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Verfahren zur Herbeiführung von Kernreaktionen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herbeiführung von Kernreaktionen innerhalb einer Entladungsvorrichtung, welche in einer Umhüllung eine Anode und eine Kathode aufweist und Mittel zum Anlegen einer Spannung an diese Elektroden.
Dieses Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass eine für Elektronen durchlässige Anode verwendet wird, deren Innenseite einen Hohlraum bildet und eine im Abstand zur Aussenseite der Anode angeordnete Kathode, wobei Form und Anordnung dieser Elektroden so gewählt sind, dass bei einem Potentialunterschied zwischen diesen Elektroden der Hohlraum feldfrei bleibt, dass zwischen der Kathode und der Anode ein elektrisches Feld erzeugt wird, derart, dass die Elektronen in Richtung zur Anode beschleunigt und die durch die Anode hindurchtretenden Elektronen in einem Brennpunkt im Hohlraum fokussiert werden und dadurch im Hohlraum eine negative Raumladung erzeugen, die als virtuelle Kathode wirkt, dass ferner dem Hohlraum positive Ionen zugeführt werden,
welche unter der Einwirkung der virtuellen Kathode zu dieser und durch diese hindurch bewegt werden, und zwar in solcher Dichte und mit solcher Geschwindigkeit, dass Kernreaktionen entstehen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht z. B. aus einer Elektronenröhre mit konzentrisch angeordneter Kathode und Anode, wobei die Anode für Elektronen durchlässig und innerhalb der Kathode angeordnet ist. Die von der Kathode emittierten Elektronen durchdringen die Anode und gelangen zum Mittelpunkt der Anode, an welcher Stelle die gegenseitigen elektrischen Abstossungskräfte zur Wirkung kommen. Infolgedessen nehmen die Geschwindigkeiten der Elektronen bei ihrer Annäherung an die Anodenmitte ab, wodurch eine Raumladung aufgebaut wird, welche entsprechend das Raumpotential bezüglich der Anode vermindert. In nächster Nähe der Anodenmitte kommen die Elektronen praktisch zum Stillstand, wodurch eine kleine virtuelle Kathode entsteht.
Im Anodenraum werden Atome durch Zusammen- stoss mit den Elektronen ionisiert, wobei die Ionendichte in der Anodenmitte, d. h. am Ort der virtuellen Kathode am grössten ist. Die innerhalb der Anode erzeugten Ionen schwingen mit Kernreaktionen ermöglichenden Geschwindigkeiten (Kernreaktionsgeschwindigkeiten) durch die Anodenmitte, und zwar dank der Kräfte des anodischen Raumpotentials, so dass Kernzusammenstösse entstehen, welche Kernreaktionen hervorrufen.
Die Grösse der freiwerdenden Energie und die Art der Reaktionsprodukte solcher Reaktionen hängen ab von den Kernzusammensetzungen der verwendeten Atome, der im Spiele stehenden kinetischen Energie und von den weiteren auf Kernreaktionen zutreffenden Faktoren, den besonderen Parametern und Mitteln, die in Abhängigkeit der gewünschten Art von Reaktionen und den gewünschten Energien zur Verwendung gelangen.
Nachstehend werden mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Die Fig. 1 in schematischer Form einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens; die Fig. 2a ein Diagramm von gleicher Art wie die Fig. 2 zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung; die Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch
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die Vorrichtung nach Fig. 1, welche zusätzlich ein Gaseinlassohr aufweist;
die Fig. 4 ein schematisches Bild des Raumes innerhalb der Anode der vorangehenden Figuren zur Veranschaulichung der Ionenkonzentration; die Fig. 5 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung; die Fig. 6a, 6b und 6c verschiedene Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des vorliegenden Systems; die Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch ein vollständiges System, welches die Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet; die Fig. 8 eine Perspektivansicht einer geeigneten Anodenkonstruktion; die Fig. 9 einen Querschnitt, welcher längs der Schnittlinie 9-9 der Fig. 8 geführt ist;
die Fig. 10 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes; die Fig. 11 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 10, in welcher die durch die Anode erzeugten Äquipotentialflächen eingezeichnet sind; und die Fig. 12 einen vergrösserten Querschnitt der Anode nach Fig. 10.
Erzeugung des elektrischen Feldes Die Fig. 1 zeigt ein evakuiertes kugelförmiges Elek- tronenröhrengebilde, welches eine kugelförmige Kathodenschale 20, eine kugelförmige Anodenschale 21 und ein zwischen diesen liegendes kugelförmiges Steuergitter 22 aufweist, wobei die genannten Elektroden konzentrisch angeordnet sind, wie dies aus der Figur ersichtlich ist. Die Anode 21 und das Steuergitter 22 sind für Elektronen durchlässig und können im vorliegenden Beispiel als aus einem offenen Gitter bestehend betrachtet werden. Die Anode kann als das elektrische Äquivalent eines zu 99% offenen Gebildes und das Steuergitter als das Äquivalent eines zu 95% offenen Gebildes betrachtet werden.
Die genannten Elektroden sind mit Anschlüssen versehen, und zwar führt ein Leiter 23 zur Anode 21, ein Leiter 24 zur Kathode 20 und ein Leiter 25 zum Steuergitter 22. Wie dies aus der Figur hervorgeht, sind Potentiale geeigneter Polarität und Grösse an die Elektroden angelegt. Die zwischen dem Steuergitter und der Kathode 20 liegende Spannung bewirkt, dass der Elektronenstrom von der Kathode zur Anode fliesst. Die Innenfläche der Kathode 20 ist mit einem elektronenemittierenden Material oder einer dem gleichen Zwecke dienenden Vorrichtung versehen.
Wenn die Kathode 20 beträchtliche Mengen an Elektronen liefert, wird eine Elektronenwolke oder mit anderen Worten eine Raumladung im Raum zwischen der Kathode und dem negativ vorgespannten Steuergitter erzeugt. Aus dieser Wolke treten Elektronen durch das Steuergitter hindurch und schwingen durch die Röhre, bis sie durch die Anode aufgefangen werden. Irgendwelche Elektronen, welche zufällig wieder durch das Steuergitter hindurchtreten, gelangen wiederum in die Elektronenwolke und gehen damit nicht verloren.
Wenn an den Elektroden geeignete Potentiale liegen, dann konvergieren die von der Kathode emittierten Elektronen längs praktisch radial verlaufenden Wegen gegen das Zentrum der Röhre. Der Elektronenfluss wird in Richtung auf die Anode beschleunigt, und zwar wegen des elektrischen Feldes, welches zwischen der Anode und der Kathode herrscht, so dass die Elektronen bei der Annäherung an die Anode mit grosser Geschwindigkeit vorwärts bewegt werden. Da die Anode wie schon erwähnt ein im wesentlichen offenes Gebilde ist (in einem Beispiel bis zu 99% offen), kann die Anode selbst als kugelschalenförmige für Elektronen durchlässige Äquipotentialfläche betrachtet werden, welche auf die durch die Kathode emittierten Elektronen eine Beschleunigungskraft ausübt.
Beim Erreichen der Anodenoberfläche haben die Elektronen eine Geschwindigkeit, die der Spannung entspricht, welche sie durchlaufen haben, und hierauf fliegen die Elektronen längs der gleichen radialen Wege weiter in Richtung des geometrischen Zentrums der Anode.
