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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.
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Method for bringing about nuclear reactions The present invention relates to a method for bringing about nuclear reactions within a discharge device which has an anode and a cathode in an envelope and means for applying a voltage to these electrodes.
According to the invention, this method is characterized in that an anode that is permeable to electrons is used, the inside of which forms a cavity, and a cathode arranged at a distance from the outside of the anode, the shape and arrangement of these electrodes being chosen so that if there is a potential difference between these electrodes the The cavity remains field-free, so that an electric field is generated between the cathode and the anode, such that the electrons are accelerated in the direction of the anode and the electrons passing through the anode are focused in a focal point in the cavity and thereby generate a negative space charge in the cavity, which acts as a virtual cathode so that positive ions are also fed into the cavity,
which, under the influence of the virtual cathode, are moved to and through it, in such a density and at such a speed that nuclear reactions occur.
An apparatus for performing this method consists, for. B. from an electron tube with a concentrically arranged cathode and anode, wherein the anode is permeable to electrons and is arranged within the cathode. The electrons emitted by the cathode penetrate the anode and reach the center of the anode, at which point the mutual electrical repulsive forces come into effect. As a result, the speeds of the electrons decrease as they approach the center of the anode, as a result of which a space charge is built up which correspondingly reduces the space potential with respect to the anode. In close proximity to the center of the anode, the electrons practically come to a standstill, creating a small virtual cathode.
Atoms in the anode compartment are ionized by colliding with the electrons, whereby the ion density in the center of the anode, i. H. is greatest at the location of the virtual cathode. The ions generated inside the anode vibrate at speeds that enable nuclear reactions (nuclear reaction speeds) through the center of the anode, thanks to the forces of the anodic space potential, so that nuclear collisions arise, which cause nuclear reactions.
The amount of energy released and the type of reaction products of such reactions depend on the core composition of the atoms used, the kinetic energy involved and on the other factors applicable to nuclear reactions, the special parameters and means that depend on the desired type of reactions and get the desired energies to use.
Several exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing.
1 shows, in schematic form, a cross section through an exemplary embodiment of a device for carrying out the method according to the invention; FIG. 2a is a diagram of the same type as FIG. 2 to explain the operation of the invention; 3 shows a schematic cross section through
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the device according to FIG. 1, which additionally has a gas inlet tube;
FIG. 4 is a schematic diagram of the space within the anode of the preceding figures to illustrate the ion concentration; FIG. 5 shows a further diagram for explaining the mode of operation of the invention; 6a, 6b and 6c show various diagrams for explaining the mode of operation of the present system; Figure 7 is a schematic cross-section through a complete system using the device of Figure 1; Figure 8 is a perspective view of a suitable anode construction; FIG. 9 is a cross section taken along the section line 9-9 of FIG. 8;
10 shows a cross section through another embodiment of the subject matter of the invention; FIG. 11 shows a schematic representation of the device according to FIG. 10, in which the equipotential surfaces generated by the anode are shown; and FIG. 12 shows an enlarged cross section of the anode according to FIG. 10.
Generation of the electric field FIG. 1 shows an evacuated spherical electron tube structure which has a spherical cathode shell 20, a spherical anode shell 21 and a spherical control grid 22 lying between these, the electrodes mentioned being arranged concentrically, as can be seen from the figure is. The anode 21 and the control grid 22 are permeable to electrons and in the present example can be viewed as consisting of an open grid. The anode can be viewed as the electrical equivalent of a 99% open structure and the control grid as the equivalent of a 95% open structure.
The electrodes mentioned are provided with connections, namely a conductor 23 leads to the anode 21, a conductor 24 to the cathode 20 and a conductor 25 to the control grid 22. As can be seen from the figure, potentials of suitable polarity and size are applied to the electrodes. The voltage between the control grid and the cathode 20 causes the electron current to flow from the cathode to the anode. The inner surface of the cathode 20 is provided with an electron-emitting material or a device serving the same purpose.
When the cathode 20 supplies significant amounts of electrons, a cloud of electrons, or in other words a space charge, is created in the space between the cathode and the negatively biased control grid. From this cloud, electrons pass through the control grid and vibrate through the tube until they are captured by the anode. Any electrons that happen to pass through the control grid again get into the electron cloud and are not lost.
If suitable potentials are present at the electrodes, then the electrons emitted by the cathode converge towards the center of the tube along practically radial paths. The flow of electrons is accelerated in the direction of the anode because of the electric field which prevails between the anode and the cathode, so that the electrons are moved forward at high speed when they approach the anode. Since the anode, as already mentioned, is an essentially open structure (in one example up to 99% open), the anode itself can be viewed as a spherical shell-shaped equipotential surface that is permeable to electrons and exerts an acceleration force on the electrons emitted by the cathode.
