordnet werden, um Abwärtsverhältnisse von 6[ 12/ 24:1 zu liefern.
Die Wirkungsweise der Schaltung gemäss Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt, welche Verläufe der an den fünf Primärwicklungen herrschenden Spannung V und des durch diese Wicklungen fliessenden Stromes 1 zeigt. Es sei angenommen, dass die Kondensatoren C6 in jedem der fünf Stromkreise und auch die Kondensatoren C1-C5 im Verzögerungsnetzkreis aufgeladen, alle Schalter offen und alle Ignitrone ungezündet sind. Der Schalter S6 wird dann zu einem Zeitpunkt t1 ge-
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schlossen und der Transformator T2 erregt.
Infolge des Abwärtsverhältnisses des Transformators T2 steht somit eine verhältnismässig kleine Spannung an der Sekundärwicklung L6 zur Verfügung, die jedoch nicht an die Primärwicklungen angelegt wird, da der Stromkreis der Ignitrone I1, 12 und des Schalters S7 offen ist. Zur Zeit t2, ungefähr zwei Millisekunden nach dem Zeitpunkt t1, wird das Ignitron Il gezündet, und die volle Spannung am Kondensator C6, zuzüglich der an der Sekundärwicklung L6 herrschenden Spannung, wird an den Unterwicklungen L8, L9 usw. angelegt. Der in jeder Wicklung fliessende Strom und der im Ringkessel fliessende Entladungsstrom steigen rasch an, während die Spannung am Kondensator C6 anfängt zu sinken und das Verzögerungsnetzwerk sich zu entladen beginnt.
Der Hauptteil der anfänglich in C6 aufgespeicherten Energie wird zum Aufbau der Entladung im Ring- kessel benutzt und wird im Magnetfeld der Entladung aufgespeichert. Wenn die Entladung einmal aufgebaut ist, wird ihre Impedanz hauptsächlich Ohmscher Widerstand und von sehr geringer Grösse, so dass eine ziemlich geringe Spannung an den Primärwicklungen genügt, um einen Primärstrom zu erzeugen, welcher den Entladungsstrom auf dessen Höchstwert halten kann. Zum Zeitpunkt t3, wenn der Strom 1 annähernd seinen Höchstwert erreicht hat und die Spannung am Kondensator C6 ungefähr zum Nullwert gesunken ist, wird das Ignitron 12 gezündet und bewirkt Kurzschluss an C6.
Dadurch wird eine Umkehrung der Spannung am Kondensator C6 verhindert und eine daraus folgende Beschädigung des Kondensators vermieden, aber es bleibt an L8 die an L6 herrschende Spannung angelegt, welche aus den oben erklärten Gründen jetzt genügt, um den Entladestrom aufrechtzuhalten. Da die Ignitrone Il und 12 ungenügende Belastbarkeit zum Leiten des Höchststromes für längere Zeit besitzen, so wird der mechanische Schalter S7 kurz (ungefähr zwei Millisekunden) nach dem Zünden von 12 zum Zeitpunkt t4 geschlossen.
Der Höchststrom wird nun für die Zeit, welche das Verzögerungsnetzwerk zum Vollenden seiner Entladung braucht, aufrechterhalten, zu welchem Zeitpunkt t5 das Ignitron 14 gezündet wird und Strom und Spannung exponentiell abklingen.
Da die Schalter S6 und S7 Magnetschalter sind, benötigen sie eine verhältnismässig lange Ansprechzeit (ungefähr 40 bzw. 57 Millisekunden). Daher wird der Schalter S7 im Zeitpunkt t6 und der Schalter S6 kurz darauf, zur Zeit t7 angeschlossen. Das Schliessen der Schalter S6 und S7 wird durch eine Reguliervorrichtung 6 gesteuert, die ihrerseits durch einen Hauptzeitmesser 7 gesteuert wird, welcher die Ladeschalter S8 und S9 betätigt. Eine elektromechanische Sperrvorrichtung gewährleistet, dass der Schalter S6 geschlossen ist, bevor das Ignitron Il gezündet wird und dass der Schalter S7 angeschlossen wird, bevor das Ignitron Il gezündet hat.
