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Einrichtung zur Erzeugung periodischer, durch das eigene Magnetfeld
eingeschlossener Gasentladungen hoher Stromstärke Die Erzeugung von Gasentladungen
mit möglichst hoher Stromstärke und Energiedichte ist von allgemeinem technischem
Interesse. Unter derartigen Bedingungen sind die Temperaturen in solchen Entladungen
sehr hoch, eine Tatsache, die technisch vielseitig ausgenutzt werden kann. So erhält
man, wenn man die Entladungen in Gasen brennen läßt, deren Atome in ihren Elektronenschalen
mehrere bzw. viele Elektronen enthalten, extrem intensive Strahlungsquellen für
sichtbares, ultraviolettes und Röntgenlicht usw., wobei man den spektralen Schwerpunkt
der Emission durch Wahl des Füllgases in der Hand hat. Benutzt man dagegen Füllgase
mit nur wenigen Elektronen, so daß die Energie bei den Zusammenstößen der Teilchen
nicht vorwiegend durch Ionisationsprozesse verbraucht wird, so tritt die Anregung
von Kernprozessen in den Vordergrund, und man kann auf diese Weise sehr intensive
Strahlen von Elementarteilchen (z. B. von Protonen, Deuteronen und Neutronen) erzeugen.
Von besonderer Bedeutung sind diese Entladungen in leichten Gasen, wie z. B. in
Deuterium und Tritium, zwecks Ermittlung der Bedingungen hinsichtlich der Einleitung
und Aufrechterhaltung thermonuklearer Prozesse, wie sie für die kontrollierte Kernfusion
erforderlich sind.
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Da das Plasma, wie man das Gemisch aus Ionen, Elektronen und den restlichen
neutralen Gasatomen bezeichnet, sehr hohe Temperaturen annimmt - bei den bisherigen
Anlagen wurden mehrere Millionen Grad erreicht -, sind materielle Wände zu seiner
Einschließung nicht brauchbar. Die einzige bisher erfolgreiche Methode ist die,
das Plasma durch magnetische Felder einzuschließen (sogenannte magnetische Flasche).
Erfolgt diese Einschließung durch das Magnetfeld des Entladungsstromes selbst, so
nennt man solche Entladungen Pinch-Entladungen. Die bisher erfolgreichste derartige
Entladung konnte im ZETA-Gerät in Harwell gemacht werden mit einer Impulsdauer von
ungefähr 4 msec und Stromstärken bis 2 - 105 A. Sowohl die ZETA-Anlage als auch
alle anderen bisher bekanntgewordenen Anlagen haben jedoch den Nachteil, daß sie
nur über relativ kurze Zeiten eine stabile Entladung ermöglichen. Wegen der sehr
geringen Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Kernprozessen, entsprechend den sehr
großen freien Weglängen, ist es aber insbesondere bei den Entladungen, in denen
man Kernprozesse haben will, erforderlich, die Pinch-Entladung solange als möglich
stabil zu erhalten. Das ist aber in den bisher bekannten Anlagen nicht erreichbar,
da dort die Stromlieferung ausnahmslos durch eine Kondensatorbatterie erfolgte und
die Stromstärke im Entladungsgefäß daher nach Erreichen des Maximums sofort wieder
abnimmt. Will man eine Pinch-Entladung über längere Zeit stabil erhalten, muß in
dieser Zeit aber die Stromstärke konstant gehalten werden. Das ist folgendermaßen
erklärbar: Ist p der gewöhnliche kinetische Gasdruck im Plasma der Entladung und
H die magnetische Feldstärke an der Oberfläche des Plasmaschlauches, so herrscht
dann Gleichgewicht der Kräfte, wenn Gleichung p = H2/a,-c erfüllt ist. Da
H dem Strom I in der Entladung proportional ist, muß dieser, wenn man Gleichgewicht
der Kräfte und damit Stabilität der Entladung erzielen will, konstant gehalten werden.