When they reach the anode surface, the electrons have a speed which corresponds to the voltage they have passed through, and the electrons then fly along the same radial paths in the direction of the geometric center of the anode.
First of all, it should be assumed that there is only a single electron in the space within the control grid. This travels along a diameter through the control grid space and the anode space. Because of the potential difference between the control grid and the anode, the speed of the electron is influenced accordingly. Due to the fact that the potential on the inside of the anode is uniform, i. H.
constant over the entire anode space, the electron does not experience any force changing the speed when flying through the anode interior. Thus, after entering the control grid space, the electron oscillates along a diameter through the tube within the control grid, and it can be assumed that the electron begins its flight at or near a given point on the control grid, then is accelerated towards the anode flies through the anode compartment at a constant speed and then flies from the anode to the control grid at a delayed speed, the speed of the electron falling to zero immediately before reaching the control grid.
This electron will continue to oscillate until it is caught by the anode, it being desirable that the electron oscillate as many times as possible before it is lost.
The importance of this consideration of a single electron is twofold. The first meaning consists in the knowledge that the normal space potential within the anode 21 is uniform and has the value of the anode potential, so that an electron passing through the anode space passes through it with uniform speed and energy, and the second knowledge is that the electron within the space of the control grid
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performs a relatively large number of oscillations before it is caught by the anode and thus lost.
As the next step in considering the operation of the tube, it is assumed that only two electrons start their movement at the same time from two diametrically opposite points on the control grid. Both electrons are accelerated radially in the direction of the exact center point of the anode space, so that these electrons collide in the exact center point 26 if no mutual repulsive forces are assumed. However, since the two electrons consist of negatively charged particles, they exert mutual repulsive forces on one another as soon as they have penetrated the anode space, so that their speeds decrease progressively until they almost touch each other in the geometric center.
At this point their speeds have become zero. In a practical embodiment, however, the two electrons are not directed exactly against each other, so that they fly past each other at a minimal speed and do not come to a standstill. After they have flown past each other, the electrons are accelerated outwards along a diameter by the anode potential. After leaving the anode compartment, the electrons continue to fly and constantly lose speed until they come to a standstill in the immediate vicinity of the control grid, whereupon the cycle repeats.
It should now be mentioned that, although the space of uniform potential within the sphere 21 does not exert any force on a single electron which flies through this space, two electrons approaching each other on a diametrical path of Culomb's repulsion and a velocity are subject to change, creating an electric field in the anode compartment, through the space charge effect.
If it is now assumed that a considerable amount of electrons emanating from the cathode traverse the control grid, then these electrons follow diametrical paths, which are shown in FIG. 1 by the arrows 27 and intersect near the center. These electrons converge towards the center 26 with constantly decreasing speeds until they reach a minimum speed, whereupon they diverge outwards practically along the same diameter and are accelerated in the process until they pass through the anode surface 21 to the outside. When entering the interior of the anode 21, the electrons make their contribution to a negative charge in the anode interior, so that the space potential continuously decreases as the center approaches.
A virtual cathode is thus created in the center of the anode, it being possible to ensure that it has a potential which is practically the same as that of the cathode 20. The total room current (flow directed inwards and outwards) which is required to generate the virtual cathode in the center of the anode space is 1500 amps in a typical embodiment of the invention at an anode potential of 100 KV. This can be shown with the help of calculations which are based on a formula such as
B. was derived by Langmuir and Blodgett for similar geometric relationships (see Physical Review, Vol. 24, p. 53, July 1924). The space flow generated in the present example of the invention oscillates backwards and forwards through the permeable anode, since it does not re-enter the cathode from which it originated. This room current builds up on values that are significantly higher than the anode current, since only a very small fraction of the room current is captured by the anode due to the permeability of the anode.
The instantaneous space flow, consisting of both the inward and outward directed flow, has the following relationship with the cathodic flow:
EMI3.26
where P is a decimal fraction, which expresses the ratio of the open anode area to the total anode area, and k is the number of flights through the anode in both directions, which are carried out by an electron which emerged from the cathode at time zero.
The change in space flux as a function of time can be found by determining the electron transit time t for an electron between the inner and outer end of the flight, since this determines how often the electron passes through the anode. The current at a certain point in time T is thus determined by making the substitution in the above equation (1). The relationship between the anon current
EMI3.32
and the cathode current is the following:
EMI3.33
From equations (1) and (2) it follows that:
(3) Anode space (1 P1 This means that the actual space flow in the tube is several times greater than the anode current, namely by a factor which corresponds to the reciprocal of a value which is equal to 1 minus the effective anode <c degree of opening P. For the previously specified effective anode opening degree of 99%, the mentioned factor is equal to 100, so that an anode current of 15 Amp. for the above
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Requirement for a room current of 1500 Amp. Results.
