DE1130083B

DE1130083B - Vorrichtung zur raeumlichen Begrenzung einer Vielzahl von geladenen Teilchen

Info

Publication number: DE1130083B
Application number: DEC21347A
Authority: DE
Inventors: Jean Delcroix; Daniel Quemada
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1959-05-04
Filing date: 1960-05-03
Publication date: 1962-05-24
Also published as: FR1235351A; US3257579A; CH364050A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C 21347 Vmc/21g

ANMELDETAG: 3. MAI 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 24. MAI 1962

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung einer Vielzahl von geladenen Teilchen, die aus einem evakuierten Gefäß mit einer Längsachse sowie Einrichtungen zum Einschießen von Ionen und Elektronen in das Gefäß besteht, die mit Mitteln zur Erzeugung eines solchen statischen Magnetfeldes längs der Gefäßachse ausgestattet ist, daß ein Feldstärkeminimum in der Gefäßmitte und magnetische Spiegel bildende Feldstärkemaxima nahe den beiden Enden des Gefäßes vorhanden sind, und bei der ein hochfrequentes Feld in der Gefäßmitte die geladenen Teilchen beeinflußt.

Diese Vorrichtung ermöglicht es, geladene Teilchen eines gegebenen Stoffes oder einer Mischung verschiedener Stoffe in einem von den Gefäßwänden isolierten Bereich des Innenraumes eines evakuierten Gefäßes oder Gehäuses räumlich zu begrenzen. Diese räumliche Begrenzung wird durch ein parallel zu den Wänden des Gefäßes verlaufendes magnetisches Längsfeld bewirkt, welches zwischen zwei Bereichen hoher magnetischer Feldstärke einen Bereich geringerer und räumlich konstanter Feldstärke hat. In jedem der beiden Bereiche hoher Feldstärke gibt es eine senkrecht auf dem Längsfeld stehende Ebene, die einen sogenannten magnetischen Spiegel bildet, der sich gegen ihn bewegende geladene Teilchen unabhängig von deren Vorzeichen unter bestimmten Geschwindigkeits- und Energiebedingungen reflektiert.

Diese Magnetfeldanordnung wird »magnetische Flasche« genannt. Sie umschließt die Teilchen und drängt sie in dem Eingrenzungsbereich zusammen.

Im folgenden werden die Stärke des magnetischen Feldes im Bereich des Spiegels mit B_m, die Stärke des magnetischen Feldes zwischen den Spiegeln B₀ und die kinetischen Energien der Teilchen parallel und senkrecht zum Feld B₀ mit E₁ bzw. E₂ bezeichnet. Die Teilchen werden dann im Inneren der magnetischen Flasche von den Spiegeln reflektiert, wenn die folgende bekannte Beziehung erfüllt ist:

Ä<J^_i ₍₁₎

J^2 JtSg

Wird diese Bedingung für gewisse Teilchen nicht erfüllt, so entweichen diese durch die sogenannten »Verschlüsse« der magnetischen Flasche, die durch die magnetischen Spiegel gebildet werden.

Für die Praxis gibt es eine Grenze, über die hinaus

das Verhältnis ~~- nicht erhöht werden kann. Da nun

bei vielen bekannten Einrichtungen E₂ gegenüber E₁ im allgemeinen klein ist, wird die vorgenannte Bedingung für einen großen Anteil der Teilchen auch

Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung einer Vielzahl von geladenen Teilchen

Anmelder:

Compagnie Generale de Telegraphic sans FiI, Paris

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore

und Dipl.-Ing. H. Gralfs, Patentanwälte,

Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 4. Mai 1959 (Nr. 793 826)

Jean Delcroix und Daniel Quemada, Paris, sind als Erfinder genannt worden

bei dem größtmöglichen Wert des Verhältnisses -^

nicht erfüllt, so daß diese Teilchen durch die »Ver-Schlüsse« entweichen.

Eine weitere Möglichkeit, die Erfüllung der Beziehung (1) zu erreichen, besteht darin, den Wert von E₂ zu vergrößern.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung einer Vielzahl von geladenen Teilchen mit magnetischen Spiegeln bekannt, bei der die in Richtung senkrecht zu den magnetischen Feldlinien vorhandene kinetische Energie E₂ dadurch erhöht wird, daß die geladenen Teilchen auf einem Teil ihrer Bahn in den Bereich des Feldstärkeminimums einem senkrecht auf dem magnetischen Feld stehenden elektrischen Hochfrequenzfeld ausgesetzt werden.

Bei der vorliegenden Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung einer Vielzahl von geladenen Teilchen mit einem evakuierten Gefäß mit einer Längsachse besteht erfindungsgemäß das längliche Gefäß aus zwei zylinderförmigen Bauteilen und einem Hohlraumresonator, der diese beiden Bauteile verbindet. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Mittel zum Einschießen der Ionen bzw. Elektronen an den beiden gegenüberliegenden Enden des länglichen Gefäßes liegen.

