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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Kernreaktionen Zur
künstlichen Durchführung von Kernreaktionen werden vielfach in elektrischen Entladungsapparaturen
Ionen, die in einer Ionenquelle erzeugt werden, durch hohe elektrische Felder auf
hohe Geschwindigkeit gebracht und auf Substanzen geschossen, die umgewandelt werden
sollen. Es können auf diese Weise Isotope erzeugt und Neutronen- und Gammastrahlquellen
hergestellt werden. Die Ausbeute solcher Reaktionen steigt mit zunehmender Geschwindigkeit
der Ionen, also mit zunehmender Höhe der Spannung, die sie durchlaufen haben, stark
an. Die Ausbeute ist aber auch bei den meistens üblichen Spannungen von mehreren
hunderttausend oder einigen millionen Volt noch sehr klein und liegt günstigenfalls
in der Größenordnung von 10-4 bis 10-s, d. h. nur jedes zehntausendste bis millionste
Ion führt eine Kernumwandlung durch. Als Ionen werden für diese Reaktionen Protonen,
Deuteronen und Heliumionen, in manchen Fällen auch Tritiumionen benutzt. Ihre Erzeugung
erfolgt im allgemeinen in elektrischen Gasentladungen, beispielsweise im sogenannten
Niedervoltbogen bei kleiner Spannung, oder im sogenannten Kanalstrahlrohr bei hoher
Spannung oder auch in einer Gasentladung im hochfrequenten elektrischen Feld. Aus
der Ionenquelle werden die Ionen durch eine Öffnung zum Eintritt in die Entladungsapparatur
gebracht, in der sie durch hohe elektrische Felder beschleunigt werden. Die Entladungsapparatur
muß sehr gut evakuiert sein, damit die Zahl der Zusammenstöße zwischen Ionen und
neutralen Gasatomen bzw. Gasmolekülen gering bleibt und demgemäß der Ionenstrom
keine starke Schwächung erfährt. Da der Gasdruck in der Ionenquelle meist viel höher
als in der Entladungsapparatur ist, strömt aus der Öffnung dauernd Gas über, das
genügend schnell weggepumpt werden muß. Es gibt auch Entladungsapparaturen, die
ohne äußere Ionenquellen betrieben werden, allerdings bei nicht sehr hohen Spannungen,
indem ein gewisser niedriger Gasdruck aufrechterhalten wird, so daß eine Hochspannungsentladung
einsetzt und selbst Ionen erzeugt.
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Bei diesen Beschleunigungsanordnungen treffen die Ionen, wenn sie
ihre größte Geschwindigkeit erreicht haben, auf die feste Substanz, das sogenannte
Target, auf, in die sie eindringen und fortlaufend Zusammenstöße mit Atomen unter
Geschwindigkeitsverlust erleiden, bis sie schließlich völlig abgebremst sind und
steckenbleiben. Nur ein sehr geringer Teil dieser Zusammenstöße führt zu einer Kernumwandlung.
Wie schon erwähnt, wird die Zahl der Kernumwandlungen größer, wenn die Geschwindigkeit
der Ionen größer wird. Die umgewandelten Kerne bleiben, da sie eine geringe Reichweite
haben, zum größten Teil ebenfalls in der Substanz stecken. Sie können daraus nach
den bekannten chemischen und sonstigen Isotopenabtrennverfahren gewonnen werden.
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Es gibt nun bestimmte Fälle, bei denen die Durchführbarkeit von Kernreaktionen
im Gasraum oder im evakuierten Raum von besonderer Bedeutung ist. Ein solcher Fall
ist beispielsweise die Durchführung der D+D-Kernreaktion, bei der Deuterium mit
Deuteronen beschossen wird. Dabei entstehen einerseits Neutronen und Helium von
der Masse 3, andererseits Protonen und Tritium (=Wasserstoff von der Masse 3). Die
Reaktion wird außer zur Erzeugung von Neutronen zur Gewinnung von Tritium angewandt,
das für andere Reaktionen gebraucht wird. Findet die Ionenbildung und die Reaktion
wie bei dem vorliegenden Verfahren in einem abgeschlossenen Gasraum statt, so kann
die Ausbeute an Tritium und Helium durch Anreicherung bei einem minimalen Deuteriumverbrauch-
stark gesteigert werden.