The generation of the space charge within the anode can be better understood with the aid of the diagram in FIG. 2, in which the diameter of the tube is plotted on the abscissa and the potential distribution within the tube is plotted on the ordinate. Since the size of the space charge is dependent on the size of the space current flowing through the anode space, the various curves in the diagram show the potential of the center 26 for different currents. It can be seen that for a small current, the negative charge contribution reduces the potential in the center of the tube according to curve (a). A larger current creates a potential depression according to curve (b), in which the center becomes more negative.
Progressively higher currents produce more pronounced curves (c), (d) and (e), curve (d) representing the preferred operating state in which there is almost zero potential in the center or, in other words, the potential in the center somewhat is more positive than the cathode 20. It can be seen that these curves (a) to (e) are only representative curves in order to illustrate the fact that large electron densities are necessary in the anode center 26 in order to bring the potential in the center 26 to the desired value.
When looking at the family of curves, one recognizes that the potential distribution caused by the electrons alone over the entire tube diameter starts from the value zero at the cathode alone, decreases slightly between the cathode and the grid and then increases to the anode potential, while it again within the anode 21 decreases almost to the value zero in the center 26. This potential distribution has a spherical symmetry.
It can now be seen that it is possible, without any physical means, apart from the room current flow, to generate a non-uniform potential distribution in a room which is surrounded by a permeable equipotential surface (anode 21). Ion Generation Now that the basic electronic properties of the invention have been explained, the tube construction and its operation will now be considered.
For this purpose, positively charged ions must be generated within the anode space, which are controlled in such a way that they cause a nuclear reaction.
3 should now be considered, in which the same parts as in FIG. 1 are provided with the same transfer symbols. A tubular element 28 opens into the interior of the tube through a suitable conductive screen 29. A window or suitable radiation filter 30 is attached to the upper end of the element 28 which permits viewing of the ultraviolet or other radiation emitted from the interior of the tube . A suction tube 31, which is connected to a suitable vacuum pump 32 (FIG. 7), extends sideways from the element 28.
It should be noted at this point that the tube is evacuated by the vacuum pump 32 and the associated valves. The vacuum pump is operated either continuously or intermittently, as required, to ensure the desired operation, which is explained in more detail below.
At this point it should be mentioned that the anode 21 is held precisely in the center of the cathode 20 by means of a construction which has a metal gas inlet tube 33 and a suitable insulator 34 surrounding it. The material forming the tubular element 33 must be able to withstand high temperatures, and the same applies to the insulator 34. In addition, the tubular element 33 is used to supply the anode with its potential.
As mentioned earlier, the cathode 20 must be able to emit significant amounts of electrons. The cathode 20 is preferably made of photoelectric material which can be excited by intense ultraviolet radiation. It has been shown that under intense ultraviolet radiation, aluminum or germanium is photoelectric, so that the cathode 20 and its mounting structure can consist of aluminum.
Furthermore, in order to achieve better degassing during evacuation, the cathode 20 can be made of copper, the electron-emitting surface consisting of a coating of photoelectric material such as aluminum or germanium, which emits considerable amounts of electrons depending on ultraviolet excitation.
The purpose of the tubular member 28 and window 30 is to be able to view the interior of the tube during operation. As will be explained in more detail below, once the tube is in full operation, it generates its own ultraviolet excitation at or near the center 26, which is used to generate the electron emission from the cathode.
The pump 32 (FIG. 7) must generate a pressure in the order of magnitude of 10-6 to 10-7 mm Hg in order to ensure good degassing and also to ensure that the leakage of contamination into the interior of the tube remains as small as possible. It should be noted that while the pump 32 of Figure 7 is intended to generate at least this vacuum, it is actually operating at a significantly higher pressure.
With the aid of the inlet pipe 33 or an equivalent inlet, small amounts of suitable gases such as hydrogen, deuterium, tritium or the like are admitted into the interior of the tube. While various gas pressures can be used, some type of tube operation results when enough gas is allowed to enter the tube to produce a pressure of approximately 10-sec mm Hg. Self-
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understandably the exact pressure will depend on the preferred design characteristics. The pump 32 and associated valves (Fig. 7) are operated to maintain this particular level of vacuum or pressure.