Zunächst soll angenommen werden, dass im Raum innerhalb des Steuergitters nur ein einzelnes Elektron vorhanden ist. Dieses wandert längs eines Durchmessers durch den Steuergitterraum und den Anodenraum. Wegen des Potentialunterschiedes zwischen dem Steuergitter und der Anode wird die Geschwindigkeit des Elektrons entsprechend beeinflusst. Infolge des Umstandes, dass das Potential auf der Innenseite der Anode gleichförmig ist, d. h.
konstant über den ganzen Anodenraum, erfährt das Elektron keine die Geschwindigkeit ändernde Kraft beim Durchfliegen des Anoden-Innenraumes. Somit schwingt das Elektron nach dem Eintreten in den Steuergitterraum längs eines Durchmessers durch die Röhre innerhalb des Steuergitters, wobei angenommen werden kann, dass das Elektron seinen Flug in oder nahe einem gegebenen Punkt auf dem Steuergitter beginnt, hierauf in Richtung der Anode beschleunigt wird, mit konstanter Geschwindigkeit durch den Anodenraum fliegt und hierauf mit verzögerter Geschwindigkeit von der Anode zum Steuergitter weiter fliegt, wobei die Geschwindigkeit des Elektrons unmittelbar vor Erreichen des Steuergitters auf den Wert Null abfällt.
Dieses Elektron wird auch weiterhin eine schwingende Bewegung ausführen, bis es durch die Anode aufgefangen wird, wobei erwünscht ist, dass das Elektron eine möglichst grosse Anzahl von Schwingungen ausführt, bevor es verloren geht.
Die Bedeutung dieser Betrachtung eines einzelnen Elektrons ist eine doppelte. Die erste Bedeutung besteht in der Erkenntnis, dass das normale Raumpotential innerhalb der Anode 21 gleichförmig ist und den Wert des Anodenpotentials hat, so dass ein den Anodenraum durchlaufendes Elektron diesen mit gleichförmiger Geschwindigkeit und Energie durchläuft, und die zweite Erkenntnis besteht darin, dass das Elektron innerhalb des Raumes des Steuergitters
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eine verhältnismässig grosse Anzahl von Schwingungen ausführt, bevor es durch die Anode aufgefangen wird und damit verloren geht.
Als nächster Schritt in der Betrachtung des Arbeitens der Röhre soll angenommen werden, dass nur zwei Elektronen gleichzeitig von zwei diametral gegenüberliegenden Punkten auf dem Steuergitter ihre Bewegung einleiten. Beide Elektronen werden radial in Richtung des genauen Mittelpunktes des Anodenraumes beschleunigt, so dass diese Elektronen im genauen Mittelpunkt 26 zusammenstossen, falls keine gegenseitigen Abstossungskräfte angenommen werden. Da die beiden Elektronen jedoch aus negativ geladenen Teilchen bestehen, üben sie gegenseitige Ab- stossungskräfte aufeinander aus, und zwar sobald sie in den Anodenraum eingedrungen sind, so dass ihre Geschwindigkeiten progressiv abnehmen, bis sie sich im geometrischen Mittelpunkt 26 beinahe berühren.
An dieser Stelle sind ihre Geschwindigkeiten gleich Null geworden. In einem praktischen Ausführungsbeispiel sind jedoch die beiden Elektronen nicht ganz genau gegeneinander gerichtet, so dass sie mit einer minimalen Geschwindigkeit aneinander vorbei fliegen und nicht zum Stillstand kommen. Nachdem sie aneinander vorbei geflogen sind, werden die Elektronen durch das Anodenpotential längs eines Durchmessers nach aussen beschleunigt. Nach dem Verlassen des Anodenraumes fliegen die Elektronen weiter und verlieren ständig an Geschwindigkeit, bis sie in unmittelbarer Nähe des Steuergitters zum Stillstand kommen, worauf sich der Zyklus wiederholt.
Es ist nun zu erwähnen, dass, obschon der Raum gleichförmigen Potentials innerhalb der Kugel 21 keine Kraft auf ein einzelnes Elektron ausübt, welches diesen Raum durchfliegt, zwei sich einander auf einem diametralen Weg nähernde Elektronen der Cou- lomb'schen Abstossung und einer Geschwindigkeits- änderung unterworfen sind, wodurch ein elektrisches Feld im Anodenraum entsteht, und zwar durch Raumladungseffekt.
Wenn nun angenommen wird, dass eine beträchtliche Menge von Elektronen, welche von der Kathode ausgehen, das Steuergitter durchsetzen, dann folgen diese Elektronen diametralen Wegen, welche in der Fig. 1 durch die Pfeile 27 dargestellt sind und sich nahe dem Zentrum kreuzen. Diese Elektronen konvergieren gegen das Zentrum 26 mit ständig abnehmenden Geschwindigkeiten, bis sie eine Minimalgeschwindigkeit erreichen, worauf sie nach aussen praktisch längs der gleichen Durchmesser divergieren und dabei beschleunigt werden, bis sie durch die Anodenfläche 21 nach aussen treten. Beim Eintreten in den Innenraum der Anode 21 leisten die Elektronen ihren Beitrag an eine negativ Ladung im Anodeninnenraum, so dass das Raumpotential bei Annäherung an das Zentrum ständig abnimmt.
Somit wird im Anodenmittelpunkt eine virtuelle Kathode entstehen, wobei man dafür sorgen kann, dass sie ein Potential aufweist, welches praktisch gleich demjenigen der Kathode 20 ist. Der totale Raumstrom (nach innen und nach aussen gerichteter Fluss), welcher benötigt wird, um die virtuelle Kathode im Mittelpunkt des Anodenraumes zu erzeugen, beträgt in einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung 1500 Amp. bei einem Anodenpotential von 100 KV. Dies lässt sich mit Hilfe von Berechnungen zeigen, welche auf einer Formel beruhen, wie sie z.
B. von Langmuir und Blodgett für gleichartige geometrische Verhältnisse abgeleitet wurde (siehe Physical Review, Vol. 24, p. 53, Juli 1924). Der im vorliegenden Beispiel der Erfindung erzeugte Raumstrom schwingt rückwärts und vorwärts durch die durchlässige Anode, da er nicht wieder in die Kathode eintritt, von welcher er ausgegangen ist. Dieser Raumstrom baut sich auf Werte auf, die bedeutend höher liegen als der Anodenstrom, da wegen der Durchlässigkeit der Anode nur ein sehr geringer Bruchteil des Raumstromes durch die Anode aufgefangen wird.
Der momentane Raumstrom bestehend sowohl aus dem einwärts gerichteten als auch aus dem auswärts gerichteten Strom, steht mit dem Kathodenstrom in folgender Beziehung:
EMI3.26
wo P ein Dezimalbruch ist, welcher das Verhältnis der offenen Anodenfläche zur gesamten Anodenfläche ausdrückt und k die Anzahl von Flügen durch die Anode in beiden Richtungen ist, welche von einem Elektron ausgeführt werden, welches im Zeitpunkt Null von der Kathode ausgegangen ist.
Die Änderung des Raumstromes in Abhängigkeit der Zeit lässt sich finden durch Bestimmung der Elektronenlaufzeit t für ein Elektron zwischen dem inneren und äusseren Ende des Fluges, da dadurch festliegt, wie oft das Elektron die Anode durchläuft. Damit ist der Strom in einem bestimmten Zeitpunkt T dadurch bestimmt, dass man in der vorstehenden Gleichung (1) die Sub- stitation vornimmt. Die Beziehung zwischen dem Anonenstrom
EMI3.32
und dem Kathodenstrom ist die folgende:
EMI3.33
Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich, dass:
(3) Anode Raum (1 P1 Somit ist der tatsächliche Raumstrom in der Röhre um ein mehrfaches grösser als der Anodenstrom, und zwar um einen Faktor, welcher dem Reziprokwert einer Grösse entspricht, welche gleich 1 minus dem effektiven Anoden < cOffnungsgrad P ist. Für den zuvor angegebenen effektiven Anodenöffnungsgrad von 99% ist der genannte Faktor gleich 100, so dass sich ein Anodenstrom von 15 Amp. für die obige
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Forderung nach einem Raumstrom von 1500 Amp. ergibt.