Das Ignitron 12 wird durch einen Steuerstromkreis 8 gezündet, welcher durch ein parallel zum Kondensator C6 geschaltetes Potentio- meter in Funktion gesetzt wird. Das Ignitron 14 wird durch einen ähnlichen Steuerkreis 9 gezündet, dessen Schaltung durch ein Potentiometer R12 erfolgt, das benachbart dem Schalter S6 am Verzögerungsnetzwerk angeschlossen ist.
Das Ignitron 13 ist am äussersten Ende des Verzögerungsnetzwerkes angeschlossen, wird durch einen Steuerkreis 10 gezündet, der von einem am Verzögerungsnetzwerk angeschlossenen Potentiometer R13 geschaltet wird, und dient dazu, um die Möglichkeit einer Spannungsumkehr an den Kondensatoren Cl-C5 zu verhindern, wenn die Spannungsfront vom äussersten Ende der Leitung, beispielsweise infolge eines Kurzschlusses am beim Schalter S6 befindlichen Ende, reflektiert wird.
Die Wiederholungsperiode der Ringentladungen kann 50 bis 150 Sekunden dauern. Da dies eine relativ lange Zeitdauer darstellt, wird .der Ringkessel zwischen den Entladungen durch eine Anzahl kleinerer Entladungen mit höherer Wiederholungsfrequenz vorzugsweise konditioniert gehalten, und aus diesem Grund ist der Transformator T1 mit einer weiteren Primärwicklung L20 versehen, welche mit einem Erregerkreis 12 von niedriger Energie. verbunden ist. Die Wiederholungsperiode des Stromkreises 12 wird durch den Zeitschalter 7 so gesteuert, dass sie ungefähr 10 Sekunden beträgt.
Die Spannung, welche an den Sekundärwicklungen L6, L16, L17, L18 und L19 entwickelt wird, lässt sich durch Verstellen der Anzapfungen am Transformator T2 und/oder der Spannung ändern, auf welche die Kondensatoren Cl-C5 durch die Quelle 11 aufgeladen werden. Zum Anpassen der Impedanz des Verzögerungsnetzwerkes an den Widerstand der Entladungsstrecke, nachdem der letztgenannte durch die Wandler T1 und T2 transformiert wurde, können die Werte der Induktivitäten L1-L4 mittels daran vorhandener Anzapfungen eingestellt werden. Auf diese Weise kann die Impedanz des Verzögerungsnetzwerkes von 1,8 Ohm bis 14,35 Ohm verändert werden.
Dies ändert natürlich auch die Entladungszeit des Verzögerungsnetzwerkes, d. h. den zwischen t2 und t5 liegenden Zeitraum, von einem Minimum von 30 Millisekunden bis zu einem Maximum von 230 Millisekunden. Es ist ferner auch möglich, die Impedanz durch Ändern der Werte der Kondensatoren Cl-C5 zu verstellen, von denen jeder einzelne aus einer Mehrzahl kleinerer, parallel geschalteter Kondensatoren besteht.
Bei einem 6 :1 Wandlungsverhält- nis am Transformator T1 können Entladungsimpedanzen in einem Grössenbereich von 7,7 X 10-j bis 1,17 X 10-s Ohm durch Verstellen der Induktivitäten Ll-L4 angepasst werden, wobei der Bereich des Abwärtsverhältnisses am Transformator T2 in Betracht gezogen wird. Bei einem 6 : 1 Verhältnis am Transformator T1 beträgt die Impulsanstiegzeit, d. h. die Zeit t2-t3, ungefähr 1,8 Millisekunden; die Wandlungsverhältnisse 12: 1 und 24: 1 ergeben Anstiegzeiten von 3,6 bzw. 7,2 Millisekunden.
Der Kondensator C7 ist im Stromkreis eingeschlossen, so dass, falls eines der fünf Ignitrone etwas
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vor den übrigen zündet, die Spannung an den anderen vier Ignitronen nicht sofort sinkt und sie am Zünden hindert. Der Kondensator C7 zusammen mit der Induktanz der von ihm zur Primärwicklung L8 des Transformators führenden Leitung ruft eine kurze Verzögerung an einem Impuls hervor, der an der Anode des Ignitrons Il von einem der anderen vier Kreise eintrifft, und gibt ihm somit Zeit zum Zünden.