Since gas atoms diffuse into the anode 21 and into the paths of the converging electrons, the collision of the electrons with the neutral atoms leads to the formation of positive ions. As discussed in connection with Figures 1 and 2, there is a potential distribution within the anode with a potential value close to zero at the center 26 and a maximum positive potential at the surface of the anode 21. Thus, the positive ions are directed towards the center 26 are attracted and reach a maximum speed which corresponds to the potential that they have passed through from the place of their generation to the center 26. 4 shows a cross section through the anode 21 alone, the ion concentration being expressed by the puncturing.
If it is assumed that an ion is generated in that part of the anode space, in v1.c '- hem the potential difference with respect to the center :: 6 has a value of 50 KV, then the ion is attracted towards the center. During its flight to the center, the ion gains enough energy to fly beyond the center, the ion decreasing in speed after passing through the center until it reaches a point in space which in turn has a potential difference of approximately 50 with respect to the center 26 KV has. At this point the ion experiences a repulsive force which reverses its flight and drives it through the center.
From this it can be seen that an ion which is generated at any point in space which has a positive potential with respect to the center 26 vibrates in radial paths through the center 26, the length of the vibration path being determined by the space potential of the point, at which the ion was generated.
The ions generated in the area adjacent to the anode surface 21 fly with extraordinarily high accelerations towards the center 26 and along a diameter beyond the center to the opposite point of the anode space until the original energy level is reached. They then return to the center and repeat this vibrational movement, as is the case with ions that were generated near the center. This ion movement is shown graphically in FIG. 4 with the aid of double arrows, the arrow 35 indicating the oscillation path of an ion which was generated in the vicinity of the anode surface 21, the arrow 36 the oscillation path of an ion produced closer to the center, and finally the Arrow 37 shows the oscillation path of an ion generated fairly close to the center.
All of these ions contribute to the high ion density in the center, since they all fly through the center. However, by far the greatest contribution to this ion density can be attributed to those ions which have an energy of more than 30,000 eV. In a typical embodiment of the invention, these ions can make up more than 50% of all ions. The space of a large ion concentration can have a radius which does not exceed 1 mm. Certain of the slowly moving ions combine with an electron in the vicinity of the center 26 and thereby form a neutral atom which is not subjected to any motive force.
Such atoms tend to migrate outwards and are either re-ionized with the probability that they reappear as ions with higher energy or they escape from the anode compartment and are lost. It is important to prevent re-ionization of neutralized ions as this will result in either a loss of mean ion energy or a loss of radiation.
This is achieved by using a potential distribution according to curve (e) in FIG. 2, in which the electrons in the vicinity of the center 26 have insufficient energy to produce a noticeable ionization. The correct choice of curve (e), in contrast to curves (d) and (e) as an example, is ensured by setting the pretensioning of the control grid 22 correctly. Other slow ions receive energy from fast ions, creating two ions with an intermediate velocity, which are then converted into ions of high energy, as will be explained in more detail below.
Thus, the slowly moving ions are actually expelled from the center, leaving a high percentage (95%, as previously mentioned) of high energy ions which contribute to the high ion density in the center 26. The particle concentration within the anode is shown graphically by the curve of FIG. 5, the ion density being shown by the two curves 38.
The ion movement described so far was based on a potential distribution in the vicinity of the center of the device, which was derived on the assumption that only electrons are present. However, this distribution is somewhat influenced by the presence of the ions. In FIG. 2a, curve (e) is the potential curve of FIG. 2 in the absence of ions. The curve (f) shows the actual potential curve which results from the combined space charges of the negative electrons and the positive ions.
It can be seen that the point P ,, at which the electrons reach their lowest speed, is shifted inward to the point P =, and that in the space between P = and the center the potential rises to a maximum at the point P3.
Let us now consider an ion that is present in
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Distance r1 from the center of Fig. 2a is generated. If only electrons were present, this ion would swing through the center of the anode space on a path whose length corresponds to the double arrow 93. With the corrected potential curve (f), this ion oscillates through the center on a path that corresponds to the double arrow 94. Generally speaking, this movement occurs at a higher energy level than the movement along arrow 93, which in itself is a beneficial effect. Simultaneously with the generation of this ion, an electron is generated which flies radially outwards from the center (arrow 95).
Let us now consider an ion that is at a distance r. or r3 arises. Its oscillation path through the anode center is indicated by the double arrow 96. If the ion distance r2 has arisen, an electron is generated at the same time, which flies outwards according to the arrow 97. If, however, the ion is generated at the distance r3, then the electron which is produced simultaneously with the ion oscillates locally through the center on the path indicated by the double arrow 98.