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Ein weiterer wichtiger Fall stellt die Kernverschmelzungsreaktion
dar, die nach unseren heutigen Vorstellungen einen Reaktionsraum erfordert, in dem
eine sehr hohe Dichte energiereicher Ionen bestimmter leichter Elemente herrscht.
Wegen der dort vorhandenen sehr hohen Temperatur, die größenordnungsmäßig Millionen
von Grad erreicht, kann das Reaktionsgebiet nicht unmittelbar von Wänden umgeben
sein, da kein Material diesen hohen Temperaturen standhalten würde. Es muß daher
dafür gesorgt werden, daß es nicht an die Wände der Apparatur angrenzt.
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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen, um solche
Reaktionen durchführen zu können.
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Das erste Verfahren zur Durchführung von Kernreaktionen gemäß der
Erfindung besteht darin, daß in einer evakuierten Apparatur Ionen in einem ersten
elektrischen Feld auf hohe Geschwindigkeit gebracht
werden, dann
aus diesem Feld herausgezogen werden und in ein zweites, entgegengesetzt gerichtetes
Feld gelangen, in dem sie abgebremst und unter Umkehr ihrer Bewegungsrichtung wieder
zum ersten Feld hin beschleunigt werden, in das sie eintreten, abgebremst und unter
Umkehr ihrer Bewegungsrichtung wiederum wie anfänglich zum zweiten Feld hin beschleunigt
werden und durch fortlaufende Wiederholung dieser Vorgänge ein Pendeln der Ionen
zwischen den beiden elektrischen Feldern bewirkt wird.
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Nach einem zweiten Verfahren gemäß der Erfindung werden in einer evakuierten
Apparatur Ionen in einem ersten elektrischen Feld beschleunigt, in einem zweiten
verzögert, durch ein drittes Feld wieder beschleunigt und wiederum in einem vierten
Feld verzögert und eventuell durch weitere Felder abwechselnd beschleunigt und verzögert;
dabei sind alle Felder in Serie so angeordnet, daß die Ionen entweder die Felder
bis zu einem Umkehrpunkt oder auf einer in sich geschlossenen Bahn die Felder fortlaufend
durchlaufen.
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Durch solche Anordnungen von elektrischen Feldern wird erreicht, daß
die in ihnen vorhandenen Ionen sich dauernd in zwei zueinander entgegengesetzten
Richtungen bewegen, dabei Zusammenstöße erleiden, von denen ein geringer Teil zu
einer Kernreaktion führt. Die Felder müssen so ausgebildet sein, daß die Ionen nicht
auf die Elektroden gelangen, an denen sie sich sonst entladen würden. Die Ionen
nehmen so lange an der Bewegung teil, bis sie infolge von Zusammenstößen mit anderen
Ionen oder mit neutralen Gasatomen oder Gasmolekülen so stark abgelenkt werden,
daß sie auf die Elektroden auftreffen oder neutralisiert werden. Die Zusammenstöße
mit neutralen Gasatomen und Gasmolekülen können durch Aufrechterhaltung eines sehr
hohen Vakuums stark vermindert werden. Um die Zahl der Zusammenstöße von Ionen untereinander
zu vergrößern, ist es erforderlich, die Ionendichte zu erhöhen, was dadurch geschehen
kann, daß die elektrischen Beschleunigungsfelder so ausgebildet werden, daß bei
der Beschleunigung der Ionen gleichzeitig eine Konzentration zu einem sehr feinen
Strahl stattfindet und/oder ein Magnetfeld angewendet wird, dessen Kraftlinien in
Richtung des Ionenstrahls verlaufen und damit auch eine Konzentrierung der Ionen
bewirken.
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Die Geschwindigkeit der Ionen ändert sich beim Durchlaufen der Felder
jeweils zwischen einem Tiefstwert nach der Abbremsung und einem Höchstwert nach
der Beschleunigung. Da die Ionen positiv geladen sind, haben sie ihre Höchstgeschwindigkeit
beim Durchlaufen der negativen Elektrode. Die Geschwindigkeit und damit die kinetische
Energie der Ionen ist bestimmt durch die Höhe der durchlaufenen Spannung. Die maximale
relative kinetische Energie zweier entgegengesetzt sich bewegender Ionen zueinander
entspricht demnach dem 4fachen Wert der beschleunigenden Spannung. Ist diese z.
B. ?00000 V, dann entspricht die relative kinetische Energie der Ionen zueinander
800000 eV.