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Die Konstanz des Stromes ist jedoch nur eine der Forderungen für den
Bestand der magnetischen Einschließung der Entladung über einen größeren Zeitraum
von ungefähr 1 Sekunde. Eine zweite Forderung ist, daß innerhalb des Plasmas ein
zusätzliches starkes Magnetfeld in Stromrichtung herrscht. Dieses Feld soll die
Instabilität der Pinch-Entladung durch Ausknicken und lokales Einschnüren verhindern.
Das axiale Feld läßt sich aber nicht beliebig lange Zeit innerhalb des Plasmas halten,
sondern es diffundiert mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus dem Plasma in den
umgebenden Raum hinaus, so daß die Pinch-Entladung instabil wird. Bei Plasmatemperaturen
von ungefähr 1 Million Grad liegt die Zeitkonstante für das Hinausdiffundieren des
axialen Feldes in der Größenordnung von Zehntelsekunden und wird mit wachsender
Temperatur größer. Man kann also solche Pinch-Entladungen nicht stationär, sondern
nur periodisch betreiben, wobei zu Beginn der Periode die Entladung jeweils wieder
neu gezündet werden muß.
Eine dritte Forderung für die Erzeugung
einer stabilen Pinch-Entladung ist die, daß die Aufheizung des Gases möglichst schnell
erfolgen muß. Bei den Abmessungen des. ZETA-Gerätes muß innerhalb von ungefähr 1
msec- eine- Energie von 5 - 105 Wsec auf das.. Plasma übertragen werden. Diese Zeiten
nehmen mit dem Quadrat der- lichten Weite des Querschnittes des Ringentladungsgefäßes
zu..
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Die Einrichtung zur Erzeugung periodischer, durch das eigene Magnetfeld
eingeschlossener Gasentladungen hoher Stromstärke gemäß der Erfindung gestattet
nun, die zuvor geschilderten Forderungen nach Konstanz des Stromes über einen gewissen
Zeitraum und nach möglichst schneller- Aufheizung-des Gases zu erfüllen..und Nachteile
bisheriger Verfahren zu vermeiden. Das wird dadurch erreicht, daß die Primärwicklung
eines Transformators über zwei antiparallel geschaltete steuerbare Gleichrichteraggregate
und einen Umpolschalter, der den Stromweg unter jeweiliger Zwischenschaltung einer
Unterbrechung abwechselnd über einen der beiden Gleichrichterwege leitet, aus einer
ein- oder mehrphasigen Wechselstrommaschine - im letzteren Fall insbesondere unter
Zwischenschaltung eines Transformators - gespeist wird, so daß eine ringförmige
Entladung, die die Sekundärwicklung des Transformators bildet, periodisch in wechselnder
Richtung brennt, wobei die Zündung dieser Entladung durch die jeweilige Unterbrechung
der primären Stromwege erfolgt.
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Der Primärstromkreis wird also zwischen jeder Umschaltung unterbrochen,
und durch diese schnelle Änderung des Stromes entsteht am Transformator eine hohe
Spannung, die die Ringentladung zündet. Dabei erfolgt mit Hilfe der im Transformator
magnetisch gespeicherten Energie die Aufheizung des Gases auf die hohe Temperatur
sehr schnell. Nach der Zündung wird die Primärwicklung und damit die Entladung durch
die Wechselstrommaschine gespeist, indem der Stromweg mit Hilfe des Umpolschalters
über den anderen Gleichrichterweg geleitet wird, der vor der Unterbrechung nicht
in Betrieb war. So gelingt es, auf der Sekundärseite des Transformators die Ringentladung
über die Brenndauer mit ausreichendem und konstantem Strom zu versehen. Wenn dann.
der zugehörige Primärstrom am Ende der vorgesehenen Brenndauer mit Hilfe des Umpolschalters
wieder abgeschaltet wird, so erlischt die Ringentladung und wird in umgekehrter
- Richtung neu gezündet. Die- auf diese Weise entstehenden Entladungen brennen also
periodisch in wechselnder Richtung unter zur Erzeugung einer möglich hohen Plasmatemperatur
günstigen Bedingungen.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung gemäß der Erfindung wird durch die
Fig. 1 bis 5 erläutert.