Die Erzeugung der Raumladung innerhalb der Anode lässt sich besser anhand des Diagramms der Fig. 2 verstehen, in welcher auf der Abszisse der Durchmesser der Röhre und auf der Ordinate die Potentialverteilung innerhalb der Röhre aufgezeichnet ist. Da die Grösse der Raumladung abhängig ist von der Grösse des den Anodenraum durchfliessenden Raumstromes, zeigen die verschiedenen Kurven des Diagramms das Potential des Zentrums 26 für verschiedene Ströme. Man erkennt, dass für einen kleinen Strom der negative Ladungsbeitrag das Potential im Zentrum der Röhre gemäss der Kurve (a) vermindert. Ein grösserer Strom erzeugt eine Potentialvertiefung gemäss Kurve (b), bei welcher das Zentrum negativer wird.
Progressiv höhere Ströme erzeugen ausge- sprochenere Kurven (c), (d) und (e), wobei die Kurve (d) den bevorzugten Betriebszustand darstellt, bei dem sich im Zentrum nahezu das Potential Null ergibt oder mit anderen Worten das Potential im Zentrum etwas positiver als die Kathode 20 ist. Man erkennt, dass diese Kurven (a) bis (e) nur repräsentative Kurven sind, um die Tatsache zu veranschaulichen, dass im Anodenzentrum 26 grosse Elektronendichten nötig sind, um das Potential im Zentrum 26 auf den gewünschten Wert zu bringen.
Beim Betrachten der Kurvenschar erkennt man, dass die durch die Elektronen allein bedingte Potentialverteilung über den ganzen Röhrendurchmesser allein an der Kathode vom Wert Null ausgeht, zwischen der Kathode und dem Gitter leicht abnimmt und dann auf das Anodenpotential ansteigt, während sie innerhalb der Anode 21 wiederum fast auf den Wert Null im Zentrum 26 abnimmt. Diese Potentialverteilung weist eine sphärische Symmetrie auf.
Man erkennt nun, dass es möglich ist, ohne irgendwelche physikalische Mittel, abgesehen vom Raum- stromfluss, eine ungleichförmige Potentialverteilung in einem Raum zu erzeugen, welcher von einer durchlässigen Äquipotentialfläche (Anode 21) umgeben ist. lonenerzeugung Nachdem nun die grundlegenden elektronischen Eigenschaften der Erfindung erläutert worden sind, wird nun die Röhrenkonstruktion und ihre Arbeitsweise näher betrachtet.
Zu diesem Zweck müssen innerhalb des Anodenraumes positiv geladene Ionen erzeugt werden, welche derart gesteuert werden, dass sie eine Kernreaktion hervorrufen.
Es soll nun die Fig. 3 betrachtet werden, in welcher gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Überweisungszeichen versehen sind. Ein rohrförmiges Element 28 mündet in das Innere der Röhre durch einen geeigneten leitenden Schirm 29. Ein Fenster oder ein geeignetes Strahlungsfilter 30 ist am oberen Ende des Elementes 28 angebracht, welches eine Betrachtung der Ultraviolettstrahlung oder einer sonstigen Strahlung gestattet, welche vom Röhreninneren aus emittiert wird. Seitwärts vom Element 28 erstreckt sich ein Absaugrohr 31, welches mit einer geeigneten Vakuumpumpe 32 (Fig. 7) verbunden ist.
Es ist an dieser Stelle zu erwähnen, dass die Röhre durch die Vakuumpumpe 32 und die zugeordneten Ventile evakuiert wird. Die Vakuumpumpe wird entweder dauernd oder intermittierend betrieben, und zwar nach Bedarf, um den gewünschten Betrieb sicherzustellen, welcher nachstehend näher erläutert wird.
An dieser Stelle ist nun zu erwähnen, dass die Anode 21 mittelst einer Konstruktion genau im Mittelpunkt der Kathode 20 gehaltert wird, welche ein metallisches Gaseinlassrohr 33 und einen dieses umgebenden geeigneten Isolator 34 aufweist. Das das rohrförmige Element 33 bildende Material muss hohe Temperaturen aushalten können, und das Gleiche gilt für den Isolator 34. Ausserdem wird das rohrförmige Element 33 dazu verwendet, der Anode ihr Potential zuzuführen.
Wie bereits früher erwähnt, muss die Kathode 20 beträchtliche Mengen von Elektronen emittieren können. Vorzugsweise besteht die Kathode 20 aus photoelektrischem Material, welches durch eine intensive Ultraviolettstrahlung erregt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass unter intensitiver Ultraviolettbestrahlung Aluminium oder Germanium photoelektrisch ist, so dass die Kathode 20, sowie ihre Halterungskonstruk- tion aus Aluminium bestehen kann.
Weiter kann zwecks Erzielung einer besseren Entgasung während der Evakuierung die Kathode 20 aus Kupfer hergestellt sein, wobei die elektronenmittierende Oberfläche aus einem Überzug aus photoelektrischem Material wie Aluminium oder Germanium besteht, welches in Abhängigkeit von ultravioletter Erregung beträchtliche Mengen an Elektronen emittiert.
Der Zweck des rohrförmigen Elementes 28 und des Fensters 30 besteht darin, das Innere der Röhre während des Betriebes betrachten zu können. Wie in der Folge noch näher erläutert wird, erzeugt die Röhre, sobald sie einmal im vollen Betrieb steht, ihre eigene ultraviolette Erregung im oder nahe dem Zentrum 26, welche zur Erzeugung der Elektronenemission von der Kathode dient.
Die Pumpe 32 (Fig. 7) muss einen Druck in der Grössenordnung von 10-6 bis 10-7 mm Hg erzeugen, um eine gute Entgasung sicherzustellen und ausserdem zu gewährleisten, dass ein Durchsickern von Verunreinigung in das Röhreninnere möglichst klein bleibt. Es ist zu erwähnen, dass während die Pumpe 32 der Fig. 7 mindestens dieses Vakuum erzeugen soll, sie tatsächlich bei einem bedeutend höheren Druck betrieben wird.
Mit Hilfe des Einlassrohres 33 oder eines gleichwertigen Einlasses werden kleine Mengen geeigneter Gase, wie Wasserstoff, Deuterium, Tritium oder dergleichen in das Röhreninnere eingelassen. Während verschiedene Gasdrücke verwendet werden können, ergibt sich eine Art von Röhrenbetrieb, wenn man genügend Gas in die Röhre eintreten lässt, um einen Druck von ungefähr 10-s mm Hg zu erzeugen. Selbst-
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verständlich wird der genaue Druck abhängen von den bevorzugten Konstruktionseigenschaften. Die Pumpe 32 und die zugeordneten Ventile (Fig. 7) werden so betrieben, dass dieser besondere Grad von Vakuum oder Druck aufrechterhalten bleibt.
Da Gasatome in die Anode 21 und in die Bahnen der konvergierenden Elektronen diffundieren, führt der Zusammenstoss der Elektronen mit den neutralen Atomen zur Bildung von positiven Ionen. Wie in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 dargelegt wurde, besteht innerhalb der Anode eine Potentialverteilung mit einem nahe bei Null liegenden Potentialwert im Zentrum 26 und einem maximalen positiven Potential an der Oberfläche der Anode 21. Somit werden die positiven Ionen in Richtung des Zentrums 26 angezogen und eine maximale Geschwindigkeit erreichen, welche dem Potential entspricht, welches sie vom Ort ihrer Erzeugung bis zum Zentrum 26 durchlaufen haben. Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Anode 21 allein, wobei die Ionenkonzentration durch die Punktierung zum Ausdruck gebracht ist.