This last-mentioned group of electrons, which oscillate locally through the center, counteract the positive space charge generated by the ions, since they reduce the potential value P3 in the center. This is desirable because this phenomenon increases the energy of the high velocity ions (arrow 94), which are the ions which initiate the desired nuclear reaction, as will be described later. The phenomenon mentioned also allows a greater ion density in the center.
The exact quantitative relationships depend on the position of the point P1, which is determined by the original electron flow and can therefore be controlled, for example by the bias of the control grid 22.
Since the space indicated by the symbol P2 has a potential minimum, this space or area is a virtual cathode. In the same way, the central point P3, which has a potential maximum, can be referred to as a virtual anode.
The ion travel time, i.e. H. the time an ion needs to travel its path is proportional to the ion path length and inversely proportional to its speed. In FIG. 4, the path 35 corresponds to the higher ion velocity, but this path is also longer than the other paths 36 or 37. Calculations show that the transit time of the higher energy ion that follows the path 35 is greater than that Running time of the ions with lower energy, such as B. the ions following paths 36 or 37. However, the differences in the transit times for ions of different energies are not great for the range from approximately 30,000 to 100,000 eV.
As already explained, the high energy ion oscillates radially through the anode compartment. This vibrational movement continues until one of three possibilities is established: 1) The ion path is changed by a scattering process; 2) The ion traps an electron and becomes a neutral atom; 3) The ion is absorbed in a nuclear reaction. Scattering is the term used to describe the repulsion forces experienced by two ions approaching each other from different directions.
If, for example, it is assumed that an ion in the center 26 is at rest and another ion flies radially inwards against this central ion, the flying ion experiences a Coulomb's repulsive force as it approaches the center, which tends to do so has to set the central ion in motion and reduce the velocity of the incident ion. Thus, an energy transfer takes place from the moving ion to the ion at rest, whereby the moving ion is delayed. The effect of this process, which takes place between a fast ion and a resting ion, is that two ions are generated with a medium speed.
The average energy transfer for each encounter is very small, but in the end the state of equal distribution of energy between the particles is approximately reached.
In the case where an ion captures an electron from a neutral atom, that atom becomes an ion of lower energy than the original ion. This process does not change the total number of ions. This ion then has to be accelerated to a higher energy, as in the case mentioned above. On the other hand, a nuclear reaction usually results in the loss of two ions which have to be replaced by themselves.
In order to increase the likelihood of nuclear reactions occurring, it is preferable to maintain the oscillating flight of the ions incident at high speed. This means that if an incident ion loses energy while passing through the center, that energy must be replaced.
In order to maintain the ion oscillation, the control grid 22 is modulated in order to periodically change the space charge potential of the anode center 26 with respect to the anode 21. The modulation signal is preferably a sine wave with a frequency whose period is somewhat greater than the travel or flight time of the ion on its flight from one side of the anode space to the other. FIG. 6a shows the sine wave modulation which comes into effect on the control grid 22.
This modulation periodically changes the strength of the spatial flow which converges to the center 26, and thereupon modulates the potential of this center 26 with respect to the anode 21, as is expressed in FIG. 6b. This modulation in the center 26 is shown in FIG. 6c (which is of the same type as FIG. 2) by the dashed curve part 40 of the curve (d), it being evident that the center
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26 periodically changes between a potential close to zero volts (curve [d]) and a slightly higher potential (curve 40).
The limits of this potential change can be determined with the help of the grid bias and the control of the modulation amplitude.
As a result of this modulation, the ions whose transit time is shorter than the modulation period are given energy with an amplifying effect, whereby their vibrational state is maintained. Ions whose transit times are longer than the modulation period lose energy and go over to shorter transit times. It can now be seen that the modulation frequency is important, with two criteria defining the upper and lower frequency limits.
The upper frequency limit is determined by the greatest desired ion energy. The lower frequency limit is determined by the need to prevent ions from escaping from the anode compartment. Preferably the actual frequency is adjusted so that it falls between these two limits.
Recall that a projectile ion at high velocity loses an increment of energy as it passes through the anode center because of the aforementioned scattering. If this particular ion has a transit time that is less than the modulation period, this energy increment is recovered, whereupon the ion continues its oscillating flight with increasing amplitude and speed. As a result, the ion is present for a longer period of time, with a correspondingly greater likelihood of generating a nuclear reaction.
Nuclear reaction If any vibrating ion collides with another ion of suitable energy, a nuclear reaction occurs. There are a large number of nuclear reactions that can be brought about in this device; in particular, fusion reactions of an exothermic nature are considered. The power generation in such reactions is proportional to both the amount of energy Q released per reaction and the number of reactions per unit of time. The number of reactions per unit of time is obtained by taking the product of the cross-section, which expresses the probability of the occurrence of a specific nuclear reaction, the number of ions in the central region 26 and the number of ion particles which pass through this region per unit of time.