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In Fig. 1 ist die Schaltung, in der die benutzte Einrichtung betrieben
wird, für den einfachsten Fall der einphasigen Wechselspannung wiedergegeben. 111
ist eine je nach den Anforderungen mit 50 Hz oder mehr betriebene, als Energiequelle
für das Entladungsgefäß T dienende einphasige Wechselstrommaschine, die in der Lage
ist, bei Effektivspannungen von einigen hundert Volt Ströme bis 105 Aeff zu liefern.
.GA, und GA 2 sind antiparallel geschaltete, steuerbare Gleichrichteraggregate,
die einen gemeinsamen Pol haben, der an der einen Klemme des Generators M liegt,
während die beiden anderen, die nicht miteinander verbunden sind, in der Weise mit
je einem Anschluß des Umpolschalters Sch verbunden sind, daß in der Schalterstellung
1 der Strom von-M über GA, zur Primärwicklung P des Transformators
Tr; dann durch diese'hindurch und zur anderen Klemme von 1Vl zu-
rückfließt,
während in der Schalterstellung 2 der Strom über GA2 in entgegengesetzter Richtung
durch die Primärwicklung geleitet wird. Die Schalterstellung 0 .dient dagegen zum
Unterbrechen der beiden vorherbezeichneten Stromwege des Primärstromes.
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Als steuerbare @ Gleichrichteraggregate dienen parallel geschaltete
gittergesteuerte Exzitrons, in denen zur Bewältigung der hohen Stromstärke und zur
Erzielung von günstigen Entionisierungsbedingungen alle Anoden parallel geschaltet
werden, oder Ignitrons in Paralleschaltung. Die Zahl der parallel geschalteten Exzitrons`bzw.-Ignitrons
rnuß so gewählt- werden, daß sie insgesamt bis zu 1 - 105 A führen können und dabei
noch die Sperrspannungsbeanspruchung aushalten, die beim Unterbrechen der beiden
Stromwege 1 und 2 auftritt und deren Höhe von der Spannung im Sekundärkreis bei
der Zündung der Ringentladung und vom Übersetzungsverhältnis des Transformators
abhängt. Sie liegt in der Gegend von 30 kV. Die Anforderungen, die an die Steuerung
der Gleichrichteraggregate gestellt werden, werden bei der Besprechung der Stromverläufe
behandelt werden.
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Als mechanische Umpolschalter dienen Spezial-Vakuumschalter, die nach
dem Prinzip gebaut sind, daß das schaltende System schnell aus einer von z«-ei stabilen
Gleichgewichtslagen in die andere übergeführt wird. Dieser Übergang erfolgt in der
Zeit von ungefähr 0,1 msec, während für die Verweilzeit in den Schalterstellungen
1 und 2 Zeiten von ungefähr 1 Sekunde in Frage kommen.
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Die Primärwicklung des Transformators weist je nach den geometrischen
Dimensionen, dem Gasdruck und der Gasart des Entladungsgefäßes 10 bis 50 Windungen
auf, so daß der Strom in der Ringentladung um den Faktor dieser Windungszahl höher
ist. Die Bemessung und Ausbildung der Induktivität der Primärwicklung hängt von
den verschiedenen Forderungen ab, die an die Einrichtung zur Erzielung der gewünschten.günstigen
Entladungsbedinkungen zu stellen sind. Um der Forderung nachkommen zu können, das
Plasma kurzzeitig (ungefähr in 1 msec) aufzuheizen, wird - eine große Energiemenge
bis zu 1 - 10s Wsec benötigt. Diese Energiemenge läßt sich in der Einrichtung gemäß
der Erfindung. nur in Form von magnetischer Energie im Transformator speichern.
Man muß diesen daher als Energiespeicher ausbilden (Drossel). Bei der Dimensionierung
einer solchen Drossel sind verschiedene Forderungen zu erfüllen.