Falls angenommen wird, dass ein Ion in demjenigen Teil des Anodenraumes erzeugt wird, in v1.c'--hem die Potentialdifferenz bezüglich des Zentrums ::6 einen Wert von 50 KV aufweist, dann wird das ion in Richtung des Zentrums angezogen. Während seizies Fluges zum Zentrum gewinnt das Ion genügend Energie, um über das Zentrum hinaus zu fliegen, wobei das Ion nach Durchlaufen des Zentrums in der Geschwindigkeit abnimmt, bis es im Raum einen Punkt erreicht, welcher bezüglich des Zentrums 26 wiederum eine Potentialdifferenz von ungefähr 50 KV aufweist. An dieser Stelle erfährt das Ion eine Ab- stosskraft, durch welche es in seinem Flug umgekehrt und wiederum durch das Zentrum getrieben wird.
Daraus erkennt man, dass ein Ion, welches an irgend einer Stelle im Raum erzeugt wird, welche ein positives Potential bezüglich des Zentrums 26 aufweist, auf radialen Wegen durch das Zentrum 26 schwingt, wobei die Länge des Schwingungsweges bestimmt ist durch das Raumpotential der Stelle, an welcher das Ion erzeugt wurde.
Die in dem der Anodenoberfläche 21 benachbarten Bereich erzeugten Ionen fliegen mit ausserordentlich hohen Beschleunigungen auf das Zentrum 26 zu und längs eines Durchmessers über das Zentrum hinaus zum entgegengesetzten Punkt des Anodenraumes, bis der ursprüngliche Energiepegel erreicht ist. Hierauf kehren sie zum Zentrum zurück und wiederholen diese Schwingungsbewegung, wie dies aus für Ionen gilt, welche in der Nähe des Zentrums erzeugt wurden. Diese Ionenbewegung ist in der Fig. 4 graphisch mit Hilfe von doppelten Pfeilen dargestellt, wobei der Pfeil 35 den Schwingungsweg eines Ions anzeigt, welches in der Nähe der Anodenoberfläche 21 erzeugt wurde, der Pfeil 36 den Schwingungsweg eines näher dem Zentrum erzeugten Ions und schliesslich der Pfeil 37 den Schwingungsweg eines ziemlich nahe des Zentrums erzeugten Ions.
Alle diese Ionen leisten ihren Beitrag an die hohe Ionendichte im Zentrum, da sie alle das Zentrum durchfliegen. Jedoch ist bei weitem der grösste Beitrag an diese Ionendichte auf diejenigen Ionen zurückzuführen, welche eine Energie von mehr als 30000 eV aufweisen. In einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung können diese Ionen mehr als 50% aller Ionen ausmachen. Der Raum einer grossen Ionenkonzentration kann einen Radius aufweisen, welcher 1 mm nicht übersteigt. Gewisse der langsam bewegten Ionen vereinigen sich mit einem Elektron in der Nähe des Zentrums 26 und bilden dadurch ein neutrales Atom, welches keiner Bewegungskraft unterworfen wird.
Derartige Atome haben das Bestreben nach aussen zu wandern und werden entweder wieder ionisiert mit der Wahrscheinlichkeit, dass sie als Ionen mit höherer Energie wieder in Erscheinung treten oder sie entweichen aus dem Anodenraum und gehen verloren. Es ist wichtig, die erneute Ionisierung von neutralisierten Ionen zu verhindern, da dies entweder zu einem Verlust der mittleren Ionenenergie oder zu einem Strahlungsverlust führt.
Dies wird erreicht durch Verwendung einer Potentialverteilung gemäss der Kurve (e) der Fig. 2, bei welcher die Elektronen in der Nähe des Zentrums 26 eine ungenügende Energie aufweisen, um eine merkliche Ionisierung zu erzeugen. Die richtige Wahl der Kurve (e) im Gegensatz zu den Kurven (d) und (e) als Beispiel wird dadurch sichergestellt, dass man die Vorspannung des Steuergitters 22 richtig einstellt. Andere langsame Ionen erhalten Energie von schnellen Ionen, wodurch zwei Ionen mit einer Zwischengeschwindigkeit entstehen, welche dann in Ionen hoher Energie umgewandelt werden, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird.
Somit werden die langsam bewegten Ionen tatsächlich vom Zentrum vertrieben, so dass ein hoher Prozentsatz (95%, wie zuvor erwähnt) von Ionen hoher Energie zurückbleibt, welche zur hohen Ionendichte im Zentrum 26 beitragen. Die Partikelkonzentration innerhalb der Anode ist durch die Kurve der Fig. 5 graphisch dargestellt, wobei die Ionendichte durch die beiden Kurven 38 dargestellt ist.
Die bisher beschriebene Ionenbewegung beruhte auf einer Potentialverteilung in der Nähe des Zentrums der Vorrichtung, welche unter der Annahme hergeleitet wurde, dass nur Elektronen vorhanden sind. Diese Verteilung wird jedoch durch die Anwesenheit der Ionen etwas beeinflusst. In der Fig. 2a ist die Kurve (e) die Potentialkurve der Fig. 2 beim Fehlen von Ionen. Die Kurve (f) zeigt die tatsächliche Potentialkurve, die sich aus den kombinierten Raumladungen der negativen Elektronen und der positiven Ionen ergibt.
Man erkennt, dass der Punkt P,, an welchem die Elektronen ihre kleinste Geschwindigkeit erreichen, nach innen an die Stelle P= verschoben wird, und dass im Raum zwischen P= und dem Zentrum das Potential auf ein Maximum an der Stelle P3 ansteigt.
Es soll nun ein Ion betrachtet werden, das im
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Abstand r1 vom Zentrum der Fig. 2a erzeugt wird. Falls nur Elektronen vorhanden wären, würde dieses Ion durch das Zentrum des Anodenraumes auf einem Weg schwingen, dessen Länge dem Doppelpfeil 93 entspricht. Mit der korrigierten Potentialkurve (f) schwingt dieses Ion durch das Zentrum auf einem Weg, der dem Doppelpfeil 94 entspricht. Diese Bewegung erfolgt allgemein ausgedrückt auf einem höheren Energiepegel als die Bewegung längs des Pfeiles 93, was an sich ein günstiger Effekt ist. Gleichzeitig mit der Erzeugung dieses Ions wird ein Elektron erzeugt, welches vom Zentrum aus radial nach aussen fliegt (Pfeil 95).
Nun soll ein Ion betrachtet werden, das im Abstand r. oder r3 entsteht. Sein Schwingungsweg durch das Anodenzentrum ist durch den Doppelpfeil 96 angedeutet. Falls das Ion Abstand r2 entstanden ist, wird gleichzeitig ein Elektron erzeugt, welches gemäss dem Pfeil 97 nach aussen fliegt. Wenn jedoch das Ion im Abstand r3 erzeugt wird, dann schwingt das gleichzeitig mit dem Ion entstehende Elektron örtlich durch das Zentrum auf dem durch den Doppelpfeil 98 angezeigten Weg.
Diese letztgenannte Gruppe von Elektronen, welche örtlich durch das Zentrum schwingen, wirken der durch die Ionen erzeugten positiven Raumladung entgegen, da sie den Potentialwert P3 im Zentrum vermindern. Dies ist erwünscht, da diese Erscheinung die Energie der Ionen hoher Geschwindigkeit (Pfeil 94) erhöht, welche diejenigen Ionen sind, welche die gewünschte Kernreaktion einleiten, wie dies später beschrieben wird. Die genannte Erscheinung gestattet auch eine grössere Ionendichte im Zentrum.
