DE1122182B - Einrichtung zur Beeinflussung eines stroemenden Plasmas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beeinflussung eines strömenden Plasmas mit Hilfe eines Magnetfeldes. Ein Plasma ist hochgradig erhitztes Gas oder Gasgemisch, das eine quasi neutrale Gesamtheit aus neutralen Atomen, Ionen beiderlei Vorzeichens und Elektronen bildet.

Bekannterweise läßt sich das Plasma mittels magnetischer Felder führen — beispielsweise mittels achsenparalleler magnetischer Führungsfelder — und adiabatisch komprimieren (Pincheffekt). Die Erzeugung dieser magnetischen Felder erschwert wesentlich die experimentelle Arbeit, begrenzt die Dauer eines Vorganges z. B. beim Pincheffekt auf einige Millisekunden und ist mit zusätzlichem Energieaufwand verbunden.

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben. Bekanntlich strahlt das Plasma, insbesondere in einem gewissen Temperaturbereich, den überwiegenden Teil seiner kinetischen Energie ab. Es soll daher die verfügbare elektrische Energie insgesamt für die Aufheizung und Beschleunigung des Plasmas (Plasmastrahles) verwendet werden und die abgestrahlte Verlustwärme des Plasmastrahles für den Aufbau von äußeren magnetischen Feldern zum Unterschied von den vom Plasmastrahl selbst erzeugten magnetischen Feldern zwecks Führung, Bündehing und Fokussierung des Plasmastrahles ausgenutzt werden.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß ein Teil der im Plasma enthaltenen Wärmeenergie zur Erzeugung von Thermokräften dient, die thermoelektrische Ströme zur Erzeugung des äußeren Magnetfeldes hervorrufen.

Zu diesem Zweck ist das Plasma von Thermoelementen umgeben, die niederohmig gehalten und zu einem Solenoid zusammengefaßt sind. Die jeweils erforderliche Richtung und Feldverteilung der äußeren magnetischen Felder werden durch entsprechende Wahl der Schaltung und der Anordnung der Thermoelemente im Solenoid erreicht. Die das Plasma umgebenden Thermoelemente können auch, mit dem Plasmastrahl in Reihe geschaltet, eine Art Toroid bilden.

Bei Anwendung der vorliegenden Einrichtung ist eine besondere Energiequelle für den Aufbau äußerer, steuernder Magnetfelder nicht erforderlich. Außerdem kann ein kontinuierlicher Betrieb oder Vorgang beim Arbeiten mit einem Plasmastrahl erzielt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Einrichtung besteht jedes Thermoelement aus zwei zumindest teilweise kreisbogenförmig ausgebildeten Metalleitern, die eine gemeinsame kalte und eine gemeinsame warme Kontaktstelle aufweisen Einrichtung zur Beeinflussung
eines strömenden Plasmas

Anmelder:

Bölkow-Entwicklungen
Kommanditgesellschaft,
Ottobrunn bei München

Dipl.-Ing. Wladimir v. Maydell, München,
ist als Erfinder genannt worden

und um ihre eigene Breite versetzt an den Kontaktstellen miteinander verbunden sind.

Eine Vielzahl derartiger Thermoelemente sind spiralförmig unter Zwischenfügen einer Isolierschicht so aneinandergefügt, daß sie ein Solenoid bilden. Alle warmen Kontaktstellen zeigen nach innen und bilden die innere, also dem Plasmastrahl zugewandte Zylindermantelfläche des Solenoides.

Die kalten Kontaktstellen sind an der äußeren, also vom Plasmastrahl abgewandt liegenden Zylindermantelfläche des Solenoides angeordnet. Jeder kleinflächigen warmen Kontaktstelle des Thermosolenoides steht eine großflächige kalte Kontaktstelle gegenüber, so daß der thermische Energiefluß gewährleistet ist und die Kühlung auf einfache Weise durchgeführt werden kann.

Die Anordnung der Thermoelemente ist so getroffen, daß alle gleichartigen Metalleiter des Thermoelementes zusammengefaßt sind und eine Hälfte des Solenoids bilden. So z. B. befinden sich in der oberen Hälfte eines Solenoids nur Nickel- und in der unteren nur Chromnickelstäbe.