The cross section or the probability of the occurrence of a nuclear reaction is a function of the speed or energy of the ion, which in this device is a function of the potential difference between the maximum point of the outward flight of an ion and the center 26. From the above it follows that reactions which produce good performance require a large effective cross section and also a large Q or a large energy release.
A reaction which meets the above requirements to a particular degree is the reaction between tritium and deuterium. The key equation for this reaction is the following:
EMI7.26
<tb> (4) <SEP> 1H3 <SEP> + <SEP> 1H2 <SEP> + <SEP> Ep <SEP>> '<SEP> zHe4 <SEP> + <SEP> on' <SEP> + <SEP > (Q <SEP> + <SEP> egg)
This equation expresses that a triton plus a deuteron plus the sum of their kinetic energies E lead to a nuclear reaction, the products of which are helium 4, a neutron and the sum of the released reaction energy Q and the kinetic energy E, which is the original triton and had the original deuteron.
The energy Q released by the reaction is 17.6 MEV in the above example. This Q value is large compared to the Q values for other possible reactions, which in most cases are 3 or 4 MEV. The cross section for the reaction represented by equation (4) above has a maximum value of about 5. 10-24 cm2 for ion energies of 100 KEV. This value of the cross section is about 102 times larger than for most of the reactions in question, if the same ion energies are taken into account.
Additional possible reactions are the following:
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
Reactions (5) and (6) have a smaller Q value and a smaller cross section at 100 KEV than reaction (4). Reaction (7) has roughly the same 0 value, but a smaller 100 KEV cross section. Thus, after reaction (4), preference will first be given to reaction (7).
Power generation In FIG. 7, the devices according to FIGS. 1 and 3 are built into a system for power generation. When a suitable anode potential is applied, the current emitted by the cathode 20 is finally collected by the anode, as has already been mentioned. This current can have a value of up to 20 Amp. If the applied anode potential is 120 KV. The high temperatures that are generated at the anode by the impact of this current must be dissipated quickly enough.
For this purpose, a heat exchanger is provided in FIG. 7, which has a spherical water tank 47 in close thermal contact with the outer surface of the cathode 20. The heat exchanger 47 is surrounded by a biological safety screen 48, which is made of any of the known substances used for screening, such as. B. lead, water or concrete
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can exist. A suitable gas source 49 is connected n-it to the inlet tube 33, while the anode and the cathode are connected to a power source 50.
A source 51, which supplies a modulation voltage and a bias voltage, is connected to the control grid 22 in order to generate the already mentioned modulated space current.
By using a suitable material in the heat exchanger, the heat generated inside the tube can be quickly dissipated and the energy of the reaction products or particles can also be converted into heat by the heat exchanger, which is then used in the usual way to generate energy. The above energy of the reaction products is released in the form of kinetic energy contained in the fusion products, which are composed of alpha particles and neutrons.
The total energy Q -I- E ,, (as previously defined) is approximately 17.7 MEV and is distributed among the alpha particles and neutrons in the inverse proportion of their masses. The alpha particles then have an average energy of 3.5 MEV and the neutrons an average energy of 14.2 MEV. The alpha particles (with 3.5 MEV) give most of their energy to the tube electrodes, where the energy is converted into heat and in turn is radiated into the heat exchanger surrounding the tube and dissipated.
The neutrons (with 14.2 MEV) leave the tube and penetrate the liquid in the heat exchanger. The liquid was chosen not only with regard to its effectiveness in terms of heat dissipation, but also with regard to its ability to absorb the neutron energy as heat. A hydrogen-containing substance or moderator is best suited to absorb the neutron energy. Light water is particularly suitable because it absorbs the neutrons after their energy has been moderated, which results in a certain shielding effect and also creates heavy water. Heavy water is a good moderator, and besides, heavy water does not show the large neutron absorption that light water does.
The heavy water is used where it is desired to produce large quantities of neutrons with thermal energy which in conjunction with 3LiE (Lithium 6) could be used to produce tritium with an additional thermal energy gain.
FIG. 8 shows a possible form of construction for the anode 21, the preferred material for the anode consisting of tungsten. The construction consists primarily of suitably thin, crisscrossing flags in the form of discs with centrally punched openings. A special anode construction has an outside diameter of 4 cm and an inside diameter of 2 cm. The inside diameter for the cathode is 12.7 cm and that of the control grid about 12 cm. Of course, these dimensions can be changed as needed to provide different operational results.