Die genauen quantitativen Beziehungen hängen ab von der Lage des Punktes P1, welcher durch den ursprünglichen Elektronenstrom bestimmt ist und daher gesteuert werden kann, und zwar beispielsweise durch die Vorspannung des Steuergitters 22.
Da der durch das Symbol P2 bezeichnete Raum ein Potentialminimum aufweist, ist dieser Raum oder Bereich eine virtuelle Kathode. In gleicher Weise kann der zentrale Punkt P3, welcher ein Potentialmaximum aufweist, als virtuelle Anode bezeichnet werden.
Die Ionen-Laufzeit, d. h. die Zeit, welche ein Ion für einen Durchlauf seines Weges benötigt, ist proportional zur Ionen-Weglänge und umgekehrt proportional zu seiner Geschwindigkeit. In der Fig. 4 entspricht der Weg 35 der höheren Ionengeschwindig- keit, aber dieser Weg ist auch länger als die anderen Wege 36 oder 37. Berechnungen zeigen, dass die Laufzeit des Ions höherer Energie, welches dem Weg 35 folgt, grösser ist als die Laufzeit der Ionen mit kleinerer Energie, wie z. B. die Ionen, die den Wegen 36 oder 37 folgen. Die Unterschiede der Laufzeiten für Ionen verschiedener Energien sind jedoch für den Bereich von ungefähr 30000 bis 100000 eV nicht gross.
Wie bereits erläutert wurde, schwingt das Ion hoher Energie radial durch den Anodenraum. Diese Schwingungsbewegung dauert an, bis sich eine von drei Möglichkeiten einstellt: 1) Der Ionenweg wird durch einen Streuvorgang geändert; 2) Das Ion fängt ein Elektron ein und wird zu einem neutralen Atom; 3) Das Ion wird bei einer Kernreaktion absorbiert. Mit Streuvorgang ist die Erscheinung der Ab- stossungskräfte bezeichnet, welche zwei Ionen erfahren, welche sich aus verschiedenen Richtungen nähern.
Wenn beispielsweise angenommen wird, dass ein Ion im Zentrum 26 sich in Ruhe befindet und ein anderes Ion radial nach innen gegen dieses zentrale Ion fliegt, so erfährt das fliegende Ion bei seiner Annäherung an das Zentrum eine Coulomb'sche Abstossungs- kraft, welche das Bestreben hat, das zentrale Ion in Bewegung zu versetzen und die Geschwindigkeit des einfallenden Ions zu vermindern. Somit findet ein Energieübergang vom bewegten Ion auf das in Ruhe befindliche Ion statt, wodurch das bewegte Ion verzögert wird. Die Wirkung dieses Vorgangs, welcher sich zwischen einem schnellen Ion und einem ruhenden Ion abspielt, besteht darin, dass zwei Ionen mit einer mittleren Geschwindigkeit erzeugt werden.
Der durchschnittliche Energieübergang für jede Begegnung ist sehr gering, aber schliesslich wird näherungsweise der Zustand gleicher Aufteilung der Energie auf die Partikel erreicht.
Im Falle, wo ein Ion ein Elektron von einem neutralen Atom einfängt, wird dieses Atom zu einem Ion geringerer Energie als das ursprüngliche Ion. Durch diesen Vorgang wird die Gesamtzahl der Ionen nicht verändert. Dieses Ion muss dann auf eine höhere Energie beschleunigt werden, wie im oben erwähnten Fall. Durch ein Kernreaktion gehen anderseits gewöhnlich zwei Ionen verloren, die selbständlich ersetzt werden müssen.
Um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Kernreaktionen zu erhöhen, wird vorzugsweise der schwingende Flug der mit hoher Geschwindigkeit einfallender Ionen aufrechterhalten. Dies bedeutet, dass, wenn ein einfallendes Ion beim Durchgang durch das Zentrum Energie verliert, diese Energie ersetzt werden muss.
Um die Ionenschwingung aufrecht zu erhalten, wird das Steuergitter 22 moduliert, um periodisch das Raumladungspotential des Anodenzentrums 26 bezüglich der Anode 21 zu ändern. Das Modulations- signal ist vorzugsweise eine Sinuswelle mit einer Frequenz, deren Periode etwas grösser ist als die Lauf- oder Flug-Zeit des Ions auf seinem Flug von einer Seite des Anodenraumes zur andern. Die Fig. 6a zeigt die Sinuswellenmodulation, welche am Steuergitter 22 zur Wirkung kommt.
Diese Modulation ändert periodisch die Stärke des Raumstromes, welcher zum Zentrum 26 konvergiert, und moduliert hierauf das Potential dieses Zentrums 26 bezüglich der Anode 21, wie dies in der Fig. 6b zum Ausdruck kommt. Diese Modulation im Zentrum 26 ist in der Fig. 6c dargestellt (welche von gleicher Art ist wie die Fig. 2) und zwar durch den gestrichelten Kurventeil 40 der Kurve (d), wobei ersichtlich ist, dass das Zentrum
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26 periodisch zwischen einem nahe bei Null Volt liegenden Potential (Kurve [d]) und einem etwas höheren Potential (Kurve 40) ändert.
Die Grenzen dieser Potentialänderung können mit Hilfe der Gittervor- spannung und der Steuerung der Modulationsam- plitude festgelegt werden.
Als Ergebnis dieser Modulation wird den Ionen, deren Laufzeit kleiner ist als die Modulationsperiode, Energie mit verstärkender Wirkung vermittelt, wodurch ihr Schwingungszustand aufrechterhalten wird. Ionen, deren Laufzeiten grösser sind als die Modula- tionsperiode, verlieren Energie und gehen über auf kürzere Laufzeiten. Man erkennt nun, dass die Modu- lationsfrequenz von Bedeutung ist, wobei zwei Kriterien die obere und untere Frequenzgrenze festlegen.
Die obere Frequenzgrenze ist bestimmt durch die grösste gewünschte Ionenenergie. Die untere Fre- quenzgrenze ist bestimmt durch die Notwendigkeit, das Austreten von Ionen aus dem Anodenraum zu verhindern. Vorzugsweise wird die tatsächliche Frequenz so eingestellt, dass sie zwischen diese beiden Grenzen fällt.
Es wird daran erinnert, dass ein Geschoss-Ion mit hoher Geschwindigkeit ein Energieinkrement verliert, wenn es durch das Anodenzentrum hindurchfliegt, und zwar wegen des zuvor erwähnten Streuvorganges. Falls dieses besondere Ion eine Laufzeit aufweist, welche kleiner ist als die Modulationsperiode, wird dieses Energieinkrement wieder gewonnen, worauf das Ion seinen schwingenden Flug mit zunehmender Amplitude und Geschwindigkeit fortsetzt. Infolgedessen ist das Ion während einer grösseren Zeitdauer vorhanden mit einer entsprechenden grösseren Wahrscheinlichkeit der Erzeugung einer Kernreaktion.
Kernreaktion Falls irgend ein schwingendes Ion mit einem anderen Ion mit geeigneter Energie zusammenstösst, entsteht eine Kernreaktion. Es bestehen eine grosse Anzahl von Kernreaktionen, die man in dieser Vorrichtung bewirken kann; insbesondere werden Fusionsreaktionen exothermischer Art betrachtet. Die Leistungserzeugung bei solchen Reaktionen ist sowohl proportional zu der pro Reaktion freiwerdenden Energiemenge Q und der Anzahl von Reaktionen pro Zeiteinheit. Die Anzahl von Reaktionen pro Zeiteinheit wird erhalten, indem man das Produkt des Wirkungsquerschnittes, welcher die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer spezifischen Kernreaktion ausdrückt, der Anzahl Ionen im Zentrumsbereich 26 und der Anzahl Ionenpartikel bildet, welche diesen Bereich pro Zeiteinheit durchlaufen.