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1. Der weitaus größte Teil der in einer Drossel enthaltenen Energie
steckt im Luftspalt. Da die Energiedichte (B2/2 #t.) im Luftspalt von der magnetischen
Induktion im Eisen bestimmt ist, die magnetische Induktion aber durch Sättigung
des Eisens begrenzt bleibt, benötigt man ein bestimmtes minimales Volumen im Luftspalt
der Drossel. Will man beispielsweise die 1 - 106 Wsec bei einer Induktion von 15
kGauß speichern, so benötigt man dazu ein Luftvolumen von 1 m3.
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2. Die Drossel muß eine bestimmte Leerlaufinduktivität L haben. Das
erklärt sich folgendermaßen Ist U die Spannung im Primärkreis, I, der maximale Strom
im Primärkreis und a die Zeit, in der die Drossel aufgeladen werden soll, so ist
bei linear ansteigendem Strom U = L - IpIa. Da U und I" sich in dem
Sekundärkreis transformieren und daher durch die Anforderungen, die von der Ringentladung
vorliegen, festgelegt sind, läßt sich eine bestimmte Periodendauer
nur
durch eine bestimmte Leerlaufinduktivität erzielen. So errechnet sich bei einer
Spannung bei Il = 200 V und einem maximalen Strom In von 1 - 105 A
für die Periodendauer von 0,5 Sekunden eine Leerlaufinduktivität L von 1 mH.
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Im übrigen widersprechen sich die beiden Forderungen an die Drossel
nach einem bestimmten Luftspaltvolumen und nach einer bestimmten Leerlaufinduktivität
nicht. Ist F der Querschnitt des Luftspaltes und d die Höhe, so ist das Volumen
proportional F - d, die Leerlaufinduktivität proportional Fld. Diese beiden
Forderungen lassen sich also durch eine bestimmte Form des Luftspaltvolumens befriedigen.
Will man möglichst viele Energie speichern und möglichst große Periodendauern erzielen,
so muß man nach den obigen Überlegungen den Querschnitt des Luftspaltes möglichst
groß machen.
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Eine besonders zweckmäßige Lösung dieses konstruktiven Problems der
Gewinnung einer möglichst großen Luftspaltfläche ergibt sich, wenn man den Transformator
Tr in Teiltransformatoren Trl bis Tr" aufteilt, deren Eisenwege alle die Ringentladung
umfassen. Die Fig. 2 erläutert diese Lösung. Dort ist als Beispiel die Verteilung
von acht Teiltransformatoren Tri bis Tr, über das Ringentladungsgefäß in Draufsicht
wiedergegeben. Im Teil a dieser Figur ist ein Teiltransformator im Querschnitt mit
dem vom Eisenweg umschlossenen Ringentladungsgefäß T gezeichnet. Jeder dieser Teiltransformatoren
weist primär die angegebenen 10 bis 50 Windungen auf. Diese werden vorzugsweise
hintereinandergeschaltet.
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Als Entladungsgefäß T sind alle Gefäßnormen möglich, in denen eine
Ringentladung die Sekundärwicklung eines Transformators bilden kann. Das einfachste
Gebilde dieser Art ist ein Torus. Die Form des Entladungsgefäßes muß in jedem Fall
dem Verwendungszweck angepaßt werden. Die für die jeweiligen Gasfüllungen notwendigen
Gasdrücke liegen im Bereich von 10-2 bis 10-5 Torr. Das axiale Feld für die Stabilisierung
wird mit Hilfe der Wicklung ST (Fig. 1) erzeugt.
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In den Fig. 3 und 4 ist der Spannungs- und Stromverlauf über der Ringentladung
wiedergegeben, und zwar ist der zeitliche Maßstab für den Bereich der Zündung und
des Aufbaus der Entladung gegenüber der restlichen Brenndauer sehr stark gedehnt
gezeichnet, um den Charakter der Vorgänge besser hervortreten zu lassen. Im linken
Teil ist der Zeitmaßstab von der Größenordnung 1 msec, im rechten von der Größenordnung
1 Sekunde. Deshalb ist der Verlauf der Spannungs- und der Stromkurve durch einen
gestrichelten Teil unterbrochen. Die Zündspannung der Ringentladung ist in Fig.