205 601/358

Die Schwingfrequenz / des Hohlraumresonators der vorliegenden Vorrichtung entspricht vorzugsweise der

Beziehung 2 π f = — -· B₀,: wobei e und m die elektrische

Ladung bzw. die Masse der einzugrenzenden Teilchen und S₀ die magnetische Feldstärke im Bereich des Resonanzhohlraumes sind.

Als Folge der verbesserten. Reflexion der geladenen Teilchen nimmt die Dichte der Teilchen, die von einer Linse 11 fokussiert wird, einzuschießen. Wie bei der Ionenquelle ist der Aufbau der Elektronenquelle an sich bekannt. Die hier dargestellte Konstruktion kann durch eine gleichwertige ersetzt werden.

Die Hülle 1, 2 wird von einer Mehrzahl von Spulen 12 umgeben, deren Abmessungen, Windungszahlen und Ströme so eingerichtet werden, daß längs der Vorrichtung eine relative Verteilung der magnetischen Feldstärke im Inneren der Hülle erzielt wird, wie

geeigneten Quelle kontinuierlich in die magnetische 10 durch Kurve 13 (Fig. 3 a und 3 b) dargestellt ist. Die Flasche eingeschossen^ _ werden, im Inneren der Flasche zu. Diese Tatsache ist fur eine Anzahl von industriellen Anwendungen von großem Interesse. Betrifft die Dichtezünahme Ionen einer vorgege-

Ordinaten dieser Kurve geben das Verhältnis -= an,

wobei B₀ die magnetische Feldstärke in der Ebene 2-2 oder deren Nähe bezeichnet, während B_x die magneih Fldk jd k

_x g

benen Art, die entweder allein vorhanden sind oder 15 tische Feldstärke an jedem Punkt längs der axialen i l iI Odi h

mit anderen Ionenarten oder mit Elektronen zur Bildung eines Plasmas gemischt sind, so könnte dadurch eine günstige Bedingung für die eventuelle Einleitung thermonuklearerFusionsreaktionen geschaffen werden.

Betrifft andererseits die Dichtezunahme Elektronen, beispielsweise in Gegenwart eines Plasmas, so ergibt dies bekanntlich eine günstige Bedingung für die Auslösung und Erhaltung von Plasmaschwingungen, die die Verwendung der vorliegenden Vorrichtung als Schwingungserzeuger gestattet.

Jedenfalls gestattet die Verbesserung der Vorrichtung durch die Erhöhung der Reflexion der geladenen Teilchen eine Verringerung der den eingeschossenen Teilchen erteilten Energie, wodurch einerseits der Aufbau der Teilchenquellen vereinfacht wird und deren Kosten verringert werden und andererseits die EnergieE₁ in Längsrichtung verringert wird und somit ein zusätzlicher Beitrag zur Verbesserung der Dichtigkeit der magnetischen Flasche geleistet wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt.

Fig. la und Ib zeigen Längsschnitte des rechten bzw. linken Teiles einer Vorrichtung nach der Erfindung, wobei die Teilansichten längs der Linie 2-2 miteinander zu verbinden sind;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Vorrichtung nach Linie 2-2, und

Fig. 3 a und 3 b zeigen den rechten bzw. linken Teil eines Verteilungsdiagrammes der magnetischen Ordinate der Vorrichtung bezeichnet. Offensichtlich hat Kurve 13 die Form eines Bogens, eine Form, welche in bekannten Einrichtungen mit magnetischen Spiegeln allgemein verwendet wird, wobei diese

Bereichen der Maxima ^- der Kurve

Spiegel in

an den beiden äußeren Enden der Vorrichtung gebildet werden.

Das zylinderförmige Gefäß der Vorrichtung hat einen Resonanzhohlraum 14 zwischen den Zylindern 1 und 2. Der Hohlraum 14 ist bei 15 für Elektronen und Ionen, die sich innerhalb des Gefäßes bewegen, durchlässig. Der Hohlraum 14 kommt bei einer Frequenz / in Resonanz, und das magnetische Feld B₀ im Inneren des Hohlraumes 14 steht in Beziehung zur Frequenz / über die Zyklotronresonanzgleichung:

2π m

e und m sind dabei Ladung bzw. Masse der Teilchen, deren Dichtezunahme erwünscht wird, im vorliegenden Fall besonders der Elektronen. / ist die Frequenz in Hertz, wenn e, m und S₀ in entsprechenden Einheiten gegeben sind.