Die einzelnen Metalleiter des Thermoelementes können auch ringscheibenförmig ausgebildet werden, säulenförmig übereinander aufgestapelt und so in Reihe geschaltet werden, daß die warmen Kontaktstellen eine innere und die kalten Kontaktstellen eine äußere Zylindermantelfläche eines Solenoids bilden. Der Plasmastrahl durchströmt den inneren Zylinder und stellt die elektrische Verbindung für den thermoelektrischen Strom zwischen den äußeren Metalleitern des Solenoids her. Zu diesem Zweck ist an einem Ende des Solenoids ein Anschlußflansch für die Plasmaquelle und am anderen Ende ein Gitter vorgesehen, das den Plasmastrahl umschließt.

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Die nähere Beschreibung der vorliegenden Einrich- die um die innere Öffnung des Solenoids geschlossen

tung folgt aus der Beschreibung in Verbindung mit sind.

den Zeichnungen, aus denen zwei Ausführungsbei- Alle wannen Kontaktstellen (Kontaktfahnen 3 und 5) spiele der Einrichtung zur Beeinflussung eines Plasma- der Thermoelemente zeigen also nach innen und bilden Strahles nach der Erfindung dargestellt sind. Im 5 eine Zylindermantelfläche, während die kalten Koneinzelnen zeigt ' taktstellen (Kontaktfahnen 4 und 6) an der äußeren

Fig. 1 die Draufsicht auf die spiralförmig zusammen- Zylindermantelfläche des Solenoids sich befinden. Den gefügte erste, im vorliegenden Falle obere Leiter- kleinflächigen, warmen Kontaktstellen, die den Plasmagruppe des Thermosolenoids, strahl umschließen, stehen daher kalte Kontaktstellen

Fig. 2 eine Draufsicht auf die spiralförmig zu- io großer Flächenausdehnung gegenüber, die vom Plas-

sammengefügte zweite, im vorliegenden Falle untere mastrahl abgewandt sind und in einfacher Weise in

Leitergruppe des Thermosolenoids, dem erforderlichen Maße gekühlt werden können.

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie HI-III in den Die Anzahl der Thermoelemente des Thermosole-

Fig. 1 und 2, noids ist der Breite b (vgl. Fig. 1) plus der Isolation 7

Fig. 4 die perspektivische Darstellung eines Thermo- 15 und dem Umfang der innenhegenden Öffnungen des

elementes, das aus zwei etwa kreisbogenförmigen Solenoids direkt proportional. Sie wird ferner durch

Metalleitern besteht, die um ihre eigene Breite gegen- den ohmschen Widerstand eines Thermoelements und

einander versetzt sind und zu einer warmen und seiner zulässigen Jouleschen Erhitzung bestimmt,

kalten Kontaktstelle miteinander verbunden sind, Im beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Ther-

Fig. 5 die perspektivische Darstellung eines Thermo- 20 mosolenoids ist die gewählte Kreisstellung τφ = 180°

solenoids, das aus parallel geschalteten und ring- (vgl. Fig. 1), so daß jedes Thermoelement für sich

scheibenförmig ausgebildeten Thermoelementen be- kurzgeschlossen ist. Es können aber auch andere

steht, sowie Kreisteilungen gewählt werden, bei denen eine ähn-

Fig. 6 die perspektivische Darstellung eines Thermo- liehe Anordnung der beschriebenen einzelnen Metall-

solenoids gemäß Fig. 5, das mit den Anschlußelemen- 35 leiter der Thermoelemente möglich ist.

ten zur Abnahme des über das Plasma geleiteten Das Thermosolenoid kann auch in der Weise aus-