Zum Verringern der Stromkreisimpedanz werden koaxiale Kabel für die Stromimpulse führenden Verbindungen benutzt.
Es ist zu beachten, dass es noch andere Möglichkeiten gibt, gemäss welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. Zum Beispiel besteht der Grund zum Verwenden von fünf Primärwicklungen darin, dass die Strombelastbarkeit der Ignitrone zur Zeit noch begrenzt ist. Bei einem Entladungsstrom von 10s Amp. beträgt der gesamte Primärstrom bei einem Wandlungsverhältnis von 6 : 1 immerhin 165 k Amp., was die Leistungsfähigkeit eines einzigen Ignitrons bei weitem übertrifft. Indem nun fünf Primärwicklungen und fünf Ignitrone benutzt werden, wird der Strom in jedem einzelnen auf ungefähr 35 kAmp. verringert.
Eine weitere mögliche Abänderung besteht in der Verwendung separater Primärwicklungen zum Aufbau der Entladung (Zeitraum t2-t3) und zum Aufrechterhalten derselben (Zeitraum t4-t5). Tatsächlich besteht ein besonderer Vorteil der beschriebenen Stromkreise darin, dass die beiden Funktionen, a) des Aufbauens des Entladungsstromes und b) des Aufrechterhaltens desselben während dem Stattfinden von Reaktionen, voneinander getrennt sind. Die erste Funktion erfordert einen Stromkreis mit kurzer Zeitkonstante und ein starkes elektrisches Feld, um die dem Entladungskanal zugeordnete, magnetische Energie rasch aufzubauen; dieser Strom ist hauptsächlich durch die Induktanz des Stromkreises bestimmt und dabei wird verhältnismässig wenig Energie verschwendet.
Im zweiten Fall wird die zuzuführende Energie durch die Verluste bestimmt, die sich bei der Entladung ergeben (Radiation, Leitungsverluste an den Toruswänden usw.); der Strom ist resistiv und erfordert nur ein kleines elektrisches Feld, welches jedoch für relativ lange Zeit aufrechterhalten werden muss.
Der aufrechterhaltende Stromkreis braucht kein Verzögerungsnetzwerk zu enthalten, er könnte beispielsweise mit einem einfachen Kondensator versehen sein, falls eine Stromwellenform mit flacher Oberseite nicht wichtig ist, und durch Aufspeichern der aufrechterhaltenden Ladung bei niedriger Spannung in grossen Kondensatoren würde sich der Transformator T2 erübrigen. Dies stellt jedoch ein unökonomisches Verfahren zum Aufspeichern einer Ladung dar. Es könnte aber auch ein Gleichstromgenerator oder ein-z andere Vorrichtung verwendet werden, welche einen hohen Strom bei niedriger Spannung liefert, wodurch der Transformator T2 wieder überflüssig würde.
Ferner ist es auch möglich, den Aufbaustromkreis und den aufrechterhaltenden Stromkreis parallel mit Bezug auf die Primärwicklung anzuordnen, anstatt wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Serienschaltung durchzuführen, aber die Zeitregelung des Schalters und der Ignitrons ist bei solchen Anordnungen kritischer.
In der vorangehenden Beschreibung schliesst der Ausdruck Schaltermittel sowohl mechanische Schalter als auch Entladevorrichtungen, wie z. B. Ignitrone, ein.
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Circuit arrangement for generating high current ring discharges in a gas-filled ring chamber The invention relates to a circuit arrangement for generating a high current ring discharge in a gas contained in an annular chamber, the discharge being the secondary winding of a pulse transformer consisting of a single turn. Such ring discharges are used in systems for studying the conditions for bringing about nuclear fusion processes.
In a known system of this type, the electrical circuit consists essentially of a capacitor which is charged from an external power source and discharged again via the primary winding of the transformer. When the voltage on the capacitor begins to reverse, an igniter connected to the winding takes place and both the primary and the discharge currents decay exponentially from their maximum values. The purpose of igniting the ignitrone at this point is to prevent reversal of the voltage across the capacitor.