Der Wirkungsquerschnitt oder die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Kernreaktion ist eine Funktion der Geschwindigkeit oder Energie des Ions, welche in dieser Vorrichtung eine Funktion der Potentialdifferenz zwischen dem maximalen Punkt des nach aussen gerichteten Fluges eines Ions und dem Zentrum 26 ist. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass Reaktionen, welche eine gute Leistung erzeugen, einen grossen Wirkungsquerschnitt und auch ein grosses Q oder eine grosse Energie-Freigabe erfordern.
Eine Reaktion, welche in besonderem Masse die vorstehenden Forderungen erfüllt, ist die Reaktion zwischen Tritium und Deuterium. Die Kerngleichung für diese Reaktion ist die folgende:
EMI7.26
<tb> (4) <SEP> 1H3 <SEP> + <SEP> 1H2 <SEP> + <SEP> Ep <SEP> >' <SEP> zHe4 <SEP> + <SEP> on' <SEP> + <SEP> (Q <SEP> + <SEP> Ei)
Diese Gleichung drückt aus, dass ein Triton plus ein Deuteron plus die Summe ihrer kinetischen Energien E, zu einer Kernreaktion führen, deren Produkte Helium 4, ein Neutron und die Summe der freiwerdenden Reaktionsenergie Q und der kinetischen Energie E, sind, welche das ursprüngliche Triton und das ursprüngliche Deuteron aufwiesen.
Die durch die Reaktion freiwerdende Energie Q beträgt im vorstehenden Beispiel 17,6 MEV. Dieser Q-Wert ist gross verglichen mit den Q-Werten für andere mögliche Reaktionen, welche in den meisten Fällen 3 oder 4 MEV sind. Der Wirkungsquerschnitt für die durch die vorstehende Gleichung (4) dargestellte Reaktion hat einen Höchstwert von ungefähr 5 . 10-24 cm2 für Ionenenergien von 100 KEV. Dieser Wert des Wirkungsquerschnittes ist ungefähr 102 mal grösser als für die meisten in Frage kommenden Reaktionen, wenn gleiche Ionenenergien in Betracht gezogen werden.
Zusätzliche mögliche Reaktionen sind die folgenden:
EMI7.41
<tb> (5) <SEP> 1-12+ <SEP> 1H2 <SEP> > <SEP> onl <SEP> + <SEP> zHe3 <SEP> -+- <SEP> 3.3 <SEP> MEV
<tb> (6) <SEP> 1H2 <SEP> + <SEP> 1H2 <SEP> > <SEP> 1Hl <SEP> + <SEP> 1H3 <SEP> + <SEP> 4.0 <SEP> MEV
<tb> (7) <SEP> 2He3 <SEP> + <SEP> H2-> <SEP> 1H1 <SEP> + <SEP> 2He4 <SEP> + <SEP> 18.3 <SEP> MEV
Die Reaktionen (5) und (6) haben einen kleineren Q-Wert und einen kleineren Wirkungsquerschnitt bei 100 KEV als die Reaktion (4). Die Reaktion (7) weist ungefähr den gleichen 0-Wert auf, aber einen kleineren 100 KEV-Wirkungsquerschnitt. Man wird also nach der Reaktion (4) zuerst der Reaktion (7) den Vorzug geben.
Leistungserzeugung In der Fig. 7 sind die Vorrichtungen gemäss Fig. 1 und 3 in ein System für die Leistungserzeugung eingebaut. Bei Anlegung eines geeigneten Anodenpotentials wird der durch die Kathode 20 emittierte Strom schliesslich von der Anode aufgefangen, wie dies bereits erwähnt wurde. Dieser Strom kann einen Wert bis zu 20 Amp. annehmen, wenn das angelegte Anodenpotential 120 KV beträgt. Die hohen Temperaturen, die an der Anode durch das Auftreffen dieses Stromes erzeugt werden, müssen genügend rasch abgeleitet werden.
Zu diesem Zweck ist in der Fig. 7 ein Wärmeaustauscher vorgesehen, welcher einen kugelförmigen Wassertank 47 in engem thermischem Kontakt mit der Aussenfläche der Kathode 20 aufweist. Der Wärmeaustauscher 47 ist von einem biologischen Sicherheitsschirm 48 umgeben, welcher aus irgend einem der bekannten zur Abschirmung verwendeten Stoffe, wie z. B. Blei, Wasser oder Beton
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bestehen kann. Eine geeignete Gasquelle 49 ist n-it dem Einlassrohr 33 verbunden, während die Anode und die Kathode mit einer Stromquelle 50 verbunden sind.
Eine Quelle 51, welche eine Modulationsspan- nung und eine Vorspannung liefert, ist mit dem Steuergitter 22 verbunden, um den bereits erwähnten modulierten Raumstrom zu erzeugen.
Durch Verwendung eines geeigneten Materials im Wärmeaustauscher kann die im Inneren der Röhre erzeugte Wärme rasch abgeleitet werden und ausser- dem kann die Energie der Reaktionsprodukte oder Partikel durch den Wärmeaustauscher in Wärme umgewandelt werden, welche dann in üblicher Weise zur Erzeugung von Energie verwendet wird. Die obige Energie der Reaktionsprodukte wird in der Form von kinetischer Energie frei, welche in den Fusionsprodukten enthalten ist, welche aus Alphateilchen und Neutronen bestehen.
Die Gesamtenergie Q -I- E,, (wie zuvor definiert) beträgt ungefähr 17,7 MEV und verteilt sich auf die Alphateilchen und Neutronen im umgekehrten Verhältnis ihrer Massen. Die Alphateilchen weisen dann eine durchschnittliche Energie von 3,5 MEV und die Neutronen eine durchschnittliche Energie von 14,2 MEV auf. Die Alphateilchen (mit 3,5 MEV) geben den grössten Teil ihrer Energie an die Röhrenelektroden ab, wo die Energie in Wärme umgewandelt wird und ihrerseits in den die Röhre umgebenden Wärmeaustauscher abgestrahlt und abgeleitet wird.
Die Neutronen (mit 14,2 MEV) verlassen die Röhre und dringen in die Flüssigkeit des Wärmeaustauschers. Die Flüssigkeit ist nicht nur mit Rücksicht auf ihre Wirksamkeit hinsichtlich der Wärmeabfuhr, sondern auch hinsichtlich ihrer Fähigkeit, die Neutronenergie als Wärme zu absorbieren, gewählt. Ein wasserstoffhaltiger Stoff oder Moderator eignet sich am besten zur Absorption der Neutronenenergie. Leichtes Wasser ist besonders geeignet, da es die Neutronen nach der Moderbierung ihrer Energie absorbiert, wodurch sich ein gewisser Schirmeffekt ergibt und ausserdem schweres Wasser entsteht. Schweres Wasser ist ein guter Moderator, und ausser- dem zeigt schweres Wasser nicht die grosse Neutronenabsorption wie das leichte Wasser.
Das schwere Wasser wird verwendet, wo es erwünscht ist, grosse Mengen von Neutronen mit thermischer Energie zu erzeugen, welche in Verbindung mit 3LiE (Lithium 6) verwendet werden könnte, um Tritium mit einem zusätzlichen thermischen Energiegewinn zu erzeugen.