The insulator 34 of FIG. 3 is preferably made of aluminum oxide of high specific resistance, specifically in its non-porous form, which is suitable for making its contribution to a hermetic vacuum seal for the tube. As just mentioned, the anode material consists of tungsten, which is necessary to withstand the relatively high temperatures generated by the anode loss. These temperatures can reach values of up to 2000 C. The control grid 22 can consist of a perforated metal shell plated with gold, which is 95% open and in the worst case only generates a negligible electron emission.
The cathode 20 may consist of hemispherical cup-shaped copper cups that provide a spherical wall covered with suitable photoelectric material, such as. B. aluminum or germanium is coated, which is able to emit considerable amounts of electrons when exposed to strong ultraviolet radiation.
The supply source should deliver 100 KV, for example, while the control grid bias should be set to the best operating value between plus and minus 5 volts. The high frequency feed should provide approximately 10 volts 5 volts at approximately 10s Hz.
Operation Summary At the moment the supply source 50 (Fig. 7) is switched on, there are some stray electrons emitted by the cathode. This leads to the generation of a limited number of ions which, as they arise, release a number of secondary electrons by bombarding the cathode, which generates further ions. This process is cumulative until the virtual cathode is finally formed. The ultraviolet radiation resulting from the recombination of ions serves to excite further electron emissions from the cathode 20. This latter process becomes the main factor in maintaining the electron discharge.
After the virtual cathode 20 has been created, the resulting interaction between the ions generates the nuclear reactions, as has already been mentioned. These nuclear reactions can serve as an energy source or, on the other hand, the radiation accompanying these reactions can be used for other purposes. Second embodiment If one considers the first embodiment of the invention, as it is shown in FIGS. 1 and 7, one recognizes that the edges of the anode structure 21 lie in the path of the converging spatial flow. Therefore, a part of this space flow is caught by the anode, which can even be considerable, which results in a relatively high loss of energy and, moreover, the production
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high temperatures in the anode.
In the second embodiment of the invention shown in FIGS. 10 and 11, a structure is used which minimizes or almost completely eliminates the impact of the space flow on the anode, so that the aforementioned high energy loss and the generation of high anode temperatures as a result of this energy loss are avoided will.
The arrangement according to FIG. 10 is basically the same as that of the first exemplary embodiment according to FIG. 1, so that, wherever possible, the same transfer symbols are used, but followed by the letter a).
The tube has a spherical cathode 20a, which consists of two hemispherical shells made of copper or aluminum, which are connected to one another in such a way that a hermetic connection is created. The control grid 22a is also spherical, but with two segments cut out on opposite sides and the edges of the remaining part reinforced by metal rings 52 and 53 respectively. Suitable post insulators 54 and 55 are attached on the one hand to the cathode and on the other hand to the ring 52 in order to keep the grid concentrically within the cathode. A metallic grid material with an opening of 95% forms the grid.
The anode 21a, which consists of two symmetrically arranged anode parts 56, is arranged in the central part of the tube. Since these anode parts are structurally identical, only one of these parts will be described. Each part is made up of three bowl-shaped tungsten elements which are spaced apart from one another and have a practically spherical curvature with respect to the tube center 26a. The inner shell 57 is mechanically supported by the outer shell 58 with the aid of suitable conductive connecting pieces 59 which are passed through openings 60 in the middle shell 61. These openings 60 are dimensioned such that there is an insulating gap between said connecting pieces 59 and the central shell 61.
The outer shell 58 is held by a sleeve 62 which is fastened to one end of a bushing insulator 63 which extends radially outward. A longitudinal bore 64 in the insulator 63 contains a coaxial conductor, which consists of an outer conductive jacket 65, an inner conductor 66 and a suitable insulator 67. The jacket 65 is connected to a sleeve 68 which carries the anode shell 61. The inner conductor 66 is widened outwards at its inner end for the purpose of connection to the inner shell 57. It should be mentioned that the connection between this shell 57 and the inner conductor 66 is to be carried out in such a way that it ensures that heat is removed from the shell 57 quickly enough .
The relative size and the position of the anode shells correspond to the illustration in FIG. 10. The edges of the shells practically end along the imaginary crossed diameters 69 and 70, as can be seen better in FIG. In this context it should be mentioned that the two rings 52 and 53 serving to reinforce the grid have two flanges in cross section, the flange 71 running practically parallel to the surface of the cathode 20a and the flange 72 forming part of a conical surface. The purpose and importance of this shape are explained in more detail below.
Suitable bellows-shaped devices 74 are hermetically connected to the two diametrically opposite openings 73 in the cathode 20a, which allow a very precise adjustment of the two anode parts 56 within the tube. Since these two bellows-shaped devices are practically identical, only the device shown on the left will be described.