In order to allow thermonuclear fusion reactions between the ions of the gas present in the ring bowl, these ions have to be heated by collisions with electrons in the ring discharge. The ions and electrons take a certain time to reach thermal equilibrium and the type of circuit described above may not keep the discharge current at a sufficiently high value for a period of time that is sufficient to achieve this equilibrium. As a result, an amount of fuel gas can be consumed which is insufficient to make the operation of the reactor economical.
The present invention aims to provide a means for maintaining a high level of discharge current for a long time.
The circuit arrangement according to the invention, in which a high-current ring discharge is generated in the gas of a ring bowl by applying a short high-voltage pulse from a first excitation circuit to the primary winding of a pulse transformer, the secondary winding of which consists of a single turn is formed by said ring discharge, has a second excitation circuit which can generate a lower voltage pulse of longer duration with respect to the first excitation circuit, and has means to couple said second excitation circuit to the secondary winding formed by the ring discharge,
whereby the discharge current is kept at a high value for a period corresponding to the duration of the low pulse after the high voltage pulse has dropped to a low value.
Said first and second excitation circuits can be connected in series to the same primary winding of said first pulse transformer, said low voltage occurring in said series-connected circuit before the start of the short high voltage pulse. Switching means can be provided in order to subject the first excitation circuit to a short circuit when its high-voltage pulse has dropped to a low value.
Said first excitation circuit can consist of a capacitor and second switching means in order to discharge said capacitor via the primary winding of said pulse transformer. Said second excitation circuit can have a loaded delay line and itself
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suitable for storing high-voltage energy, a second pulse transformer being provided for stepping down said high voltage to the required low voltage.
The present invention takes advantage of the fact that after the discharge has occurred, the impedance largely consists of an ohmic resistance and has a very low value, so that a relatively small voltage generates a primary current that is sufficient to increase the discharge current to a hold high value.
An example embodiment of the subject of the invention is shown in the accompanying drawing. It shows: FIG. 1 a semi-schematic circuit diagram of an embodiment of the invention for a nuclear fusion test reactor and FIG. 2 current and voltage profiles as they occur in the circuit according to FIG.
According to FIG. 1, the reaction chamber consists of a metal ring tank 1 which contains gas (deuterium or a deuterium / tritium mixture) in which a narrowed ring discharge is generated by a transformer T1. The ring bowl 1 is provided with a toroidal winding L 11 through which a current is sent from a source 2 in order to generate an axial magnetic field to reduce the spatial instability of the discharge. The transformer T1 is provided with a control winding L10 which is fed from a current source 4 via a choke coil L12.
The primary winding of the transformer T1 is divided into five separate sub-windings L8, L9, L13, L14 and L15, which are fed by five identical excitation circuits in parallel. Only one of these five circuits is shown in detail, namely the circuit connected to winding L8. The other four circuits are shown as blocks 11, 12, 13 and 14 respectively and are connected to the respective windings L9, L13, L14 and L15.
The circuit shown in detail has a capacitor C6 of 1820 microfarads and 24 kV operating voltage, which is fed from a source 3 via a resistor R6 of 250 ohms and a Jennings high vacuum switch S8. The power source 3 consists of a six-phase transformer and rectifier, the input power to the transformer being servo-controlled by an induction regulator, so that the power source delivers a constant charging current of 1 Amp. Until the capacitor C6 is fully charged to 24 kV. Afterwards, only a weak current is used to maintain the voltage.
Parallel to the capacitor C6 and a resistor R8 of 250 ohms, there is a Jennings switch S10 as a safety short-circuit switch. The capacitor C6 is discharged through the winding L8 by igniting a series-connected Ignitron II (BTH type BK 194). A second ignitron 12 (BTH type BK 194) lies between the cathode of II and the earth point of the circuit, while a capacitor C7 of two microfarads together with a mechanical switch S7 are connected to the anode of the ignitron 11 and the earth side of the circuit.
The switch S7 is of the fast-functioning, compressed air-actuated type with a response time of approximately 57 milliseconds and has contacts with a load capacity of approximately 35k Amp. A series-connected protective resistor R7 of 0.08 Ohm is built into the discharge circuit to close the capacitor C6 by dampening any vibrations resulting from the accidental failure of the 12.