Die Fig. 8 zeigt eine mögliche Konstruktionsform für die Anode 21, wobei das bevorzugte Material für die Anode aus Wolfram besteht. Die Konstruktion besteht in erster Linie aus geeignet dünnen kreuzweise verlaufenden Fahnen in der Form von Scheiben mit zentral ausgestanzten Öffnungen. Eine besondere Anodenkonstruktion weist einen Aussendurchmesser von 4 cm und einen Innendurchmesser von 2 cm auf. Der Innendurchmesser für die Kathode ist 12,7 cm und derjenige des Steuergitters ungefär 12 cm. Selbstverständlich können diese Abmessungen nach Bedarf geändert werden, um andere Betriebsergebnisse zu liefern.
Der Isolator 34 der Fig. 3 besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxyd von hohem spezifischen Widerstand, und zwar in seiner nicht porösen Form, welche geeignet ist, ihren Beitrag an einen hermetischen Va- kuumverschluss für die Röhre zu leisten. Wie eben erwähnt, besteht das Anodenmaterial aus Wolfram, welches nötig ist, um den verhältnismässig hohen Temperaturen stand zu halten, welche durch den Anodenverlust erzeugt werden. Diese Temperaturen können Werte von bis zu 2000 C erreichen. Das Steuergitter 22 kann aus einer mit Gold plattierten durchlöcherten Metallschale bestehen, welche zu 95% offen ist und im schlimmsten Fall nur eine vernach- lässigbare Elektronenemission erzeugt.
Die Kathode 20 kann aus halbkugelschalenförmigen Kupferschalen bestehen, die eine kugelförmige Wand liefern, die mit geeignetem photoelektrischem Material, wie z. B. Aluminium oder Germanium überzogen wird, welches in der Lage ist, bei starker ultravioletter Bestrahlung beträchtliche Mengen von Elektronen zu emittieren.
Die Speisequelle sollte beisplielsweise 100 KV liefern, während die Steuergittervorspannung auf den besten Betriebswert zwischen plus und minus 5 Volt eingestellt werden sollte. Die Hochfrequenzspeisung sollte ungefähr 10 Volt 5 Volt bei ungefähr 10s Hz liefern.
Zusammenfassung der Arbeitsweise Im Augenblick, wo die Speisequelle 50 (Fig. 7) eingeschaltet wird, sind einige von der Kathode emittierte Streuelektronen vorhanden. Dies führt zur Erzeugung einer begrenzten Anzahl von Ionen, welche bei ihrem Entstehen eine Anzahl von Sekundärelektronen durch Bombardierung der Kathode freigeben, durch die weitere Ionen erzeugt werden. Dieser Pro- zess ist kumulativ, bis die virtuelle Kathode schluss- endlich gebildet ist. Die ultraviolette Strahlung, die sich aus der Rekombination von Ionen ergibt, dient zur Anregung weitere Elektronenemissionen von der Kathode 20. Dieser letztgenannte Vorgang wird zum Hauptfaktor für die Aufrechterhaltung der Elektronenentladung.
Nach dem Entstehen der virtuellen Kathode 20 erzeugt die resultierende Wechselwirkung zwischen den Ionen die Kernreaktionen, wie dies bereits erwähnt wurde. Diese Kernreaktionen können als Energiequelle dienen oder anderseits können die diese Reaktionen begleitenden Strahlungen für andere Zwecke verwendet werden. Zweites Ausführungsbeispiel Wenn man das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung betrachtet, wie es in den Fig. 1 und 7 dargestellt ist, erkennt man, dass die Ränder des Anodengebildes 21 im Weg des konvergierenden Raumstromes liegen. Daher wird ein Teil dieses Raumstromes von der Anode aufgefangen, welcher sogar beträchtlich sein kann, wodurch sich ein verhältnismässig hoher Energieverlust und ausserdem die Erzeugung sehr
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hoher Temperaturen in der Anode ergibt.
Beim zweiten in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Gebilde verwendet, welches das Auftreffen des Raumstromes auf die Anode auf ein Minimum herabsetzt oder nahezu vollständig eliminiert, so dass der vorerwähnte hohe Energieverlust und die Erzeugung hoher Anodentemperaturen infolge dieses Energieverlustes vermieden werden.
Die Anordnung nach Fig. 10 ist grundsätzlich die gleiche wie diejenige des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, so dass, wo immer möglich, die gleichen Überweisungszeichen verwendet sind, auf die jedoch der Buchstabe a) folgt.
Die Röhre weist eine sphärische Kathode 20a auf, die aus zwei Halbkugelschalen aus Kupfer oder Aluminium besteht, die so miteinander verbunden sind, dass eine hermetische Verbindung entsteht. Das Steuergitter 22a ist ebenfalls kugelförmig, wobei jedoch zwei Segmente auf entgegengesetzten Seiten ausgeschnitten sind und die Ränder des verbleibenden Teils durch Metallringe 52 bzw. 53 verstärkt sind. Geeignete Stützisolatoren 54 und 55 sind einerseits an der Kathode und anderseits am Ring 52 befestigt, um das Gitter konzentrisch innerhalb der Kathode zu halten. Ein metallisches Gittermaterial mit einem öffnungsgrad von 95% bildet das Gitter.
Im zentralen Teil der Röhre ist die Anode 21a angeordnet, welche aus zwei symmetrisch angeordneten Anodenteilen 56 besteht. Da diese Anodenteile konstruktiv gleich sind, wird nur einer dieser Teile beschrieben. Jeder Teil ist aus drei voneinander beab- standeten schalenförmigen Wolframelementen aufgebaut, welche eine praktisch kugelförmige Krümmung bezüglich des Röhrenzentrums 26a aufweisen. Die innere Schale 57 wird durch die äussere Schale 58 mit Hilfe geeigneter leitender Verbindungsstücke 59 mechanisch gehaltert, welche durch Öffnungen 60 in der mittleren Schale 61 hindurchgeführt sind. Diese Öffnungen 60 haben eine solche Abmessung, dass zwischen den genannten Verbindungsstücken 59 und der mittleren Schale 61 ein isolierender Spalt vorhanden ist.
Die äussere Schale 58 wird durch eine Hülse 62 gehaltert, welche am einen Ende eines Durchführungs- isolators 63 befestigt ist, welcher sich radial nach aussen erstreckt. Eine Längsbohrung 64 im Isolator 63 enthält einen koaxialen Leiter, welcher aus einem äusseren leitenden Mantel 65, einem Innenleiter 66 und einem geeigneten Isolator 67 besteht. Der Mantel 65 ist mit einer Hülse 68 verbunden, welche die Anodenschale 61 trägt. Der Innenleiter 66 ist an seinem Innenende nach aussen erweitert zwecks An- schluss an die Innenschale 57. Es ist zu erwähnen, dass die Verbindung zwischen dieser Schale 57 und dem Innenleiter 66 so auszuführen ist, dass sie eine genügend rasche Wärmeabfur von der Schale 57 gewährleistet.
Die relative Grösse und die Lage der Anodenschalen entspricht der Darstellung von Fig. 10. Die Ränder der Schalen endigen praktisch längs der imaginären gekreuzten Durchmesser 69 und 70, wie dies in Fig. 11 besser ersichtlich ist. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die beiden zur Verstärkung des Gitters dienenden Ringe 52 und 53 im Querschnitt zwei Flansche aufweisen, wobei der Flansch 71 praktisch parallel zur Oberfläche der Kathode 20a verläuft und der Flansch 72 einen Teil einer konischen Oberfläche bildet. Der Zweck und die Bedeutung dieser Formgebung werden nachstehend noch näher erläutert.