Thermorückstromes versehen ist. geführt werden, daß die einzelnen Thermoelemente

Ein der Ausführungsform der Fig. 4 entsprechendes zunächst parallel und dann in Reihe geschaltet werden. Thermosolenoid besteht aus einzelnen, etwa kreis- Hierbei ergibt sich eine Art von Scheibensolenoid. bogenförmigen, im Querschnitt etwa rechteckigen 30 Die parallel geschalteten Thermoelemente bilden im Metalleitern 1 und 2, die um ihre eigene Breite ver- vorliegenden Falle einzelne Scheibenpaare 20/21, die setzt miteinander verbunden sind (vgl. insbesondere in ihrer Mitte (vgl. Fig. 5) eine kreisrunde Öffnung für Fig. 4). Zu diesem Zweck weist jeder Metalleiter an den Durchtritt des Plasmastrahles haben. Die Metallseinen Enden je eine Kontaktfahne 3 und 4 bzw. 5 leiter eines Scheibenpaares sind an dieser Öffnung und 6 auf. Die Kontaktfahnen 3 und 4 des Metall- 35 zusammengebogen und galvanisch miteinander verleiters 1 sind dabei um seine Breite nach unten, die bunden, so daß dort eine kreisringförmige warme Kontaktflansche 5 und 6 des Metalleiters 2 um seine Kontaktstelle 22 entsteht. Zum Zwecke der besseren Breite nach oben hin verlängert. Die Metalleiter 1 der Wärmezuleitung zu den warmen Kontaktstellen sind ersten, im vorliegenden Ausführungsbeispiel oberen die die Kontaktstelle überragenden Enden 23/24 einer Metallgruppe werden unter Zwischenfügung einer in 40 jeden Metallscheibe 25/26 spitzwinklig abgebogen und Fig. 1 nur schematisch dargestellten Isolierschicht 7 bilden so einen Schacht (Plasmakanal), durch den der spiralenfönnig aneinandergefügt und ergeben eine Plasmastrahl hindurchtreten kann. In gleicher Weise Ringscheibe, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. werden an den kalten Kontaktstellen 27 die Enden 29

In der gleichen Weise werden die Metalleiter 2 der und 30 verlängert und dienen zur Vergrößerung der

zweiten, im vorliegenden Ausführungsbeispiel unteren 45 Kühlfläche.

Metallgruppe ebenfalls unter Zwischenfügen einer Der offene Thermostromkreis des Scheibensolenoids Isolierschicht 7 spiralenförmig aneinandergereiht und wird durch den Plasmastrahl, der durch das Scheibenergeben ebenfalls eine Ringscheibe, die in Fig. 3 dar- solenoid hindurchtritt, geschlossen. Bekanntlich besitzt gestellt ist. Die Metalleiter, die die obere Hälfte des ein Plasmastrahl eine außerordentlich hohe elektrische Thermosolenoids bilden, sind also in Spiralbahnen 50 Leitfähigkeit. Sein spezifischer Widerstand liegt beimit dem Drehsinn rechtsherum dicht aneinander an- spielsweise bei etwa 2 · IO⁴⁰ K unter dem spezifischen geordnet, während die Metalleiter der unteren Hälfte Widerstand des Kupfers. Zum Zwecke des besseren des Thermosolenoids in Spiralbahnen mit dem Stromüberganges wird beispielsweise das eine Ende Drehsinn linksherum dicht aneinander angeordnet des vorstehend beschriebenen Scheibensolenoids mit sind. Ihre Enden — also ihre Kontaktfahnen — 55 einem Flansch 28 und das der Plasmaquelle abgeim inneren und an dem äußeren Umfang des Solenoids wandte Ende mit einem Gitter 62 (vgl. Fig. 6) versind dabei radial nach innen bzw. nach außen ge- sehen,
bogen. Bei der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungs-

Beide vorstehend beschriebenen Hälften des Sole- form eines Thermosolenoids fließt der entstehende

noids, also die untere und die obere Hälfte, werden 60 Thermostrom in Richtung des in Fig. 4 dargestellten

unter Zufügung einer Zwischenisolation aufeinander- Pfeiles 61. Die magnetischen Feldlinien nehmen die

gesteckt, so daß alle Kontaktfahnen 3 und 4 bzw. 5 Richtung des Pfeiles 31 an. Der in Richtung der

und 6 in der in Fig. 4 dargestellten Weise ineinander- Z-Achse strömende Plasmastrahl wird durch das

greifen (vgl. auch die Fig. 2 und 3). Die Kontakt- resultierende magnetische Feld der in den einzelnen

fahnen von je zwei aufeinanderfolgenden Metalleiter- 65 Thermoelementen fließenden Thermoströme beein-

paaren 1 und 2 sind daraufhin zu einer Kontaktstelle flußt.

