DE1067946B

DE1067946B - Verfahren und Vorrichtung zur Beschleunigung von geladenen Teilchen

Info

Publication number: DE1067946B
Application number: DENDAT1067946D
Authority: DE
Inventors: Stuttgart-Vaihingen und Dr. Werner Bez Stuttgart Dr. Karl Heinz Hocker
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Publication date: 1959-10-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschleunigung von geladenen Teilchen und befaßt sich insbesondere mit der Gewinnung eines Plasmas, welches z. B. für kernphysikalische Zwecke Verwendung finden kann. Es sind eine Reihe von Verfahren zur Plasmaerzeugung bekannt, bei denen aus dem lonenstrom einer eingeengten Gasentladung mit Hilfe liner negativ vorgespannten Hilfselektrode Ionen herausgezogen und durch eine Bohrung der Hilfselektrode hindurch in ein Hochvakuum geführt werden, innerhalb dessen die Ionen Nutzarbeit zu verrichten haben. Bei solchen und ähnlichen bekannten Verfahren wird immer nur ein verhältnismäßig kleiner Ionenstrom von geringer Intensität nutzbar gemacht, weil ein reiner lenöistrom wegen der elektrostatischen Abstoßung itüf mit einer sehr geringen Dichte existieren kann.
j Im Gegensatz dazu herrscht in dem vollionisierten Plasma einer eingeengten Gasentladung eine verhältjaismäBig hohe Dichte. Da hier aber ferner keine Neutralatome vorhanden sind, so können die Ionen lediglich untereinander und mit Elektronen zusammenstoßen, wodurch eine wesentliche Beeinträchtigung Ihrer Bewegung vermieden wird. Die weitere Folgerung, daß hier also auch eine Beschleunigung der Gesamtheit aller geladenen Teilchen auf verhältnismäßig einfache Weise erzielbar ist, bildet die Grundlage des vorliegenden Verfahrens.

Erfindungsgemäß werden die Teilchen in dem vollionisierten Plasma einer eingeengten Gasentladung während ihrer Bewegung längs der Gasentladungsstrecke mit Hilfe einer ausreichend hohen Spannung beschleunigt. Die Möglichkeit hierzu ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Zur Vollionisation einer Basentladung ist bekanntlich bei einem bestimmten, qurch Stromdichte und Temperatur gegebenen Entlafiungsverlauf eine bestimmte Spannung zwischen den Gasentladungselektroden erforderlich. Diese Spannung ist unter sonst gleichen Umständen um so niedriger, je mehr Stromdichte und Temperatur z. B. durch Einengung der Gasentladung erhöht werden. Erreicht die Spannung eine solche Höhe, daß gerade die Vollionisation eintritt, so wird hierbei die gesamte aufgewendete Energie in Reibungsarbeit zwischen Tonen und Elektronen innerhalb der Gasentladung umgesetzt. Eine weitere Erhöhung der zugeführten Energie durch Anlegen einer noch höheren Spannung führt dann zwangläufig zu einer Beschleunigung der geladenen Teilchen, weil eine andere Energieform, in welche der Überschußanteil der zugeführten Energie, der den zur Deckung der Reibungsarbeit dienenden Anteil übersteigt, umgewandelt werden könnte, nicht denkbar ist.

Mit dem vorliegenden Verfahren wird in erster Linie eine erhöhte Intensität des nutzbringend ver-

Verfahren und Vorrichtung

zur Beschleunigung von geladenen

Teilchen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. Karl Heinz Hocker, Stuttgart-Vaihingen,

und Dr. Werner Bez, Stuttgart,
sind als Erfinder genannt worden.

wertbaren Teiles des erzeugten Ionenstrahles erreicht. Das Verfahren kann insbesondere in der Weise weiter ausgebildet werden, daß der Ionenstrom nach seinem Austritt aus der Gasentladung durch Vereinigung mit fremderzeugten Elektronen mindestens teilweise entladen wird, so daß ein quasi-neutraler Plasmastrahl entsteht.

An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung geeigneten Vorrichtung beschrieben, deren weitere Ausgestaltung es ermöglicht, den gewonnenen Plasmastrahl zur Einleitung und Aufrechterhaltung von Kernreaktionen, insbesondere Fusionsprozessen, zu benutzen. An diesem Ausführungsbeispiel sollen Einzelheiten des Verfahrens näher erläutert werden.

Die Hauptbestandteile der dargestellten Vorrichtung sind eine Anödet und eine als Hohlzylinder ausgeführte Kathode C, zwischen denen ein Lichtbogen B brennt. Der Lichtbogen wird mit Hilfe einer Spannungsquelle U aufrechterhalten. Die von der letzteren erzeugte Potentialdifferenz zwischen A und C

4-5 kann beispielsweise zwischen den Werten 100 und 10 000 V gewählt werden.

Die Anode A befindet sich in der Mitte einer Kühlplatte P. Beide können z. B. aus Kupfer bestehen. Die Kühlplatte kann ihrerseits durch ein strömendes Medium gekühlt werden. Zu diesem Zwecke ist auf der Rückseite der Platte P ein Kühlkasten K angebaut, durch welchen ein Wasserstrom etwa in Richtung der mit H₂ O bezeichneten Pfeile hindurchgeführt werden kann.

909 640/345

Claims

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Der Entladungsraum zwischen den Elektroden A findet sich in gerichteter Bewegung der Ionen wieder, und C wird von einer oder mehreren gleichachsigen wenn diese in die düsenförmige Mündungsöffnung der Trommeln T umschlossen. Zwischen der Trommel T Kathode C gelangen. Dieser Ionenstrom wird nun auf und der Kühlplatte P befindet sich ein isolierender seinem weiteren Wege längs des Teiles D durch die Dichtungsring R. Ein Einlaß stutzen E, der tangential 5 aus diesem unter der Hitzeeinwirkung erzeugte Elekan die Trommel T angesetzt ist, mündet in einen tronenwolke hindurchgeführt. Dabei findet der oben-Schlitz /. Durch ihn wird die Trommel T mit einem erwähnte Ladungsaustausch statt, so daß aus der strömenden Medium, z. B. mit Wasserstoff, beschickt, Kathode ein vollständig ionisierter Plasmastrahl herwie durch Pfeile H₂ angedeutet ist. Der Wasserstoff- austritt, wie in der Zeichnung durch Pfeile S angestrom bildet einen spiralförmigen Wirbel, durch den io deutet ist.

der Lichtbogen B in an sich bekannter Weise ein- Die Verwendungsmöglichkeiten eines solchen Piasgeengt wird. Es empfiehlt sich, hierzu eine möglichst tnas sind vielfältig; z. B. kann durch Kreuzung zweier reine Gasatmosphäre zu verwenden, die dann zugleich solcher Plasmastrahlen die gerichtete Bewegung in auch zur Erzeugung des Plasmas benutzt werden ungeordnete Bewegung übergeführt werden. Dieses kann. Eine weitere Verbesserung kann dadurch er- 15 Plasma hat dann eine Temperatur, die der durchzielt werden, daß das Plasma mittels eines Gases er- fallenen Potentialdifferenz entspricht, also bei 1000 V zeugt wird, dessen Atome sämtlich die gleiche Masse etwa 10000000⁰C. Darin sind Fusionsreaktionen haben, so daß energieübertragende Stöße zwischen möglich, wobei schätzungsweise etwa auf je 1000 gas-Ionen verschiedener Masse entfallen. Am besten ver- kinetische Stöße ein Fusionsstoß entfallen dürfte. Der wendet man zur Plasmaerzeugung ein einheitliches 20 Plasmastrahl kann also dazu dienen, den Ablauf von Wasserstoffisotop, also z.B. ausschließlich leichten Fusionsreaktionen zu zünden und eventuell zu unter- oder ausschließlich schweren oder ausschließlich über- halten. Im letzteren Fall wäre er als Glied in der schweren Wasserstoff. Dadurch entfallen nicht nur Kettenreaktion eines Fusionsreaktors anzusehen.
Stöße zwischen Ionen mit verschiedenen Massen, son- Der Fusionsreaktor kann im Prinzip so ausgeführt

dem auch Stöße zwischen- Ionen mit verschiedenen 25 sein, daß das erwähnte Hochtemperaturplasma durch Ionisierungsstufen. ein ringförmiges oder zwiebeiförmiges Magnetfeld mit

Ein Lichtbogenplasma aus einem einheitlichen Gas, großer Feldstärke auf einen für den Ablauf der am besten Wasserstoff, ist oberhalb 20000° C voll- Fusionsreaktion günstigen Raum, insbesondere einen ständig ionisiert. In diesem Plasma durchfallen Ionen Torus, zusammengehalten wird. Da die Energie der die Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode 30 Fusionsprodukte (etwa 1 MeV) groß ist gegenüber der frei bis auf Zusammenstöße mit den Elektronen. In _nocn nicht fusionierten Teilchen (1 bis 10 kV), durcheinem Bogen, bei dem durch Druck und Bogenlänge setzen die Fusionsprodukte die magnetische Wand, die Zahl der Elektronenstöße unter einem kritischen Sie können außerhalb der Magnetfeldanordnung auf-Wert bleibt, haben die Ionen daher unmittelbar vor gefangen werden.

der Kathode eine gerichtete Bewegung, deren Energie 35 Die f_rej werdende Energie kann unter anderem zur ungefähr der durchfallenen Potentialdifferenz ent- Unterhaltung der Lichtbogen, eventuell auch sonstiger spricht. Durchbohrt man die Kathode, so kann durch Einrichtungen, die für den Ersatz der fusionierten diese hindurch der Plasmastrahl aus der Gasentladung Plasmateilchen sorgen, benutzt werden,
mit vorwiegend gerichteter Ionenbewegung austreten. Grundlegend für die Ausführung eines derartigen

Läßt man nun in den austretenden Plasmastrahl zu- 40 Fusionsreaktors ist der Umstand, daß die Reaktionssätzlich ein Neutralgas einströmen, so kann dadurch geschwindigkeit von 300 bis 10 000 V erheblich wächst, ein Plasma von extrem hoher Temperatur geschaffen Die erzeugte Leistung nimmt infolgedessen mit zuwerden. nehmender Bogenbrennspannung sehr stark zu.

Man kann ferner durch Elektroneninjektion inner- Zur Einengung des Lichtbogens wurde im vorherhalb der durchbohrten Kathode für einen Ladungs- 45 gehenden ein Wasserstoffwirbel genannt. Der Wasseraustausch sorgen und hat dann hinter der Kathode _st_off ist dann gleichzeitig das Trägergas der Enteinen nach außen neutralen Plasmastrahl, der wegen ladung. Es können aber auch andere Gase, z. B. Luft, der hohen Temperatur vollständig ionisiert ist, in dem _oder auch Flüssigkeiten, z. B. Wasser, als Strömungsalso Elektronen und Ionen mit gleicher Geschwindig- mittel zur Erzeugung der Wirbelströmung in der keit in gleicher Richtung fliegen. 50 Trommel T verwendet werden. Damit wird grundsätz-

Dementsprechend besteht ein Teil D der Innenwand Hch der gleiche Effekt erzielt wie mit Wasserstoff, der Kathode C aus einem unter der Einwirkung von allerdings in verringertem Maße. In erster Linie soll-Hitze elektronenabgebenden Material, C und D können ten allerdings einheitliche Gase verwendet werden, dabeide aus Wolfram gefertigt werden. Die Beheizung _mjt die Ionen alle dieselbe Geschwindigkeit haben, dieses Teiles kann durch Wärmeübertragung von der 55 Wenn man einen optimalen Effekt erzielen will, muß durch den Lichtbogen erhitzten Kathode her erfolgen. man entweder reinen leichten Wasserstoff oder reinen Es kann aber auch eine besondere Heizrichtung H schweren Wasserstoff oder auch Tritonen verwenden, vorgesehen sein, beispielsweise in Gestalt von elek- Die Vorteile, welche durch die Verwendung eines eintriichen Heizwicklungen H, welche vorteilhaft unmit- heitlichen Wasserstoffisotops bei dem geschilderten •telbar in den Wandungsteil D eingebettet sein können. 60 Verfahren erzielt werden, bestehen darin, daß nur eine Die Beheizung kann auch durch einen Hilfsbogen er- einzige Ionisationsstufe vorhanden ist und die Masse folgen, der von einer koaxial angebrachten Hilfsanode aller Teilchen einheitlich ist. Natürlich müssen hierradial gegen die Kathode C brennt. bei Verunreinigungen durch Fremdgase, die z. B. aus . Das Verfahren läuft in der beschriebenen Vorrich- den Elektroden austreten können, sorgfältig vermieden tung folgendermaßen ab: Durch die Einengung des 65 werden.
Bogens B kann in diesem eine Stromdichte von

.10* A/cm² und mehr auftreten, und es können Tempe- Patentansprüche:

raturen von 20000 bis 50000° C im Lichtbogen herrschen. Ein wesentlicher Teil der an die Elektroden an- 1. Verfahren zur Beschleunigung von geladenen gelegten Potentialdifferenz, und zwar etwa die Hälfte, 7° Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen

in dem vollionisierten Plasma einer eingeengten Gasentladung während ihrer Bewegung längs der Gasentladungsstrecke mit Hilfe einer ausreichend hohen Spannung beschleunigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung durch die Wirbelströmung einer reinen Gasatmosphäre eingeengt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mittels eines Gases erzeugt wird, dessen Atome sämtlich die gleiche Masse haben, vorzugsweise mittels eines einheitlichen Wasserstoffisotops.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem aus der Gasentladung austretenden Plasmastrahl mit vorwiegend gerichteter Ionenbewegung durch Einströmen von Neutralgas ein Plasma extrem hoher Temperatur geschaffen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Ionenstrom nach seinem Austritt aus der Gasentladung durch Vereinigung mit fremderzeugten Elektronen mindestens teilweise entladen wird, so daß ein quasi-neutraler Plasmastrahl entsteht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrom durch eine Elektronenwolke in einer Durchbrechung der Gasentladungskathod.e hindurchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Kreuzung mehrerer Plasmastrahlen die in ihnen enthaltene gerichtete Energie in eine ungerichtete thermische Bewegung von sehr hoher Temperatur umgewandelt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Durchbrechung der Gasentladungskathode aus einem unter der Einwirkung einer Heizeinrichtung elektronenabgebenden Material besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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