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Durch die Anwendung sehr hoher Beschleunigungsspannungen ergibt sich
neben einer weiteren starken Konzentration der Ionen eine erhebliche Steigerung
der Zahl der stattfindenden Kernreaktionen infolge der sehr relativ zueinander erhöhten
Geschwindigkeiten beim Zusammenstoß. Es ergibt sich dabei aber noch ein weiterer
Vorteil. Es bleiben nämlich bei Zusammenstößen der Ionen mit den neutralen Gasatomen
und Gasmolekülen die Ablenkungen der Ionen aus ihrer Bahn mir sehr gering, so daß
sie länger an der pendelnden Bewegung teilnehmen und die Wahrscheinlichkeit eines
Zusammenstoßes mit einem anderen Ion stark vergrößert wird. Wegen der höheren Geschwindigkeit
der Ionen wird auch die Frequenz der Pendelungen sehr erhöht, wodurch auch eine
Erhöhung der Stoßzahl pro Sekunde eintritt.
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Die Ionen bewegen sich zum weit überwiegenden Teil wegen der Zentriermaßnahmen
in oder in nächster Nähe der Achse der Felder. Die Kernreaktionen finden fast ausschließlich
dort statt, wo die Ionen ihre größte Geschwindigkeit haben, nämlich im Bereich der
Beschleunigungselektrode. Das Gebiet, in dem die Reaktionen stattfinden, grenzt
an keine Wand oder Elektrode an, sondern befindet sich inmitten des Raumes zwischen
diesen.
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Es erfolgen mehr Kernreaktionen, wenn die Strecke, auf der die Ionen
mit ihrer größten Geschwindigkeit fliegen, länger ist, und aus diesem Grund wird
gemäß dem vorliegenden Verfahren die lineare Ausdehnung der Beschleunigungselektrode
in Richtung der Zonenbewegung vergrößert, insbesondere wird dadurch ein nahezu feldfreier
Hohlraum zwischen den Beschleunigungsfeldern geschaffen, der den eigentlichen Reaktionsraum
darstellt, in dessen mittlerem Gebiet die Reaktionen stattfinden. Da ein stark gebündelter
Ionenstrahl wegen der elektrischen Abstoßung der Ionen untereinander sich auf einer
längeren Wegstrecke allmählich verbreitert, ist es von Vorteil, um die hohe Ionendichte
aufrechtzuerhalten, daß in dem feldfreien Raum beispielsweise durch einen Glühdraht
Elektronen erzeugt und in den Strahl geschossen werden, wodurch die abstoßende Kraft
der Ionen teilweise kompensiert wird. Es muß jedoch dafür gesorgt werden, beispielsweise
mit Hilfe eines kleinen Elektronenabsaugfeldes, daß die Elektronen den Reaktionsraum
nicht verlassen können, da sie sonst die Hochspannungsquelle unnötigerweise mit
Strom belasten.
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Eine Erhöhung der Ionendichte in einem sehr eng begrenzten, nahezu
punktförmigen Gebiet ist gemäß dem vorliegenden Verfahren dadurch erzielbar, daß
zwei oder mehr der geschilderten Systeme so angeordnet werden, daß sie einen gemeinsamen
feldfreien Raum haben, in dem sich ihre Ionenstrahlen in einem Punkt kreuzen.
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Eine noch größere Ionendichte wird in einem sehr eng begrenzten, nahezu
punktförmigen Gebiet erzielt, wenn in ihm Ionen aus allen Richtungen, die in einer
Ebene durch den Punkt liegen, durchlaufen. Zu diesem Zweck wird die negativ geladene,
beschleunigende Elektrode als Zylinder ausgebildet, der beispielsweise in seiner
halben Höhe über seinen Umfang einen Schlitz enthält, und konzentrisch zu diesem
Zylinder wird ein Zylinder von größerem Durchmesser angeordnet, der als positiv
geladene Elektrode dient, so daß die in dem Raum zwischen den Zylindern vorhandenen
Ionen zu dem inneren Zylinder hin beschleunigt werden und zum größten Teil durch
den Schlitz radial in den inneren Zylinder eintreten, durch den Mittelpunkt des
durch den Schlitz gebildeten Kreises fliegen und, sofern sie keine Zusammenstöße
erlitten haben, auf der Gegenseite wieder aus dem Zylinder austreten; dabei wiederholt
sich nach der Abbremsung dasselbe Spiel in umgekehrter Richtung. Zur weiteren Erhöhung
der Ionendichte werden zweckmäßig auch Maßnahmen ergriffen, wie schon oben angeführt,
um die Ionenstrahlen zu konzentrieren.