3 mit 103 V angenommen. Es ist darauf hinzuweisen, daß für das schnelle Zünden der
Ringentladung in bekannter Weise durch eine hochfrequente Vorionisation Sorge getragen
werden muß, um die beim Abschalten des Primärstromes auftretende Spannung nicht
zu einer nicht zu bewältigenden Sperrspannungsbeanspruchung für die gesteuerten
Entladungsgefäße werden zu lassen bzw. um ein Überschlagen am Transformator zu vermeiden.
Die Ringentladung erfüllt also gleichzeitig sozusagen die Funktion eines überspannungsableiters.
Die Zündspannung klingt in dem Maße, wie sich der Aufbau der Entladung vollzieht,
ab, etwas verlangsamt durch die Wirkung der Streu-Induktivität. Das zugehörige Anwachsen
des Entladungsstromes auf 10s A ist in Fig.4 wiedergegeben. Das an den Stromanstieg
sich anschließende, gestrichelt gezeichnete Kurvenstück deutet an, wie der Strom
der Ringentladung wieder abfallen würde, wenn diese nur aus dem magnetischen Speicher
versorgt werden würde.
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Nach vollzogenem Aufbau der Entladung bleibt die Brennspannung und
ebenso der Strom nahezu konstant, eine Forderung, die von der Entladungsseite her
an den Transformator und seine Stromversorgung gestellt werden. Sie wird dadurch
erfüllt, daß die primärseitige Spannung und die zeitliche Änderung des Primärstromes
mit Hilfe der Steuerung der Gleichrichteraggregate konstant gehalten werden.
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Am Ende der Brennperiode erlischt die Entladung durch die Unterbrechung
des Primärstromes bzw. durch das damit verbundene Umpolen der Spannung am Entladungsgefäß.
Die Zündspannung wird jetzt mit umgekehrten Vorzeichen wieder erreicht, und die
Entladung beginnt in umgekehrter Richtung zu brennen. Diese zweiten Brennzeiten
sind in Fig. 3 und 4 ebenfalls dargestellt.
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In den Fig. 5 und 6 ist das Verhalten des Stromes im Transformator
und in den Gleichstromaggregaten GA1 und GA, schematisch dargestellt. Wenn der Vakuumschalter
die Verbindung zwischen einem der Gleichrichteraggregate und der Primärwicklung
gelöst hat, fließt der Strom in der Primärspule in der bisherigen Richtung als Verschiebungsstrom
weiter, speist dabei den Sekundärstromkreis (vgl. das Ersatzschaltbild in Fig. 1,
Teil a) und klingt ab. Vor dem Nullwerden schaltet der Vakuumschalter den zweiten
Gleichrichterweg ein. Der Strom, der dann als Speisestrom über den Gleichrichterweg
in die Primärspule fließt, hat das umgekehrte Vorzeichen wie der abklingende Strom,
und so geht der Strom nach kurzer Zeit durch Null und wächst als Speisestrom mit
konstanter zeitlicher Änderung bis zum Ende der Brennperiode an, wobei selbstverständlich
Sättigung vermieden werden muß. Dieser Anstieg wird mit Hilfe einer aus der Stromrichtertechnik
bekannten Steuerung der Gleichrichteraggregate geregelt. Am Ende der Brennperiode
beginnt der Vorgang in umgekehrter Richtung von neuem.
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Der in Fig.6 wiedergegebene Strom durch das Gleichrichteraggregat
(linke Brenndauer Aggregat 2; rechte Aggregat 1) hat einen ganz ähnlichen Verlauf
wie der Strom im Transformator, nur daß zwischen der Abschaltung des Stromes und
der Einschaltung des Gleichrichteraggregates überhaupt kein Strom fließt.
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Wenn die Darstellung sich bisher auf einphasigen Wechselstrom beschränkt
hat, so geschah das im wesentlichen, um das Prinzip der Einrichtung zu schildern.
Die Übertragung auf mehrphasig gespeiste, gesteuerte Gleichrichterstrecken ist aus
der Stromrichtertechnik bekannt.