This arrangement 74 has a sleeve 76 which extends radially outward from the corresponding opening 73 and merges into a suitable rigid flange 77. A hermetically flexible bellows 78 of conventional construction is connected to the sleeve 76, which bellows is in turn connected hermetically to the bushing insulator 63 at its other end. A device used to adjust the anode has a ring 79 which surrounds the sleeve 76 and rests on the flange 77. Another ring 80 rests on the left end of the bellows-shaped device. In this ring three freely rotatable adjusting screws 81 are used, which have a distance between them.
The right-hand ends of these adjusting screws are threaded into suitable openings 82 in the fixed ring 79. The actuation of said three screws 81 changes the length of the bellows 78, whereby a displacement of the position of the corresponding anode part 56 is effected. This adjustment should be done with micrometer fineness so that the anode parts 56 can be mutually brought into the correct position in order to ensure the correct operation of the tube. The springs surrounding the screw bolts of the screws 81 serve to avoid possible play in the mechanism.
A gas inlet tube 33a opens into the sleeve 76, while a suction channel 31a extends from the sleeve 83 on the other side of the tube. The feed device 50a supplies two different output voltages of, for example, 120 and 140 KV, which are available at the terminals 84 and 85 and are applied to the anode parts in the manner shown. As can be seen from the drawing, a higher voltage is applied to the inner and outer anode shells 57 and 58 than to the central shell 61. However, these voltages can be interchanged, as can be seen from the description below.
A suitable modulation source 51a is connected to the grid 22a via a grid conductor 86 which extends from the cathode 20a
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is isolated. A transformer 87 ensures the correct impedance matching. There is also a variable capacitor 88 in order to adjust the amplitude of the modulation voltage. A bias potential of positive or negative polarity is impressed on the grid by the bias battery 89.
The mechanical dimensions of the tube according to FIG. 10 with respect to the tube elements are practically the same as those of the first embodiment. In the second exemplary embodiment, however, the 3 anode radius is 2 cm measured from the center 26 to the surface of the inner shell 57.
During operation, potentials and a gas pressure are fed to the tube, as was described in the first exemplary embodiment. The two anode parts 56 act as electron lenses and generate equipotential surfaces, which are designated by 90 in FIG. It can be seen from this figure that practically spherical equipotential surfaces are produced, these surfaces corresponding to the spherical construction of the anode 21 of FIG. 1 during operation. The electrons emitted by the cathode 20a converge, as in the first exemplary embodiment, to the anode center 26a, where they generate the virtual cathode c.
The gas inside the tube is ionized, as previously described, so that nuclear reactions occur in the vicinity of the center 26a. Since the anode 21a is completely open for the flow of space current and essentially at the angle between; the two diameters 69 and 70 is limited, no space flow can be absorbed by the anode. In addition, any space flow which for whatever reason migrates laterally beyond the limits determined by the diameters 69 and 70 is captured by the annular flanges 71, which prevents this space flow from reaching the space behind the anode and then being captured by it becomes.
The ring flanges 71 also serve as masks to create a screen or shadow effect for electrons which are emitted from the cathode to the back of these flanges, which in turn prevents a spatial current emitted from the corresponding parts of the cathode Can get anode. In order to concentrate the space flow on the center 26 and further to prevent the danger of the space flow striking the anode, the shells 57, 58 and 61 of the anode can be given a slightly different curvature in order to reduce the shape of the equipotential surface 90 in this way. change so that the room flow is effectively bundled at point 26a.
The space flow jet has the geometric shape of a full sphere from which two coaxial conical sections are removed. The boundaries of this beam are indicated by reference numerals 91 and 92. The electrons of this beam tend to exceed these limits, because of the mutual repulsive forces, whereupon they could strike the anode 56. The purpose of the radial flanges 72 is to prevent this leakage in much the same way as is the case for the electrode configuration in the known Pierce electron gun.
The combined effect of this flange 72 and the electron lens (which can be viewed as a single lens), which is formed by the anode shells 57, 58 and 61, serves to focus the spatial flow onto the center 26a. The lens structure 56 is a special form of an individual lens and is only shown schematically. Of course, other electron optical devices can be provided for the same purpose. A discussion of individual lenses is contained in the book (<Vacuum Tubes von Spangenberg on pages 386 and 387. In addition, the specified values of 120 or 140 KV are only to be considered as an example and the exact values are those which are required for focusing.
The only flow of electrons which is therefore not prevented from impinging on the anode parts 56 is the flow of those electrons which are released when ions are generated.
The last-described tube construction can be incorporated into the power generation system of Figure 7 in place of the tube shown there.