The return lines of the five primary windings of the transformer T1 are led to the earthed sides of the five circuits, namely via the five secondary windings L6, L16, L17, L18 and L19 of a pulse transformer T2, which, similar to T 1, has a control winding which comes from a source 5 is excited via a resistor R10 in order to achieve the maximum magnetic flux deflection. The primary winding L5 of the transformer T2 is connected to a delay line via a mechanical switch S6 similar to the switch S7, which consists of four induction coils L1-L4 and five capacitors C1-C5 of 1820 microfarads each and 24 kV working voltage.
Short-circuiting safety switches S1-S5 of the Jenning type are connected in series with resistors R1-R5 of 250 Ohm each to the capacitors mentioned. The leakage inductance of the primary winding L5 represents a fifth inductance in the delay line. The capacitors C1-C5 of the delay line are charged by a current source 11 similar to source 3 via a Jennings switch S9 and a resistor R9 of 250 ohms. The ignitrons 13 and 14 are connected to the capacitors C1 and C5, respectively. The circuit connected to the primary winding of transformer T2 represents a second excitation circuit.
The transformer T2 has taps which provide the following ratios in step-down transformation 6/12/24/36/48/72/96/144/192: 1. The coils Ll-L4 have taps that make it possible to change their inductances between 5 and 320 m Henry. The five primary windings on transformer T1 are distributed windings wound on the surface of the torus and can be arranged in three series in parallel to provide step-down ratios of 6 [12/24: 1.
The mode of operation of the circuit according to FIG. 1 is shown in FIG. 2, which shows the curves of the voltage V prevailing at the five primary windings and of the current 1 flowing through these windings. It is assumed that capacitors C6 in each of the five circuits and also capacitors C1-C5 in the delay network are charged, all switches are open and all ignitrones are not ignited. The switch S6 is then opened at a time t1
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closed and the transformer T2 energized.
As a result of the step-down ratio of the transformer T2, a relatively small voltage is available at the secondary winding L6, but this is not applied to the primary windings because the circuit of the Ignitrone I1, 12 and the switch S7 is open. At time t2, approximately two milliseconds after time t1, the ignitron II is ignited and the full voltage on capacitor C6, plus the voltage on secondary winding L6, is applied to sub-windings L8, L9, etc. The current flowing in each winding and the discharge current flowing in the ring bowl rise rapidly, while the voltage on capacitor C6 begins to decrease and the delay network begins to discharge.
The main part of the energy initially stored in C6 is used to build up the discharge in the ring bowl and is stored in the magnetic field of the discharge. Once the discharge is established, its impedance becomes mainly ohmic resistance and of very small magnitude, so that a fairly low voltage on the primary windings is sufficient to produce a primary current which can keep the discharge current at its maximum value. At the time t3, when the current 1 has almost reached its maximum value and the voltage on the capacitor C6 has dropped to approximately zero, the ignitron 12 is ignited and causes a short circuit at C6.
This prevents the voltage on capacitor C6 from being reversed and prevents damage to the capacitor as a result, but the voltage prevailing on L6 remains applied to L8, which for the reasons explained above is now sufficient to maintain the discharge current. Since the Ignitrone II and 12 have insufficient load capacity to conduct the maximum current for a long time, the mechanical switch S7 is closed shortly (approximately two milliseconds) after the ignition of 12 at time t4.
The maximum current is now maintained for the time which the delay network needs to complete its discharge, at which point in time t5 the ignitron 14 is ignited and the current and voltage decay exponentially.
Since switches S6 and S7 are magnetic switches, they require a relatively long response time (approximately 40 and 57 milliseconds, respectively). Therefore switch S7 is connected at time t6 and switch S6 shortly thereafter, at time t7. The closing of switches S6 and S7 is controlled by a regulating device 6, which in turn is controlled by a main timer 7 which actuates the charging switches S8 and S9. An electromechanical locking device ensures that the switch S6 is closed before the Ignitron II is ignited and that the switch S7 is connected before the Ignitron II has ignited.
The ignitron 12 is ignited by a control circuit 8, which is activated by a potentiometer connected in parallel with the capacitor C6. The ignitron 14 is ignited by a similar control circuit 9, which is switched by a potentiometer R12 which is connected to the delay network adjacent to the switch S6.