zu verschweißen, so daß sich die bereits beschriebene Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausfun-Anordnung einer Anzahl von Thermoelementen ergibt, rungsform eines Thermosolenoids ist die Hauptrich-

tung des thermoelektrischen Stromes innerhalb des Solenoids längs der Z-Achse, während die Stromrichtung im Plasmastrahl umgekehrt ist. Hierdurch entsteht zwischen dem durchströmenden Plasmastrahl und dem Scheibensolenoid eine Art von Toroid, dessen Magnetfeld um den Plasmastrahl ringförmig geschlossen verläuft.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß durch geeignete Anordnung und Ausführung der beschriebenen Thermosolenoide ein Ablenken, Führen, Bündeln und Fokussieren des Plasmastrahles auf einfache Weise ermöglicht wird, ohne daß zusätzliche Energiequellen erforderlich werden.

Claims (15)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Beeinflussung eines strömenden Plasmas mit Hilfe eines Magnetfeldes, da durch gekennzeichnet, daß ein Teil der im Plasma enthaltenen Wärmeenergie zur Erzeugung von Thermokräften dient, die thermoelektrische Ströme zur Erzeugung des Magnetfeldes hervorrufen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma von Thermoelementen umgeben ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente das Plasma solenoidförmig umgeben.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Plasma umgebenden Thermoelemente in Reihe geschaltet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Plasma umgebenden Thermoelemente parallel geschaltet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente jeweils aus zwei zumindest teilweise kreisbogenförmig ausgebildeten Metalleitern (1, 2) von etwa rechteckförmigem Querschnitt bestehen, die eine gemeinsame kalte und eine gemeinsame heiße Kontaktstelle (Kontaktfahnen 3/5, 4/6) haben und um ihre eigene Breite in axialer Richtung versetzt miteinander verbunden sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente jeweils aus zwei zumindest kreisbogenförmig ausgebildeten Metalleitern (1,2) von etwa rechteckförmigem Querschnitt bestehen, die entweder eine kalte oder eine heiße gemeinsame Kontaktstelle aufweisen und um ihre eigene Breite versetzt miteinander verbunden sind.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Metalleitern (1, 2), von denen jeder der Schenkel eines Thermopaares ist, spiralförmig unter Zwischenfügung je einer Isolierschicht (7) so aneinandergefügt sind, daß Scheiben entstehen und daß Thermoelemente durch das Zusammenfügen zweier entsprechender Scheiben gebildet werden, deren warme Kontaktstellen (3/5) nach innen zeigend eine Zylindermantelfläche bilden und die außenliegenden kalten Kontaktstellen (4/6) ebenfalls eine außenliegende Zylindermantelfläche bilden.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren dei Ansprüche 2 bis 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schenkel (20/21) der Thermoelemente ringscheibenförmig ausgebildet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ringscheibenförmigen Thermoelemente (20/21) übereinander säulenförmig aufgestapelt sind, derart, daß die warmen Kontaktstellen (22) eine innere und die kalten Kontaktstellen (27) eine äußere Zylindermantelfläche bilden.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die ringscheibenförmigen Thermoelemente (20/21) gebildete offene thermoelektrische Stromkreis durch das die Thermoelemente durchströmende Plasma geschlossen wird.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermosolenoid auf der der Plasmaquelle zugeordneten Seite einen Anschlußflansch (28) und auf der der Plasmaquelle abgewandten Seite ein in den Plasmakanal hineinragendes Gitter (62) hat.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Zylindermantelfläche der Thermosolenoide durch ein Kühlmittel gekühlt ist.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß durch Kurzschließen und/oder durch öffnen der kalten Kontaktstellen von Teilen des Thermosolenoids zu seiner Rotationsachse verschieden stark geneigte Magnetfelder erzeugt werden.

15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß kleinflächigen warmen Kontaktstellen (3/5) großflächige, dem Plasmastrahl abgewandte kalte Kontaktstellen (4/6) gegenüberstehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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