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In einer Weiterbildung dieser Vorrichtung werden zur Erzeugung einer
hohen Ionendichte auf einer
längeren Strecke die beiden Zylinderelektroden
von gleicher Länge wie die Strecke gemacht, dabei wird die innere Elektrode so weitgehend
durchbrochen, daß sie ein weitmaschiges, zylinderförmiges Gitter darstellt. Die
hohe Ionendichte entsteht in der Achse dieser Anordnung.
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Die größtmögliche Ionendichte in einem engbegrenzten Gebiet wird bei
einer Vorrichtung erreicht, bei der die positive Elektrode eine Hohlkugel darstellt,
in deren Innerem konzentrisch ein weitmaschiges Gitter von Kugelform als negative
Elektrode angeordnet ist, so daß im Mittelpunkt aus allen räumlich möglichen Richtungen
kommende Ionen bei ihren Pendelungen hindurchfliegen. Es ist dort eine ähnlich ungeordnete
Ionenbewegung wie in einem Gebiet sehr hoher Temperatur. Im Mittelpunkt herrscht
daher die größte Ionendichte, und nach außen hin fällt sie ab. Im Mittelpunkt finden
daher die meisten Kernreaktionen statt. Die negative Elektrode wird deshalb als
weitmaschiges Gitter ausgebildet, damit möglichst wenig Ionen auf sie auftreffen
und dadurch ausscheiden.
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Die Ionen, die in der Apparatur zur Pendelung bzw. zum Durchlaufen
gebracht werden sollen, können entweder in den Räumen der Apparatur, in denen die
elektrischen Felder herrschen, selbst erzeugt werden, oder sie werden in besonderen
Ionenquellen erzeugt und werden von dort aus in die Apparatur eingebracht. Wenn
die Ionen von außen eingebracht werden, ist dafür zu sorgen, daß ihre Maximalgeschwindigkeit,
die sie in der Apparatur erlangen, geringer ist als die Geschwindigkeit, die der
Spannung zwischen den Elektroden entspricht, denn sonst können die Ionen im Gegenfeld
nicht völlig abgebremst werden und treffen auf die Elektrode, von der sie absorbiert
oder neutralisiert werden und dadurch ausscheiden. Um dies zu vermeiden, können
die Ionen beispielsweise von einer gesonderten Elektrode eingebracht werden, die
auf einem Zwischenpotential liegt, oder sie werden von der negativen Elektrode aus
in das elektrische Feld eingeschossen.
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Um die Ionen in den Räumen der Apparatur, in denen die elektrischen
Felder herrschen, selbst zu erzeugen, wird zweckmäßig in der Nähe eine ionisierende
Strahlen aussendende Quelle, vorzugsweise eine starke Gammastrahlenquelle, angeordnet.
Diese Quelle kann entbehrlich werden oder ist nur nötig zur Einleitung der Vorgänge,
wenn die stattfindenden Reaktionen selbst Gammastrahlen oder ionisierende Teilchen
aussenden.
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Eine weitere Möglichkeit, die Ionen im Innern der Apparatur zu erzeugen,
besteht darin, die Apparatur nur soweit zu evakuieren, d. h. einen solchen Gasdruck
aufrechtzuerhalten, daß eine Hochspannungsentladung von selbst einsetzt und bestehenbleibt,
dabei werden fortwährend durch Stoßionisation Ionen gebildet, während durch die
erhöhte Zahl von Zusammenstößen mit neutralen Gasatomen und Gasmolekülen infolge
des höheren Gasdruckes auch dauernd Ionen wieder ausscheiden. Dieses Verfahren ist
daher nicht immer zweckmäßig. Es besteht aber die Möglichkeit, es nur zur Einleitung
der Vorgänge zu benutzen und dann den Gasdruck so weit zu erniedrigen, wie zur Aufrechterhaltung
der Vorgänge erforderlich ist.
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Das Verfahren ist aber beispielsweise günstig, wenn die D+D-Reaktion
durchgeführt werden soll mit dem Ziel, Tritium oder Helium von der Masse 3 zu gewinnen.