The Ignitron 13 is connected at the extreme end of the delay network, is ignited by a control circuit 10, which is switched by a potentiometer R13 connected to the delay network, and serves to prevent the possibility of a voltage reversal on the capacitors Cl-C5 when the voltage front from the outermost end of the line, for example as a result of a short circuit at the end located at switch S6, is reflected.
The repetition period of the ring discharges can last 50 to 150 seconds. Since this represents a relatively long period of time, the ring bowl is preferably kept conditioned between the discharges by a number of smaller discharges with a higher repetition frequency, and for this reason the transformer T1 is provided with a further primary winding L20, which has an excitation circuit 12 of low energy . connected is. The repetition period of the circuit 12 is controlled by the timer 7 so that it is approximately 10 seconds.
The voltage which is developed at the secondary windings L6, L16, L17, L18 and L19 can be changed by adjusting the taps on the transformer T2 and / or the voltage to which the capacitors Cl-C5 are charged by the source 11. To adapt the impedance of the delay network to the resistance of the discharge path after the latter has been transformed by the converters T1 and T2, the values of the inductances L1-L4 can be set by means of taps present thereon. In this way the impedance of the delay network can be changed from 1.8 ohms to 14.35 ohms.
This of course also changes the discharge time of the delay network, i. H. the period between t2 and t5, from a minimum of 30 milliseconds to a maximum of 230 milliseconds. It is also possible to adjust the impedance by changing the values of the capacitors C1-C5, each of which consists of a plurality of smaller capacitors connected in parallel.
With a 6: 1 conversion ratio at the transformer T1, discharge impedances in a size range from 7.7 X 10-j to 1.17 X 10-s ohms can be adjusted by adjusting the inductances Ll-L4, the range of the step-down ratio on the transformer T2 is considered. With a 6: 1 ratio at transformer T1, the pulse rise time is, i. H. the time t2-t3, approximately 1.8 milliseconds; the conversion ratios 12: 1 and 24: 1 result in rise times of 3.6 and 7.2 milliseconds, respectively.
Capacitor C7 is included in the circuit so that if any of the five Ignitrons do anything
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ignites before the others, the voltage on the other four ignitrons does not drop immediately and prevents them from igniting. The capacitor C7 together with the inductance of the line leading from it to the primary winding L8 of the transformer causes a short delay in a pulse that arrives at the anode of the ignitrone II from one of the other four circuits, thus giving it time to ignite.
To reduce the circuit impedance, coaxial cables are used for the connections carrying the current pulses.
It should be noted that there are other ways in which the invention can be carried out. For example, the reason for using five primary windings is that the current carrying capacity of the Ignitrone is currently still limited. With a discharge current of 10s Amp., The total primary current at a conversion ratio of 6: 1 is 165 k Amp., Which by far exceeds the capacity of a single ignitron. By using five primary windings and five ignitrons, the current in each one is about 35 kAmp. decreased.
Another possible modification is the use of separate primary windings to build up the discharge (period t2-t3) and to maintain it (period t4-t5). In fact, a particular advantage of the circuits described is that the two functions, a) building up the discharge current and b) maintaining it while reactions are taking place, are separated from one another. The first function requires a circuit with a short time constant and a strong electric field in order to quickly build up the magnetic energy associated with the discharge channel; this current is mainly determined by the inductance of the circuit and relatively little energy is wasted.
In the second case, the energy to be supplied is determined by the losses that occur during the discharge (radiation, conduction losses on the torus walls, etc.); the current is resistive and only requires a small electrical field, which, however, has to be maintained for a relatively long time.
The sustaining circuit need not include a delay network, for example it could be a simple capacitor if a flat top current waveform is not important, and by storing the sustaining charge at low voltage in large capacitors, transformer T2 would be unnecessary. However, this represents an uneconomical method for storing a charge. However, a direct current generator or some other device could also be used which supplies a high current at a low voltage, whereby the transformer T2 would again be superfluous.
Furthermore, it is also possible to arrange the build-up circuit and the sustaining circuit in parallel with respect to the primary winding instead of being connected in series as in the embodiment described, but the timing of the switch and the ignitrons is more critical in such arrangements.
In the foregoing description, the term switch means includes both mechanical switches and discharge devices, e.g. B. Ignitrone.