Mit den beiden diametral gegenüberliegenden Öffnungen 73 in der Kathode 20a sind geeignete balg- förmige Vorrichtungen 74 hermetisch verbunden, welche eine sehr genaue Einstellung der beiden Anodenteile 56 innerhalb der Röhre gestatten. Da diese beiden balgförmigen Vorrichtungen praktisch identisch sind, wird nur die auf der linken Seite gezeigte Vorrichtung beschrieben.
Diese Anordnung 74 weist eine Hülse 76 auf, welche sich von der entsprechenden Öffnung 73 radial nach aussen erstreckt und in einen geeigneten starren Flansch 77 übergeht. Mit der Hülse 76 ist ein hermetischer flexibler Balg 78 üblicher Konstruktion verbunden, welcher an seinem anderen Ende wiederum hermetisch mit dem Durchführungsisolator 63 verbunden ist. Eine zur Einstellung der Anode dienende Vorrichtung weist einen Ring 79 auf, welcher die Hülse 76 umgibt und am Flansch 77 anliegt. Ein weiterer Ring 80 liegt am linken Ende der balgförmigen Vorrichtung an. In diesem Ring sind drei frei drehbare Einstellschrauben 81 eingesetzt, die unter sich einen Abstand aufweisen.
Die rechtsseitigen Enden dieser Einstellschrauben sind in geeignete Öffnungen 82 im festen Ring 79 eingewindet. Die Betätigung der genannten drei Schrauben 81 verändert die Länge des Balges 78, wodurch eine Verschiebung der Lage des entsprechenden Anodenteils 56 bewirkt wird. Diese Einstellung sollte mit Mikrometerfeinheit erfolgen, so dass die Anodenteile 56 gegenseitig in die richtige Lage gebracht werden könne, um das richtige Arbeiten der Röhre zu gewährleisten. Die die Schraubenbolzen der Schrauben 81 umgebenden Federn dienen dazu, ein mögliches Spiel in der Mechanik zu vermeiden.
In die Hülse 76 mündet ein Gaseinlassrohr 33a ein, während von der Hülse 83 auf der anderen Seite der Röhre ein Absaugkanal 31a abgeht. Die Speisevorrichtung 50a liefert zwei verschiedene Ausgangsspannungen von beispielsweise 120 bzw. 140 KV, welche an den Klemmen 84 und 85 zur Verfügung stehen und in der dargestellten Weise an die Anodenteile angelegt sind. Wie aus der Zeichnung erkenntlich ist, liegt an den inneren und äusseren Anodenschalen 57 und 58 eine höhere Spannung als an der mittleren Schale 61. Diese Spannungen können jedoch vertauscht werden, wie sich dies aus der nachstehenden Beschreibung noch ergibt.
Eine geeignete Modulations- quelle 51a ist mit dem Gitter 22a über einen Gitterleiter 86 verbunden, welcher von der Kathode 20a
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isoliert ist. Ein Transformator 87 gewährleistet die richtige Impedanzanpassung. Weiter ist ein variabler Kondensator 88 vorhanden, um die Amplitude der Modulationsspannung einzustellen. Ein Vorspannpo- tential positiver oder negativer Polarität wird dem Gitter durch die Vorspannbatterie 89 aufgedrückt.
Die mechanischen Abmessungen der Röhre nach Fig. 10 sind bezüglich der Röhrenelemente praktisch gleich denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels. Der 3 Anodenradius beträgt beim zweiten Ausführungsbeispiel jedoch 2 cm gemessen vom Zentrum 26 bis zur Oberfläche der Innenschale 57.
Im Betrieb werden der Röhre Potentiale und ein Gasdruck zugeführt, wie dies beim ersten Ausfüh- 5 rungsbeispiel beschrieben wurde. Die beiden Anodenteile 56 wirken als Elektronenlinse und erzeugen Äquipotentialflächen, welche in der Fig. 11 mit 90 bezeichnet sind. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass praktisch kugelförmige Äquipotentialflächen entstehen, wobei diese Flächen im Betrieb der sphärischen Konstruktion der Anode 21 der Fig. 1 entsprechen. Die durch die Kathode 20a emittierten Elektronen konvergieren wie beim ersten Ausführungsbeispiel zum Anodenzentrum 26a, wo sie die virtuelle Kathode c erzeugen.
Das Gas im Röhreninnern wird ionisiert, wie dies zuvor beschrieben wurde, so dass in der Nähe des Zentrums 26a Kernreaktionen entstehen. Da die Anode 21a für den Raumstromfluss vollständig offen ist und im wesentlichen auf den Winkel zwischen ; den beiden Durchmessern 69 und 70 begrenzt ist, kann kein Raumstrom durch die Anode aufgefangen werden. Ausserdem wird irgend ein Raumstrom, welcher aus irgend einem Grund seitlich über die durch die Durchmesser 69 und 70 bestimmten Grenzen hinaus wandert, durch die Ringflansche 71 aufgefangen, wodurch verhindert wird, dass dieser Raumstrom in den Raum hinter der Anode gelangt und dann von dieser aufgefangen wird.
Die Ringflansche 71 dienen ausserdem als Masken, um einen Schirm- oder Schatten-Effekt für Elektronen zu erzeugen, welche von der Kathode auf die Rückseite dieser Flansche emittiert werden, wodurch wiederum ein Raumstrom, der von den entsprechenden Teilen der Kathode emittiert wird, nicht zur Anode gelangen kann. Um den Raumstrom auf das Zentrum 26 zu konzentrieren und weiter die Gefahr eines Auftreffens von Raumstrom auf die Anode zu verhindern, kann den Schalen 57, 58 und 61 der Anode eine etwas veränderte Krümmung erteilt werden, um die Form der Äquipotentialfläche 90 derart zu ver- ändern, dass der Raumstrom wirksam auf den Punkt 26a gebündelt wird.
Der Raumstromstrahl weist geometrisch die Form einer vollen Kugel auf, aus welcher zwei koaxiale konische Abschnitte entfernt sind. Die Grenzen dieses Strahles sind durch die Bezugszeichen 91 und 92 angegeben. Die Elektronen dieses Strahles haben das Bestreben, diese Grenzen zu überschreiten, und zwar wegen der gegenseitigen Abstosskräfte, worauf sie auf 3 die Anode 56 auftreffen könnten. Die radialen Flansche 72 haben den Zweck, diese Streuung ungefähr in der gleichen Weise zu verhindern, wie dies für die Elektrodenkonfiguration in der bekannten Pierce-Elektronenkanone der Fall ist.
Der kombinierte Effekt dieses Flansches 72 und der Elektronenlinse (welche als Einzellinse aufgefasst werden kann), welche durch die Anodenschalen 57, 58 und 61 gebildet wird, dient dazu, den Raumstrom auf das Zentrum 26a zu fokussieren. Die Linsenstruktur 56 ist eine besondere Form einer Einzellinse und ist nur schematisch dargestellt. Selbstverständlich können andere elektronenoptische Vorrichtungen für den gleichen Zweck vorgesehen werden. Eine Diskussion von Einzellinsen ist im Buch ( < Vacuum Tubes von Spangenberg auf den Seiten 386 und 387 enthalten. Ausserdem sind die angegebenen Werte von 120 oder 140 KV nur als Beispiel zu werten und die genauen Werte sind diejenigen, welche für die Fokussierung benötigt werden.
Der einzige Elektronenstrom, welcher daher nicht daran gehindert ist, auf die Anodenteile 56 aufzufallen, ist der Strom derjenigen Elektronen, welche bei der Erzeugung von Ionen frei werden.
Die zuletzt beschriebene Röhrenkonstruktion kann in das Leistungserzeugungssystem der Fig. 7 anstelle der dort gezeigten Röhre eingebaut werden.