In diesem Fall wird die Apparatur mit Deuteri@imgas als Reaktionsgas von bestimmtem
Druck gefüllt und betrieben, ohne daß weiter Gas zugeführt oder abgepumpt wird,
d. h. die Apparatur vakuumdicht ist. Durch die dauernd stattfindenden Reaktionen
reichern sich die Reaktionsprodukte stetig an und können dann nach den bekannten
Isotopentrennverfahren gewonnen werden. In der Entladung werden die Reaktionsprodukte
ihrem Anteil gemäß auch ionisiert, und es können dabei auch weitere Reaktionen,
wie z. B. die D+T-Reaktion, stattfinden, was auch von Interesse sein kann.
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Das Verfahren hat dadurch Bedeutung, daß der Substanzverbrauch sehr
gering ist. Mit einer einzigen Gasfüllung kann die Reaktion über eine längere Zeit
durchgeführt werden, bis die Reaktionsprodukte sich stark angereichert haben, während
bei dem Betrieb der Apparatur im Hochvakuum auf der einen Seite dauernd Gas einströmt
und auf der anderen Seite dauernd abgepumpt werden muß.
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Die Apparaturen können mit verschiedenen Spannungsarten betrieben
werden. Im allgemeinen wird man mit einer konstanten Gleichspannung arbeiten; dabei
ist es zweckmäßig, einen Pol zu erden, um nur eine Elektrodenzuführung -mit der
Elektrode für Hochspannung isolieren zu müssen. Es wird zweckmäßigerweise diejenige
Elektrode geerdet, bei der am einfachsten die Abführung der bei den Vorgängen und
Reaktionen entstehenden Wärme möglich ist, das ist bei manchen Anordnungen die negative,
bei anderen die positive Elektrode.
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Die Erzeugung einer konstanten hohen Gleichspannung größerer Leistung
ist jedoch mit einem großen Aufwand an Glättungskondensatoren verbunden, und es
ist wirtschaftlicher, eine Gleichspannung mit einer gewissen Welligkeit oder eine
pulsierende Gleichspannung oder eine Stoßspannung zu erzeugen. Die Apparaturen lassen
sich auch mit solchen Spannungsarten betreiben, allerdings bleibt die Ausbeute der
Kernreaktion dann nicht zeitlich konstant wie bei der Anwendung von konstanter Gleichspannung,
sondern ändert sich mit der Höhe der anliegenden Spannung.
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Es ist ferner möglich, die Apparaturen mit Wechselspannung zu betreiben;
dabei laufen in der einen Phase die Vorgänge so ab, als ob pulsierende Gleichspannung
anliegt, während in der anderen Phase das Verhalten je nach der Art der Apparatur
verschieden ist. In denjenigen Apparaturen, in denen die Ionen Pendelbewegungen
vollführen, werden in der Gegenphase die Ionen zur negativen Elektrode gezogen,
und damit hören die Pendelungen auf. In denjenigenApparaturen, in denen mehrere
Felder so hintereinandergeschaltet sind, daß sich die Ionen auf einer in sich geschlossenen
Bahn, z. B. einem Kreis, bewegen, finden in der Gegenphase Bewegungen in der umgekehrten
Richtung statt; dabei trifft jedoch wegen der in diesem Fall ungenügenden Konzentrierung
ein mehr oder weniger großer Teil der Ionen auf die negativen Elektroden.
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Das Einbringen der Ionen aus einer Ionenquelle in den Beschleunigungsraum
kann entweder kontinuierlich erfolgen oder nur in bestimmten Zeiträumen, z. B. als
Impulse. Das letztere ist besonders dann zweckmäßig, wenn zum Betrieb der Apparatur
keine konstante Gleichspannung verwendet wird, sondern eine zeitlich veränderliche
Spannung. Es ist dann vorteilhaft, die Ionen in denjenigen Zeitabschnitten einzubringen,
in denen die Spannung im Ansteigen begriffen ist. Mit zunehmender Spannung wird
dadurch der Raum, in dem sich die Ionen bewegen, kleiner, so daß die Ionenkonzentration
erhöht wird, was zu einer Erhöhung der Reaktionsausbeute beiträgt.
Eine
große Bedeutung hat die Steuerbarkeit der durchzuführenden Reaktionen. Bei den Verfahren
der vorliegenden Art gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Vorgänge zu steuern.
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Die erste Möglichkeit besteht darin, die Höhe der an der Apparatur
liegenden Spannung zu ändern. Mit zunehmender Spannung wird durch weitere Konzentrierung
des Ionenstrahles die Ionendichte erhöht, ferner wird die Geschwindigkeit der Ionen
vergrößert, wodurch sich die Zahl der Pendelungen pro Sekunde vergrößert, außerdem
wird die Ablenkung beim Zusammenstoß mit neutralen Teilchen verkleinert. Alle diese
Änderungen führen zu einer Erhöhung der Reaktionsausbeute. Im umgekehrten Fall,
wenn die Spannung erniedrigt wird, erfolgt eine Herabsetzung der Ausbeute.
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Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Druck des Gases in der Apparatur
zu ändern. Bei einer Erhöhung des Druckes stoßen die Ionen häufiger mit neutralen
Gasatomen und Gasmolekülen zusammen, und ein größerer Prozentsatz von Tonen kommt
dadurch auf die Elektrode und scheidet aus der Pendelung aus.
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Eine dritte Möglichkeit besteht darin, die Zusammensetzung der Ionenstrahlen
zu ändern. Da im allgemeinen verschiedenartige Ionen für die Durchführung der Reaktionen
erforderlich sind, existiert ein bestimmtes Ionenverhältnis zur Erzeugung der optimalen
Ausbeute, und durch Änderung dieses Verhältnisses ändert sich die Ausbeute.
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Werden für die Durchführung von Reaktionen verschiedeneArten von Ionen
benötigt, dann können diese entweder getrennt in verschiedenen Ionenquellen, die
jeweils nur das Element zur Erzeugung der einen Ionenart enthalten, erzeugt werden,
oder sie werden in einer einzigen Ionenquelle, die eine Verbindung der Elemente
oder ein Gemisch der Elemente zur Erzeugung der verschiedenen Ionenarten enthält,
erzeugt. Eine Änderung des Ionenverhältnisses ist bei Verwendung von mehreren Ionenquellen
in einfacher Weise dadurch möglich, daß diese getrennt durch Potentialänderungen
in bekannter Weise gesteuert werden. Bei einer einzigen Ionenquelle kann dies dadurch
erreicht werden, daß das zuzuführende Elementgemisch geändert wird oder ein neutrales
Gas beigegeben wird.
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Bei der Anwendung einer der beschriebenen Apparaturen als Neutronen-
oder Gammastrahlenquelle ist es vorteilhaft, die Elektroden und die Wände der Apparatur
aus für die Strahlung gut durchlässigem und durch sie möglichst wenig beeinflußbarem
Material herzustellen.
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Zum Schutz gegen die bei Reaktionen auftretenden Neutronen und Gammastrahlen
und insbesondere bei Neutronen erzeugenden und Neutronen verbrauchenden Reaktionen
werden die wesentlichen Teile der Apparatur, vor allem der Reaktionsraum, mit Schichten
umgeben, die Neutronen verlangsamen und/oder reflektieren und absorbieren sowie
Gammastrahlen absorbieren.
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Zur Abführung der in der Apparatur entstehenden Wärme werden die Wandung
der Apparatur und/oder die Elektroden von flüssigen oder gasförmigen Substanzen
umströmt oder durchströmt. Diese können unter Umständen gleichzeitig zur Verlangsamung,
Reflektierung und Absorbierung der 1,Teutronen und zur Absorbierung der Gammastrahlen
dienen.
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Die Zeichnungen zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der Vorrichtungen gemäß der Erfindung. Irgendwelche Größenordnungen oder spezielleAusführungsformen,
soweit sie über den Rahmen der Beschreibung hinausgehen, können aber den Skizzen
nicht entnommen werden.
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Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung von Kernreaktionen
gemäß dem ersten Verfahren der Erfindung. Es bedeuten darin 1 die Elektrode mit
angelegter negativer Spannung, als Platte mit einer zentralen Öffnung 2 ausgebildet,
3 und 4 die beiden Elektroden mit angelegter positiver Spannung, als Platten ausgebildet,
5 und 6 die Isolatoren zwischen den Elektroden, 7 das Gaseinlaßrohr und 8 das Rohr
zum Anschluß der Hochvakuumpumpe. Die Ionenquelle ist nicht eingezeichnet. Gestrichelt
eingezeichnet sind die Hauptbewegungsbahnen 9 der Ionen. Die beispielsweise in dem
ersten elektrischen Feld zwischen den Elektroden 3 und 1 vorhandenen Ionen werden
durch das Feld wie in einem Kanalstrahlrohr zu einem feinen Strahl gebündelt, zur
Elektrode 1 hin beschleunigt, gelangen durch die Mitte der Öffnung 2 hindurch in
das zweite elektrische Feld zwischen den Elektroden 4 und 1, das entgegengesetzt
zum ersten Feld gerichtet ist, werden dort abgebremst und unter Umkehr der Bewegungsrichtung
zum ersten Feld hin wieder beschleunigt, in das sie eintreten, ebenfalls abgebremst
und wiederum wie anfänglich beschleunigt werden und so weiter fort. Die Ionen pendeln
zwischen den beiden Feldern bzw. zwischen den Elektroden 3 und 4 hin und her. Das
gleiche geschieht mit den im zweiten Feld zwischen den Elektroden 1 und 4 vorhandenen
Ionen, so daß sich im Ionenstrahl zwischen den Feldern Ionen in entgegengesetzter
Richtung zueinander bewegen. In der Nähe des Punktes 10 haben sie ihre größe Geschwindigkeit
und der Strahl seine größte Dichte, so daß vornehmlich dort durch Zusammenstöße
Kernreaktionen stattfinden werden.
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Fig. 2 zeigt Vorrichtungen gemäß dem zweiten Verfahren der Erfindung,
bei denen die Hauptbewegungsbahn der Ionen eine gerade Strecke darstellt. Es sind,
um die Übersichtlichkeit zu wahren, nur die Elektrodenanordnungen und die Bahnen
der Ionen dargestellt. Für die Elektroden gibt es verschiedene Ausführungsformen,
von denen einige als Beispiele wiedergegeben sind. In Fig. 2 a sind die Elektroden
1 mit negativer Spannung ebenfalls wie in Fig. 1 als Platten mit zentraler Öffnung
2 ausgebildet, während die mittleren Elektroden 11 mit positiver Spannung offene
Zylinder und die Elektroden 12 mit positiver Spannung an den Enden einseitig geschlossene
Zylinder darstellen. Die Ionen, die wiederum durch die gestrichelten Linien 9 dargestellt
sind, durchlaufen die mittleren Elektroden ohne Bewegungsumkehr, in den Endelektroden
erleiden sie jedoch eine Bewegungsumkehr, so daß sie jeweils wieder sämtliche Felder,
nunmehr in entgegengesetzter Richtung, durchlaufen müssen. In Fig.2b sind außer
den mittleren Elektroden 11 mit positiver Spannung und den Endelektroden 12 mit
positiver Spannung alle Elektroden mit negativer Spannung als Zylinder 13 ausgebildet,
und zwar haben alle Elektroden den gleichen Durchmesser. Es besteht auch die Möglichkeit,
die Durchmesser verschieden groß zu wählen. In Fig. 2c sind die Durchmesser der
Elektroden 11 beispielsweise kleiner gewählt als die der Elektroden 13. Sie können
auch größer gewählt werden, außerdem können die Elektroden statt als Zylinder als
Ringe ausgebildet sein.
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Fig.3 zeigt, ebenfalls gemäß dem zweiten Verfahren, die Anordnung
von mehreren Elektroden mit positiver und negativer Spannung auf einem Kreis, so
daß die Bewegung der Ionen annähernd auch auf einer Kreisbahn erfolgt. Bei dieser
Anordnung muß dafür
gesorgt werden, daü beim Einbringen oder Erzeugen
der Ionen im Innern jeweils etwa die Hälfte der Ionen in entgegengesetzter Richtung
läuft. Die Elektroden mit negativer Spannung sind in dieser Figur wieder als Platten
1 mit zentralen Öffnungen 2, die Elektroden mit positiver Spannung als gebogene
Zylinder 14 dargestellt.
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Fig. 4 a zeigt, wie zur Erhöhung der Ionendichte in dem Ionenstrahl
bei einer Vorrichtung nach Fig. 1 die Elektroden 15 mit positiver Spannung als einseitig
geschlossene Zylinder ausgeführt sind, die zur weiteren Konzentrierung des Strahles
nach Fig.4b gegenüber der Elektrode 1 konisch verlaufen. Diese Elektroden sind mit
16 bezeichnet.
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Fig. 5 stellt eine Vorrichtung nach dem ersten Verfahren dar, bei
der die Beschleunigungselektrode in Richtung der Ionenbewegung vergrößert und als
Hohlzylinder 17 ausgebildet ist und einen nahezu feldfreien Hohlraum 18 enthält,
in dem sich vorwiegend die Reaktionen abspielen, weil die Ionen dort ihre größte
Geschwindigkeit und ihre größte Konzentration haben. Die von einem Glühdraht
19 ausgesandten Elektronen durchlaufen den Ionenstrahl und kompensieren teilweise
die abstoßende Kraft der Ionen untereinander und werden dann von der gegenüber dem
Glühdraht an positiver Spannung liegenden Elektrode 20 abgesaugt. Solche mit Hohlraum
versehene Elektroden können vorteilhaft auch in den Vorrichtungen nach den Fig.
2 und 3 verwendet werden.
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Fig. 6 zeigt eine Zusammenschaltung von vier Vorrichtungen nach Fig.
5 in der Weise, daß sich die vier Ionenstrahlen9 in dem Hohlraum21 der gemeinsamen
Beschleunigungselektrode 22 kreuzen, und zwar nahezu in dessen Mittelpunkt: Fig.
7 a zeigt den Querschnitt und Fig. 7 b den Schnitt durch die Längsachse einer Vorrichtung,
bei der die Elektrode mit positiver Spannung als äußerer Zylinder 23 und die Elektrode
mit negativer Spannung als innerer Zylinder 24 ausgebildet ist; dabei weist die
letztere auf ihrem ganzen Umfang einen Schlitz 25 auf, durch den die Ionen 9 radial
hindurchfliegen und sich alle nahezu im Mittelpunkt kreuzen. 26 stellt den feldfreien
Raum im Innern der Elektrode 24 dar. Zur Erhöhung der Ionendichte kann bei der gleichen
Anordnung der Zylinder 23 beiderseits mit Stirnflächen 27 versehen werden, die in
der Nähe des inneren Zylinders 24 konisch nach innen verlaufen, wie aus Fig. 7 c
zu ersehen ist, die den Schnitt durch die Längsachse zeigt.
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Fig. 8 stellt eine Weiterbildung dar, wobei die hohe Ionendichte nicht
in einem nahezu punktförmigen Gebiet, sondern entlang der Achse der Anordnung auftritt,
in der sich die in senkrechter Richtung zu ihr pendelnden Ionen kreuzen. Fig. 8
a stellt den Querschnitt und Fig.8b den Längsschnitt durch die Anordnung dar, in
denen 28 die äuüereZylinderelektrode mit positiver Spannung und 29 das zylinderförmige
weitmaschige Gitter mit negativer Spannung bedeutet.
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Fig. 9 stellt eine Vorrichtung dar, bei der in einem nahezu punktförmigen
Gebiet Ionen, aus allen räumlichen Richtungen kommend, bei ihrer Pendelbewegung
sich kreuzen. Dadurch ergibt sich in einem engbegrenzten Gebiet eine ähnlich ungeordnete
Bewegung von Ionen, wie es in einem Gebiet von sehr hoher Temperatur der Fall ist.
30 stellt die hohlkugelförmige Elektrode mit positiver Spannung und 31 das kugelförmig
gestaltete Gitter mit negativer Spannung dar.
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Fig. 10 zeigt als Beispiel die Anordnung einer zusätzlichen Elektrode
32, die auf einem Zwischenpotential liegt, von der aus Ionen aus der Ionenquelle
33 in das Beschleunigungsfeld eingebracht werden.
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Fig. 11 zeigt die Anordnung der zusätzlichen Elektrode mit der Ionenquelle
bei einer Vorrichtung nach Fig. 3. Die Ionen werden in der Mitte der Elektrode mit
positiver Spannung eingebracht, und zwar so, daü sie zur Hälfte nach der einen Seite
und zur Hälfte nach der anderen Seite hin beschleunigt werden. Auf der Ionenbahn
in der Vorrichtung laufen dann jeweils zur Hälfte Ionen in entgegengesetzten Richtungen.
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Fig. 12 zeigt schematisch eine Vorrichtung nach Art der in Fig. 5
dargestellten, bei der einzelne Teile, insbesondere der mittlere Reaktionsraum,
mit einer die Neutronen verlangsamenden Schicht 34, dann mit einer die Neutronen
reflektierenden oder absorbierenden Schicht 35 und mit einer die Gammastrahlen absorbierenden
Schicht 36 umgeben sind.