Der Hohlraum 14 ist beispielsweise in Form eines elliptischen Zylinders hergestellt, wie aus dem Querschnitt in Fig. 2 hervorgeht. Er wird z. B. durch eine Antenne 16, die seitlich aus einer dichten, isolieren-

Feldstärke auf der Längsachse der Vorrichtung nach 45 den Durchführung 17 hervorragt und über eine Speisel ll 1 F

den Fig. 1 a und 1 b, wobei diese Teildiagramme wieder längs der Linie 2-2 miteinander zu verbinden sind.

Die vorliegende Vorrichtung umfaßt eine aus zwei Zylindern 1 (Fig. la) und2 (Fig. Ib) zusammengesetzte zylindrische Hülle. Eine Ionenquelle 3 ist am linken äußeren Ende der Hülle (Fig. 1 a) angebracht. Sie weist eine Absaugelektrode 4, einen Schirm 5 und eine Ionisierungsspule 6 auf. Der Ionenquelle wird durch ein Rohr (nicht dargestellt) ein geeignetes gasförmiges Mittel zugeführt. Der Aufbau der Ionenquelle ist an sich bekannt, so daß es nicht notwendig erscheint, ihn an dieser Stelle weiter zu beschreiben. Ebenso ist selbstverständlich, daß die hier gezeigte Ionenquelle durch eine gleichwertige ersetzt werden kann.

Eine Elektronenquelle 7 ist am rechten äußeren Ende der Hülle (Fig. Ib). angeordnet. Diese enthält eine Kathode 8, eine Wehneltelektrode 9 und eine Anode 10. Diese Elektroden werden durch herkömmliehe Spannungsquellen (nicht dargestellt) auf geeignete Potentiale gelegt, um in das Innere der Hülle 1,2 einen Elektronenstrahl, der durch eine magnetische

g g p

leitung 18 mit einer Hochfrequenzquelle 19 der Frequenz / verbunden ist, erregt.

Die Hülle 1, 2 der vorliegenden Vorrichtung ist

ebenfalls mit einer herkömmlichen Pumpvorrichtung über ein Rohr20 verbunden, während die Hülle der Elektronenquelle 7 durch Rohr 21 mit einer anderen Pumpvorrichtung verbunden ist.

Die vorliegende Vorrichtung arbeitet wie folgt: Die durch die Elektronenquelle 7 in die Hülle 2 eingeschossenen und durch die Luise 11 fokussierten Elektronen treten in den Hohlraum 14 mit einer Geschwindigkeit ein, deren Komponente senkrecht zum Magnetfeld praktisch Null ist. Infolge der Zyklotronresonanz erhalten die Elektronen innerhalb des erregten Hohlraumresonators eine bestimmte Transversalgeschwindigkeit, und durch geeignete Wahl der Energie, mit der die Elektronen eingeschossen werden, kann man erreichen, daß praktisch alle Elektronen beim Verlassen des Resonators die gleiche Trans6g versal- und Azimutalgeschwindigkeit haben, die im wesentlichen unabhängig von der Phase des Hochfrequenzfeldes im Augenblick des Eintritts der Elektronen in den Resonator ist. Beim Verlassen des

Resonators bewegen sich die Elektronen nach der linken Seite der Vorrichtung und werden von dem der Ionenquelle 3 benachbarten magnetischen Spiegel reflektiert, wobei angenommen wird, daß die im Hohlraumresonator erteilte Geschwindigkeit senkrecht zum Magnetfeld hinreichend ist, diese Elektronen in einen Zustand zu versetzen, um das Entweichen der Elektronen, wie vorstehend diskutiert, zu verhindern.

Die reflektierten Elektronen kehren an den Eingang des Resonators 14 zurück, und zwar mit dem gleichen Geschwindigkeitsbetrag, den sie beim Verlassen des Resonators hatten. Dennoch ist im allgemeinen die azimutale Komponente dieser Geschwindigkeit verschieden von der azimutalen Geschwindigkeitskomponente, die sie beim Verlassen des Resonators hatten. Es ergibt sich daher eine Phasendifferenz zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und dem hochfrequenten elektrischen Feld. Die verschiedenen Elektronen erscheinen daher am Eingang des Resonators 14 mit einem vollständigen Spektrum von Phasenverschiebungen. Innerhalb dieses Spektrums sind bestimmte Phasenverschiebungen günstig, andere ungünstig für eine erneute Resonanzbeschleunigung der Elektronen innerhalb des Hohlraumes 14. Die Elektronen mit einer ungünstigen Phasenlage verlieren bei ihrer Rückkehr in den Hohlraumresonator die Transversalgeschwindigkeit, die sie während ihres ersten Verweilens in diesem erhalten hatten, und entweichen durch den magnetischen Spiegel auf der rechten Seite der Vorrichtung.

Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß durch einen entsprechenden Verlauf der Kurve 13 die Möglichkeit gegeben ist, daß eine relativ große Zahl von Elektronen in den Resonator 14 mit einer derartigen Phasenverschiebung wieder eintritt, daß diese sich im Inneren des Hohlraumresonators erneut in Resonanz mit dem elektrischen Hochfrequenzfeld befinden. Diese Elektronen verlassen den Resonator 14 zum zweiten Mal mit einer noch größeren Transversalgeschwindigkeit als beim ersten Mal und werden von dem der Elektronenquelle benachbarten magnetischen Spiegel reflektiert. Bei einer hinreichenden Verbesserung der Magnetfeldverteilung wird es in der gleichen Weise möglich, unter diesen, von dem magnetischen Spiegel auf der rechten Seite reflektierten Elektronen, die danach erneut in den Resonator 14 eintreten, eine relativ große Anzahl zu erhalten, die wieder in Resonanz geraten und eine erneute Zunahme der Transversalgeschwindigkeit erfahren, während andere Elektronen, sogar wenn sie einen Teil dieser Geschwindigkeit verloren haben, weiterhin eine hinreichende Transversalgeschwindigkeit bewahren, um der Bedingung zur Verhinderung ihres Entweichens durch den linken magnetischen Spiegel zu genügen. Das gleiche gilt für jeden nachfolgenden Elektronendurchgang durch den Resonator 14. Es ergibt sich also, daß die vorliegende Vorrichtung die Aufrechterhaltung eines Hin- und Herpendeins eines relativ großen Teiles der eingeschossenen Elektronen zwischen den beiden magnetischen Spiegeln im Inneren der Umhüllung 1,2 gestattet.

Wenn bei einer derartigen Einrichtung die Elektronen kontinuierlich oder impulsartig über einen längeren Zeitraum eingeschossen werden, nimmt die Elektronendichte im Inneren der Hülle 1, 2 allmählich zu. Die sich maximal einstellende Dichte wird durch das zwischen Teilchenzufuhr und den Teilchenverlusten sich einstellende Gleichgewicht begrenzt. Es wurde experimentell gefunden, daß günstige Ergebnisse vom Standpunkt der Zunahme der Elektronendichte mit einer Frequenz / in der Größenordnung von 3 kMHz (3 GHz) und einer Feldstärke B₀ in der Größenordnung von 1000 Gauß erzielt werden

ίο können bei einer Feldstärke B_1n innerhalb des Bereiches der Spiegel in der Größenordnung von 2500 Gauß. Die Elektronen können dann mit einer Energie von 140 eV eingeschossen werden, d. h. mit Hilfe einer Elektronenquelle sehr einfachen Aufbaues, die keine Schwierigkeiten hinsichtlich ihrer technologischen Realisierbarkeit bietet. Die durch die Elektronen erzeugte Raumladung wird durch die von Quelle 3 gelieferten Ionen neutralisiert, so daß sich im Inneren der Hülle 1, 2 ein Plasma bildet, das durch das magnetische Feld innerhalb des inneren Bereiches der Hülle ohne Berührung mit deren Wänden eingegrenzt wird und in Schwingung versetzt werden kann. Für den Fall, daß diese Plasmaschwingungen ausgenutzt werden sollen, werden geeignete, dem Fachmann bekannte Mittel zur Aufnahme der Plasmaschwingungen und deren Übertragung auf Arbeitskreise vorgesehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur räumlichen Begrenzung einer Vielzahl von geladenen Teilchen, die aus einem evakuierten Gefäß mit einer Längsachse sowie Einrichtungen zum Einschießen von Ionen und Elektronen in das Gefäß besteht, die mit Mitteln zur Erzeugung eines solchen statischen Magnetfeldes längs der Gefäßachse ausgestattet ist, daß ein Feldstärkeminimum in der Gefäßmitte und magnetische Spiegel bildende Feldstärkemaxima nahe den beiden Enden des Gefäßes vorhanden sind, und bei der ein hochfrequentes Feld in der Gefäßmitte die geladenen Teilchen beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß das längliche Gefäß aus zwei zylinderförmigen Bauteilen und einem Hohlraumresonator besteht, der diese beiden Bauteile verbindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einschießen der Ionen bzw. Elektronen an den beiden gegenüberliegenden Enden des länglichen Gefäßes liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingfrequenz / des Hohlraumresonators der Beziehung

2π/=---.ΰ₀ m

entspricht, wobei e und m die elektrische Ladung bzw. die Masse der einzugrenzenden Teilchen und B₀ die magnetische Feldstärke im Bereich des Resonanzhohlraumes sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: A. S. Bishop, »Project Sherwood«, 1958, Reading, S. 53 und 56.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen