DE1185716B - Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie in einer Rotationsplasma-Vorrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 02 η

Deutsche Kl.: 21 d3 - 3/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1185 716
U6223VIIIb/21d3

20. Mai 1959

21. Januar 1965

Die Erfindung betrifft eine Rotationsplasma-Vorrichtung zur Speicherung von elektrischen Energien mit einer vakuumdichten ringförmigen Kammer zwischen mit radialem Abstand und koaxial zueinander angeordneten Elektroden und mit Einrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das axial durch die Kammer hindurchgeht, in der sich ein ionisierbares Gas befindet und in der eine Bogenentladung durch Anlegung einer hohen Spannung zwischen den Elektroden herbeizuführen ist.

Durch die Fortschritte in der Elektrotechnik entstand der Bedarf für eine Einrichtung zur Speicherung und raschen Entladung großer Mengen elektrischer Energie, wobei festgestellt wurde, daß die normalerweise für die Speicherung und Entladung elektrischer Energie in den üblichen Schaltanordnungen verwendeten Kondensatoren üblicher Art den Bedürfnissen nicht gerecht werden. Auf dem erwähnten Anwendungsgebiet wurden bis heute außerordentlich große und komplizierte Mehrfach-Festkondensatoren verwendet, die aus sehr vielen elektrischen Kondensatoren üblcher Art bestehen, welche mit Mitteln zur gleichzeitigen Entladung über einen Verbraucher zusammengeschaltet sind. Solche Anordnungen weisen verschiedene Nachteile auf, da die gleichzeitige Entladung einer großen Zahl Kondensatoren außerordentlich schwierig zu erreichen ist und es insbesondere fast unmöglich ist, aus einem solchen Mehrfach-Festkondensator einen Ausgangsimpuls mit einer sehr geringen Anstiegszeit zu erzielen. Mit anderen Worten: Der notwendige räumliche Abstand der Kondensatoren kompliziert das Problem der Erzeugung eines Ausgangsimpulses mit einer nahezu senkrechten Wellenfront in hohem Maße. Bei den bekannten Vorrichtungen besteht ferner eine weitere Beschränkung hinsichtlich des verhältnismäßig großen Volumens, das zur Speicherung beträchtlicher Mengen elektrischer Energie erforderlich ist, da die Dielektrizitätskonstante der bekannten Kondensatoren dem Volumen, das zur Speicherung großer Energiemengen erforderlich ist, eine untere Grenze setzt. Insbesondere können die festen Dielektrika, die in Kondensatoren der üblichen Art verwendet werden, nur eine begrenzte Menge elektrischer Energie je Volumeinheit speichern, so daß für das resultierende Speichervermögen von solche Dielektrika verwendenden Kondensatoren eine Beschränkung besteht.

Was die Anwendbarkeit elektrischer Kondensatoren betrifft, welche Ergebnisse liefern^ die diejenigen der bei den üblichen Kondensatoren erzielbaren übertreffen, wird auf das Gebiet der thermo-

Verfahren zur Speicherung von elektrischer
Energie in einer Rotationsplasma-Vorrichtung

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:
William Randolph Baker, Orinda, Calif.;
Oscar Albin Anderson, Oakland, Calif.;
Harold Paul Furth, Berkely, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 20. Mai 1958 (736 647)

nuklearen Reaktionen und auf die für diese entwickelten Vorrichtungen verwiesen, bei welchen außerordentlich große Mengen elektrischer Energie in einer sehr kurzen Zeit entladen werden müssen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht für die Erzeugung von sehr schnell ansteigenden magnetischen Feldern von außerordentlich hoher Intensität, bei welchen sehr starke Stromstöße in den Magnetwicklungen verwendet werden müssen und jeder Stromstoß eine außerordentlich kurze Anstiegszeit auf einen Höchstwert haben muß. Obwohl für den Fachmann verschiedene weitere Anwendungsmöglichkeiten für elektrische Kondensatoren von großer Kapazität und rascher Entladung bestehen, ergeben sich aus dem Vorangehenden zumindest bestimmte Fälle, in denen Kondensatoren üblicher Art den Erfordernissen der jeweiligen Schaltungsanordnung nicht gerecht werden. Es ist bereits eine Rotationsplasma-Vorrichtung bekannt, die aus einer evakuierten ringförmigen Kammer besteht, welche in radialem Abstand voneinander angeordnete Elektroden und Einrichtungen zum Anlegen einer hohen Spannung an die Elektroden zwecks Erzeugung einer Bogenentladung in der Kammer aufweist. Außerdem sind Einrichtungen zum Erzeugen eines axialen Magnetfeldes durch diese Kammer bekannt, um der Bogenentladung eine Rotationsbewegung aufzuzwingen, wodurch innerhalb der Kammer eine rotierende Plasmascheibe gebildet wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird eine Gleichspannung an die kon-

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zentrischen Elektroden angelegt. Die dadurch in der Kammer gebildete Plasmascheibe dreht sich kontinuierlich in einer Richtung und wird durch die Kammer begrenzt. In der vorliegenden Vorrichtung wird hingegen nicht mit einem Gleichspannungsbogen gearbeitet. Erfindungsgemäß werden an die Elektroden Spannungsimpulse angelegt, wird nach dem Zünden der Bogenentladung infolge des raschen Spannungsanstieges durch den bekannten Schnüreffekt (Pinch-Effekt) das gebildete Plasma in axialer Richtung und infolge einer Spiegelfeldkonfiguration des Magnetfeldes in radialer Richtung von der Kammerbegrenzung weggedrängt und verdichtet, und es wird danach die im rotierenden Plasma gespeicherte Energie kurzzeitig einem Verbraucher zugeführt. Dadurch ist es möglich, unter Ausnutzung des Pinch-Effektes und von magnetischen Spiegelfeldern die rotierende Plasmascheibe in der Kammer immateriell zu begrenzen. Auf Grund der außerordentlich hohen Dichte der Plasmascheibe und ihrer immateriellen Eingrenzung können in dem Drehmoment der Scheibe sehr große Energiemengen gespeichert werden. Ein solcher Mechanismus ist mit der bekannten Vorrichtung nicht zu erreichen.

Hierdurch wird das Problem der Speicherung und Entladung elektrischer Energie auf eine neue Weise gelöst, da elektrische Energie in einer Plasmaentladung gespeichert wird und aus der Rotationsenergie des Plasmas entnommen wird. Bei der vorliegenden Vorrichtung besteht das Dielektrikum des Kondensators aus einem Plasma, das aus positiv und negativ geladenen Teilchen in im wesentlichen gleichen Mengen besteht und so ein raumladungsneutralisiertes voll ionisiertes Gas bildet. Durch die Verwendung eines Plasmas als Dielektrikum eines Kondensators werden die vorerwähnten Schwierigkeiten der bekannten Kondensatoren besonders hinsichtlich der Beschränkung der Energiespeicherung je Volumeinheit und hinsichtlich der Gesamtgröße des erhaltenen Kondensators vermieden. Von besonderem Interesse bei der vorliegenden Vorrichtung ist der Umstand, daß dessen mechanische Begrenzung, wie sie durch die elektrostastischen Drücke bestimmt wird, praktisch vor dem Punkt des elektrischen Überschlags erzielt wird, im Gegensatz zu den bekannten Kondensatoren und wie nachstehend näher erläutert.

Bei der vorliegenden Vorrichtung wird eine sogenannte homopolare Geometrie verwendet, bei welcher ein radiales elektrisches Feld und ein axiales magnetisches Feld benutzt werden, um ein Plasma in eine azimutale Driftbewegung zu versetzen. Während der Beschleunigungsperiode fließt ein radialer Stoßstrom, welcher dazu verwendet wird, das Plasma in Achsrichtung von dem umgebenden Gefäß wegzudrücken. Das verwendete axiale Magnetfeld ist gewöhnlich ein magnetischer Spiegel, oder es ergibt sich aus dem Betrieb der Vorrichtung zumindest eine magnetische Spiegelfeldkonfiguration. Bei dieser Geometrie hat die mit der Plasmarotation verbundene Fliehkraft das Bestreben, die Ionen von der Achse wegzuhalten, so daß sie zusammen mit den das Plasma bildenden Elektronen in einem Bereich eines sich ausbauchenden Magnetfeldes eingeschlossen werden, in welchem eine im wesentlichen stabile Plasmaumschließung erzielt wird.

In einem System rotierenden Plasmas der hier betrachteten Art erzeugt die Anwendung orthogonal angelegter elektrischer und magnetischer Felder eine Teilchendrift mit einer zu beiden Feldern senkrechten Geschwindigkeit und verursacht ferner eine Teilchenverdrängung über einen begrenzten Abstand längs der Richtung des elektrischen Feldes. Dies hat eine endliche entgegengesetzte Verdrängung positiver und negativer Ladungen genau wie in einem gewöhnlichen Dielektrikum zur Folge, so daß das rotierende Plasma als Dielektrikum mit einer bestimmbaren Dielektrizitätskonstante verwendet werden kann. Die vorliegende Vorrichtung erzeugt ein solches rotierendes Plasma und verwendet dieses als Dielektrikum in einem Kondensator zur Speicherung hoher Energie.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, und zwar zeigt

Fig. 1 einen mittigen senkrechten Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;

so F i g. 2 eine Ansicht im Schnitt nach der Ebene 2-2 der Fig. 1.

Vor der Erläuterung der theoretischen Grundlagen für die Vorrichtung soll für deren besseres Verständnis zunächst eine bauliche Ausführungsform näher beschrieben werden. In den Zeichnungen ist mit 11 ein Magnet bezeichnet, der zwei in Abstand voneinander befindliche parallele Polflächen 12 und 13 aufweist und mit zwei Erregungsspulen 14 und 16 versehen ist. Gleichzeitig zu den Polschuhen 12 und 13 und zwischen diesen ist ein ringförmiges Gehäuse 17 angeordnet. Dieses ringförmige Gehäuse 17 kann aus zwei Platten, nämlich einer oberen und einer unteren Platte 18 und 19 bestehen, die ringförmig sind und durch eine zylindrische Außenwand 21 sowie durch eine zylindrische Innenwand 22 miteinander verbunden sind. Diese Gehäuseteile bestehen aus einem elektrisch leitenden Material und haben miteinander elektrischen Kontakt. Ferner sind die Gehäuseteile vakuumdicht, beispielsweise durch geeignete, zwisehen den einzelnen Teile angeordnete Dichtungen 23 miteinander verbunden, wobei geeignete, nicht gezeigte Halterungen vorgesehen sind, um das Gehäuse 17 so zu lagern, daß es keinen elektrischen Kontakt mit den Polschuhen 12 und 13 hat, jedoch diesen in geringem Abstand gegenüberliegt. Innerhalb des Gehäuses 17 sind eine obere Isolierplatte 24 und eine untere Isolierplatte 26 unmittelbar anliegend an der oberen bzw. unteren Platte 18 bzw. 19 angeordnet. Ferner ist im Gehäuse 17 eine ringförmige Mittelelektrode 27 in radialem Abstand von dem äußeren Gehäusezylinder 21 nach innen angeordnet derart, daß sie sich zwischen den Isolierplatten 24 und 26 erstreckt. Die Innenelektrode 27 und die Außenwand 21 begrenzen im Gehäuse 17 eine Plasmakammer 25.

Zwischen der Innenelektrode 27 und dem äußeren Gehäusezylinder 21, welcher daher auch als Außenelektrode dient, wird eine elektrische Spannung angelegt. Diese elektrische Erregung der vorerwähnten Teile wird von einer pulsierenden Spannungsquelle 28 geliefert, welche eine Vielzahl elektrischer Leiaungen, beispielsweise Koaxialkabel 29, aufweist, die sich von der Spannungsquelle durch die eine Magnetspule 16 in die Mittelöffnung erstreckt, welche im Polschuh 13 und im Gehäuse 17 vorgesehen ist. Die sich in die Mittelöffnung des Gehäuses 17 erstreckenden Koaxialkabel 29 sind im Gehäuse radial nach außen gerichtet, so daß sie am Gehäuse an in

gleichen Abständen voneinander befindlichen Stellen Gasquelle 41 eine Gasflasche 42 vorgesehen, die über um dessen Innenumfang herum anliegen. Was die ein Ventil 43 mit einer Zufuhrleitung 44 verbunden Berührung zwischen den Koaxialkabeln und dem ist, welche sich durch einen für diesen Zweck geGehäuse 17 betrifft, ist es bei der dargestellten An- eigneten Teil des Gehäuses 17 erstreckt, um dieses Ordnung vorzuziehen, daß der Außenleiter 31 der 5 mit Gas zu beliefern. Vorzugsweise werden mehrere Kabel 29 mit dem Gehäuse an dessen zylindrischer Abzweigungen von der Gaszufuhrleitung 44 vorge-Innenwand 22 elektrisch verbunden ist, während sich sehen, damit das Gas an in Abstand voneinander der elektrische Innenleiter 32 der Kabel isoliert durch befindlichen Stellen um den Umfang des Gehäuses die Innenwand 22 zur elektrischen Verbindung mit 17 herum eingeleitet werden kann. Obwohl zur Verder Innenelektrode 27 im Gehäuse 17 erstreckt. Eine 10 Wendung mehrere Gase geeignet sind und die Wahl geeignete Wahl der Polarität bei der Erregung der des jeweils zu verwendenden Gases zumindest teil-Elemente der Vorrichtung läßt sich durch die elek- weise von dem besonderen Anwendungsgebiet abtrische Erdung des Außenleiters 31 der Stromquelle hängt, hat es sich zumindest als zweckmäßig erwie-28 und dadurch, daß der Innenleiter auf einem hohen sen, Argon als innerhalb des Gehäuses zu ionisierenpositiven oder negativen Potential gehalten wird, 15 des Gas zu verwenden. Zum Evakuieren des erzielen. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß Gehäuses kann eine geeignete Vorrichtung vorgeinfolge der elektrischen Verbindung der Platten 18 sehen werden, für welchen Zweck in der Zeichnung und 19 und der Zylinder 22 und 21 des Gehäuses 17 eine Absaugleitung 46 dargestellt ist, durch die das durch den Leiter 29 zwischen der Innenelektrode 27 Gehäuse 17 mit Hilfe einer nicht dargestellten ge- und der Außenelektrode 21 eine Spannungsdifferenz ₃₀ eigneten Pumpe evakuiert werden kann, angelegt wird, durch welche es möglich ist, unter den Für den Betrieb der Vorrichtung wird zuerst die

nachstehend angegebenen Bedingungen eine Bogen- Plasmakammer 25 über die Absaugleitung 46 abgeentladung zwischen den genannten Elektroden her- saugt, um den Druck innerhalb der Kammer auf beizuführen. einen verhältnismäßig niedrigen Wert herabzusetzen.

Als weitere elektrische Verbindungen sind Mittel 25 Sodann wird ein geeignetes Gas in die Kammer 25 zur Abnahme der Leistung von der vorangehend be- aus der Gasquelle 41 eingeleitet und die Stromquelle schriebenen Vorrichtung vorgesehen, welche Leistung 28 durch eine Steuereinrichtung pulsiert, die im voreinem elektrischen Verbraucher 33 zugeführt wird, liegenden Fall als mit der Stromquelle zusammender über einen Leiter, beispielsweise durch ein Ko- gebaut angenommen wird, um zwischen der Innenaxialkabel 34, mit einem Schalter 36 verbunden ist. 30 elektrode 27 und der Außenelektrode 21, welche die Der Schalter 36 ist seinerseits elektrisch zwischen die Plasmakammer 25 begrenzen, einen Hochspannungs-Elektroden27 und 21 der Plasmavorrichtung ge- impuls anzulegen. Durch diese angelegte elektrische schaltet, für welchen Zweck eine Anzahl koaxialer Spannung wird innerhalb der Plasmakammer 25 ein Ausgangskabel 37 vorgesehen sind, die sich vom radiales elektrisches Feld erzeugt, wodurch die Elek-Schalter 36 durch die Mitte der Magnetspule 14 und ₃₅ tronen und Ionen, die natürlicherweise in Gasen vorin die Öffnung erstrecken, die innerhalb des ringför- handen sind, beschleunigt werden derart, daß sich migen Gehäuses 17 vorgesehen ist, in der sich die diese geladenen Teilchen bewegen und dabei Ionisiekoaxialen Ausgangskabel 37 radial nach außen zu rungsstöße mit anderen neutralen Teilchen in der in gleichem Abstand voneinander befindlichen Stellen Kammer erfahren. Dieser Ionisierungsvorgang ist um den Innenumfang des Gehäuses 17 herum er- ₄₀ kumulativ, so daß sich innerhalb der Plasmakammer strecken. Ähnlich wie die vorangehend beschriebe- rasch eine Bogenentladung von hoher Intensität bilnen Eingangsverbindungen ist der Außenleiter 38 det, die sich anfänglich von der Innenelektrode 27 jedes der Ausgangskabel 37 elektrisch mit der zylin- radial nach außen zur Außenelektrode 21 erstreckt, drischen Innenwand 22 des Gehäuses 17 verbunden, Diese Bogenentladung wird durch ein Plasma gebilwährend sich der Mittelleiter 39 durch diese Wand 45 det, das aus einer im wesentlichen gleichen Anzahl isoliert erstreckt und elektrischen Kontakt mit der von Elektronen und positiv geladenen Ionen besteht, Innenelektrode 27 der Vorrichtung hat. Bei der dar- um eine Raumladungsneutralisierung zu bewirken gestellten Ausführungsform der Erfindung besteht derart, daß das erhaltene Plasma nach außen elekzwischen den Eingangskabeln 29 und den Ausgangs- irisch neutral ist. Dieses Plasma, das zwischen den kabeln 37 aus Gründen, die nachstehend näher er- 50 Elektroden 21 und 27 durch deren elektrische Erläutert werden, ein wesentlicher Unterschied, der in regung von der Spannungsquelle 28 aus erzeugt wird, einer wesentlichen Veränderung zwischen der Kabel- erzeugt durch die Bewegung der geladenen Teilchen impedanz besteht. So sind die Eingangskabel 29 in diesem ein selbstinduziertes Magnetfeld, welches Kabel von hoher Impedanz, während die Ausgangs- das Bestreben hat, das Plasma in einer senkrechten kabel 37 eine sehr niedrige Impedanz haben. Ferner 55 Richtung zu verengen derart, daß das resultierende ist es mit dem Ziel, die Entladung des Kondensators Plasma von der oberen und der unteren Begrenzung zu erleichtern, zweckmäßig, eine verhältnismäßig der Plasmakammer, die durch die Isolierscheibe 24 große Zahl von Ausgangskabeln vorzusehen, die an und 26 gebildet wird, weg verdichtet wird, so daß in Abstand voneinander befindlichen Stellen um den das Plasma dann etwa die in F i g. 1 bei 51 gezeigte Innenumfang der Vorrichtung herum angeschlossen 60 Form annimmt. Diese Plasmaverdichtung geschieht sind, während eine geeignete Erregung der Vorrich- durch den Nettostromfluß in radialer Richtung der tung von der Spannungsquelle 28 aus mit verhältnis- Plasmakammer, welcher durch die Anfangsbewegung mäßig wenig Eingangskabeln geschehen kann. von Ionen und Elektronen in entgegengesetzten Rich-

Ferner sind zusätzlich Mittel zur Einleitung eines tungen herbeigeführt wird und oft als »Pinch-Effekt« Gases in das Gehäuse 17 vorgesehen, in welchem 65 bezeichnet wird.

dieses Gas zur Bildung eines Plasmas ionisiert wird. Außer den vorangehend angegebenen Wirkungen,

Obwohl es an sich zahlreiche geeignete Gasquellen die die Entladung innerhalb der Kammer 25 beeingibt, ist bei der dargestellten Ausführungsform als flüssen, ist ferner noch das axiale Magnetfeld zu be-

rücksichtigen, das zwischen den Polflächen 12 und 13 Da sich das Plasma im wesentlichen radial nach der Vorrichtung erzeugt wird und anfänglich im außen von der Mittelelektrode um deren Umfang wesentlichen axial durch die Plasmakammer 25 ge- herum im wesentlichen zur umgebenden Außenelekrichtet ist. Es sind mindestens zwei gesondert erkenn- trode 21 erstreckt, muß die Plasmastromdichte unter bare Wirkungen dieses axialen Magnetfeldes vor- 5 vereinfachten Bedingungen in der Nähe der Innenhanden, von denen die eine mit der radialen Ein- elektrode am größten sein, da der gleiche Strom die Schließung des Plasmas 51 in Zusammenhang steht. Außenelektrode erreicht, welcher die Innenelektrode Daher wird, wenn das Plasma 51 eine beträchtliche verläßt. Diese größere Stromdichte in der Nähe der Dichte erreicht, ein Zustand erzeugt, bei welchem Innenelektrode führt zu einer größeren Winkelmagnetische Felder das Bestreben haben, Vorzugs- io beschleunigung des Plasmas an dieser, so daß infolge weise aus diesem herauszutreten. In dieser Hinsicht der besonderen, im vorliegenden Falle vorgesehenen sind die Eigenschaften des Plasmas bekannt und homopolaren Geometrie auf die Plasmascheibe Rotakönnen durch die Feststellung zusammengefaßt wer- tionskräfte von über deren Radius veränderlicher den, daß Magnetfelder aus einem Plasma von hoher Intensität ausgeübt werden, so daß eine erhöhte Dichte ausgeschlossen werden. Die Folge dieser 15 Wahrscheinlichkeit für Ionisierungsstöße innerhalb Wirkung besteht bei der vorliegenden Vorrichtung des Plasmas besteht. Bekanntlich wird durch solche darin, daß Kraftlinien des Magnetfeldes zwischen den Stöße die Plasmatemperatur oder die relative Plasma-Polflächen 12 und 13 gekrümmt werden, so daß sie energie erhöht. Die Vorrichtung arbeitet nicht allein durch das Plasma 51 radial nach außen gedrückt nach dem bekannten Prinzip der Jouleschen Erwärwerden, ähnlich wie gespannte Gummibänder, und 20 mung, sondern nutzt statt dessen die sogenannte das Bestreben haben, sich um den Außenumfang viskose Erwärmung aus. Zur Erläuterung hierzu wird des Plasmas herum zu krümmen, wo das resultierende auf die bekannten Larmor-Radien-Effekte verwiesen, magnetische Feld eine Intensität hat, die wesentlich bei welchen Ionen gezwungen werden, zykloidale höher ist als die, welche sich radial nach innen fest- Pfade in gekreuzten elektrischen und magnetischen stellen läßt. Dieser Verlauf des magnetischen Feldes 25 Feldern zu durchlaufen. Bei der vorliegenden Vorist ähnlich wie bei den sogenannten »magnetischen richtung wird dieser Larmorradius vorzugsweise so Spiegeln«, bei welchen magnetische Felder von zu- ausreichend klein gehalten, daß bei einer Bewegung nehmender Intensität die Eigenschaft haben, daß sie um den Umfang des Plasmas herum ein Ion eine geladene Teilchen abstoßen. Es wird daher innerhalb verhältnismäßig große Zahl von zykloidalen Umder Plasmakammer 25 ein magnetischer Umfangs- 30 laufen ausführt. Dieser Vorgang wird dadurch auf spiegel erzeugt, welcher das Plasma von der Außen- ein Höchstmaß gebracht, daß rasch ansteigende elekelektrode 21 weg verdrängt, so daß er das Bestreben trische Felder verwendet werden, so daß die resulhat, das Plasma innerhalb der Kammer einzuschlie- tierende Wahrscheinlichkeit von Ionen-Ionen-Kollißen und radiale elektrische Ströme im Plasma zur sionen ebenfalls auf ein Höchstmaß gebracht wird. Elektrode 21 wesentlich herabzusetzen. Ein anfäng- 35 Zusätzlich ist zu erwähnen, daß, falls die Plasmaliches magnetisches Spiegelfeld kann dadurch erzeugt scheibe zu kippen versuchen sollte, die geladenen werden, daß die Polschuhe 12 und 13 radial nach Teilchen des Plasmas dann durch ungleiche Felder innen verjüngt ausgebildet werden. Die zweite vor- bei ihrer Bewegung um die Plasmakammer herum erwähnte Wirkung des axialen Magnetfeldes besteht hindurchtreten würden, so daß sie durch magnetische darin, daß auf die das Plasma 51 bildenden gelade- 40 Kräfte beeinflußt werden, durch welche sie zu einer nen Teilchen eine zusätzliche Kraft ausgeübt wird, mittigen Bahnstellung zurückgeführt werden. Zusätzda bekanntlich geladene Teilchen, die ein Magnetfeld lieh ist ferner zu erwähnen, daß durch die axiale Einim rechten Winkel zu dessen Kraftlinien durchqueren, Schließung bei der vorliegenden Vorrichtung die durch eine resultierende Kraft im rechten Winkel Schwierigkeiten, die sich bei der Begrenzung durch sowohl zum Magnetfeld als auch zur Bewegungsrich- 45 magnetische Spiegel allein ergeben, nicht auftreten, tung der geladenen Teilchen beeinflußt werden. Da- Das ist dadurch bedingt, daß eine rotierende Plasmaher werden die geladenen Teilchen, welche anfäng- scheibe erzeugt wird derart, daß die Plasmascheibe lieh das elektrische Feld durchqueren, durch die ihr eigenes axial verengendes Magnetfeld erzeugt und orthogonal verlaufenden Magnetfeldkraftlinien be- der »Verlustkegel«, durch den geladene Teilchen einflußt, so daß sie zu einer Bewegungsrichtung ge- 50 entweichen können und welcher normalerweise bei zwungen werden, die zu jeder der Feldlinien senk- Vorrichtungen mit magnetischen Spiegeln vorhanden recht ist. Bei der dargestellten Anordnung verläuft ist, nicht besteht. Die axiale Begrenzung wird noch diese Bewegungsrichtung in Umfangsrichtung der durch die Verwendung der oberen Kammerplatte 18 Plasmakammer 25. Es wird daher im Plasma 51 eine und der unteren Kammerplatte 19 als Rückstromazimutale Bewegung der geladenen Teilchen erzeugt. 55 pfade unterstützt derart, daß in unmittelbarer Nähe Als Folge dieser Bewegung rotiert die resultierende der Flächen dieser Platten verhältnismäßig starke Plasmascheibe 51 im wesentlichen um seine Symme- magnetische Felder induziert werden, welche das Betrieachse, so daß eine Analogie mit einem elektrischen streben haben, die sich den Kammerwänden nähern-Generator besteht, bei welchem ein Leiter in einem den geladenen Teilchen zurückzustoßen. Als Folge Magnetfeld umläuft. Als Folge dieser Rotation des 60 dieser wesentlich verbesserten Einschließung ist es Plasmas im Magnetfeld werden innerhalb des Pias- möglich, das Plasma während eines beträchtlichen mas elektrische Ströme erzeugt, die ebenfalls azimu- Zeitraums nach Ablauf des Erregungsimpulses in tal gerichtet sind. Aus dem Vorangehenden ergibt Rotation zu halten. Diese verlängerte Einschließung sich, daß in der Plasmakammer eine rotierende des Plasmas wurde gemessen und hierfür eine Dauer Scheibe aus hochdichtem Plasma erzeugt wird, wobei 65 von mehr als 100 Mikrosekunden festgestellt. Die jedoch weitere Wirkungen hinsichtlich der Eigen- Folge dieser verlängerten Plasmaeinschließung nach schäften dieser rotierenden Scheibe von besonderer dem Aufhören des rasch ansteigenden elektrischen Wichtigkeit sind. Erregungsfeldes besteht darin, daß zusätzliche Zeit

vorhanden ist, während welcher die Plasmateilchen in einen thermischen Zustand gebracht werden können, um deren Temperatur oder Energie zu erhöhen. Die verlängerte Plasmaeinschließung hängt zum Teil ar.ch von dem Umstand ab, daß geladene Teilchen in dejr. in dieser rotierenden oder sich im wesentlichen in azimutalen Pfaden bewegenden Plasma durch Fliehkräfte beeinflußt werden, welche das Bestreben haben, diese radial nach außen zu verdrängen, und daß diese radiale Bewegung eine weitere Generatorwirkung durch das Äquivalent eines magnetische Kraftlinien schneidenden Leiters erzeugt. Als Folge dieser Wirkung wird ein azimutaler Strom erzeugt, welcher eine Kraft hervorruft, die der den Strom erzeugenden Kraft entgegengesetzt ist, und dieser Strom bewirkt die Begrenzung des Plasmas um dessen Umfang.

Eine besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit besteht in der Schaffung von Mitteln zur Entladung dieser elektrischen Energie aus der Plasmakammer in einen äußeren Stromkreis zur Erzeugung eines sehr starken Impulses elektrischer Energie mit einer außerordentlich kurzen Anstiegszeit in seiner Wellenform.

Wenn ein elektrisches Feld an ein Plasma mit eingeschlossenem orthogonalem Magnetfeld angelegt wird, wird den Teilchen eine (mittlere) Driftgeschwindigkeit orthogonal zu beiden Feldern mitgeteilt, und die Teilchen werden ferner über einen begrenzten Betrag in Richtung des elektrischen Feldes verdrängt. Die Teilchen nehmen Gleichgewichtsbahnen verschiedener Arten an, es findet jedoch in jedem Falle eine endliche entgegengesetzte Verdrängung positiver und negativer Ladungen wie in einem Dielektrikum üblicher Art statt. Wie bekannt ist, kann aus der Bewegungsgleichung eine Gleichung für ein polarisierbares Medium mit einer Polarisierbarkeit abgeleitet werden, die gleich der Massendichte ρ geteilt durch das Quadrat der magnetischen Feldstärke H ist. In diesem Falle kann die Dielektrizitätskonstante K aus

der Gleichung £ = ^Sr bestimmt werden, wobei c

wobei c die Lichtgeschwindigkeit und H die Intensität des magnetischen Feldes ist. Das gleiche Ergebnis läßt sich erzielen, wenn die Driftenergie des Plasmas dem elektrischen Feld zugeschrieben wird.

Hinsichtlich der kapazitiven Eigenschaften ergibt sich, daß die kinetische Energie des rotierenden Plasmas analog der Größe ¹Zt CV² für einen gewöhnlichen Kondensator ist, wobei C die Ladung und V die Spannung ist. Ein weiteres Bewegungsintegral, nämlich der Plasmadrehimpuls P& kann ohne weiteres als Analogie zu der Kondensatorladung β betrachtet werden, die gleich CV ist und die leicht erhalten wird, wenn berücksichtigt wird, daß der Drehmomentimpuls auf das Plasma gleich dem diesem mitgeteilten Drehimpuls sein muß oder

wobei I die Länge der Vorrichtung, H_z das axiale Magnetfeld, i_T der radiale Stromfluß und r der Radius der Vorrichtung ist. Wenn in diese Gleichung das

Verhältnis i_T = eingesetzt wird, bei wel-Scheibenfläche, 2 π J" r d r ist. Die Bildung einer stromschwächenden Anodenumhüllung kann durch das Anlegen einer rasch ansteigenden Erregungsspannung ausgeschlossen werden, bei welcher die Beschleunigungszeit des Plasmas kürzer ist als die Elektronenkollisionszeit. Hierbei können zufällige Kollisionen zwischen Elektronen und schweren Teilchen (Ionen und neutrale Teilchen) erzeugt werden, welche eine Elektronendrift zur Anode ermöglichen. Durch einen

ίο solchen Strom kann die Entladung der Anodenumhüllung bewirkt werden.

Im Betrieb der Vorrichtung und zusätzlich zu der vorangehend beschriebenen Erzeugung eines hochdichten energiereichen rotierenden Plasmas innerhalb der Kammer 25 wird der Schalter 36, der vorzugsweise elektronisch gesteuert wird, dazu verwendet, den Verbraucher 33 parallel zum Plasma zu schalten. Die Ausgangskabel 37 haben, wie erwähnt, eine sehr niedrige Impedanz, so daß beim Schließen des Schalters 36 zur Parallelschaltung des Verbrauchers 33 zum Plasma 51 der Entladungspfad über den Verbraucher eine viel niedrigere Impedanz hat als der Entladungspfad über das Eingangskabel 29 von hoher Impedanz, so daß die Plasmaenergie augenblicklich in den Verbraucher 33 abgeleitet wird. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, in den Eingangsleitungen 29 Schaltmittel zu verwenden, da der Stromfluß aus dem Plasma vorzugsweise dem Pfad niedrigerer Impedanz über den Verbraucher folgt, statt zur Spannungsquelle 28 zurückzukehren. Bei der vorliegenden Vorrichtung wird die verhältnismäßig kleine Plasmascheibe 51 auf einen außerordentlich hohen Energiepegel gebracht, so daß eine sehr große elektrische Leistung auf einen sehr kleinen räumliehen Bereich konzentriert wird und ferner die Gesamtvorrichtung sehr klein gehalten werden kann, so daß es möglich ist, diesen in unmittelbarer Nähe irgendeines Verbrauchers, der durch sie erregt werden soll, anzuordnen. Durch die Erfindung werden daher die bei einer Kondensatorentladung normalerweise auftretenden Schwierigkeiten vermieden.

Es läßt sich oft feststellen, daß der Betrag an Kondensatorenergie, der irgendeinem Punkt innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls zugeführt werden kann, durch die erzielbare Dielektrizitätskonstante des die Energie speichernden Kondensators begrenzt ist. Dieser Umstand beruht auf der Tatsache, daß das zulässige elektrische Feld in einem Kondensator oder in einer Übertragungsleitung auf eine bestimmte Höchstspannung E_max begrenzt ist, so daß die maximale Energiedichte u in einem Medium mit einer Dielektrizitätskonstante K wie folgt ausgedrückt wer-

F² K

den kann: u = - . Es kann gezeigt werden,

daß in einem solchen Medium die Ausbreitungsge-

schwindigkeit v_s = ■-=-, so daß die maximale

Energie, die in einer Zeit t einem Verbraucher mit einem Querschnitt A zugeführt werden kann, wie

folgt ausgedrückt werden kann: u=

r; et A E_m

chem I der Gesamtstrom ist, und die gemeinsame Beziehung Q = ^Idt, erhält man das resultierende

Verhältnis Pe = -^— HAQ, wobei A die Plasma-Hieraus ergibt sich, daß ein hoher Wert für die Dielektrizitätskonstante sehr erwünscht ist. Dies wird aber bei der vorliegenden Vorrichtung erreicht. Ferner läßt sich feststellen, daß das übliche Verfahren der Anpassung der Impedanz der Übertragungsleitung an die Impedanz des Kondensators für hohe Werte der Dielektrizitätskonstante K nicht

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angewendet werden kann, da eine solche Bedingung zu einer Überspannung in der Übertragungsleitung führen würde, so daß bei der vorliegenden Vorrichtung eine Übertragungsleitung mit Fehlanpassung verwendet wird, welche aus den Ausgangskabeln 37 besteht. Obwohl eine solche Bedingung normalerweise als nachteilig betrachtet wird, da sie normalerweise zu einer Erhöhung der jeweiligen Entladungszeit führt, ist bei der vorliegenden Vorrichtung, bei welcher die Kondensatorlänge wesentlich größer ist als die Übertragungslänge, keine merkliche Zunahme der Entladungszeit die Folge, wodurch eines der Hauptziele bei der Konstruktion von Kondensatoren erreicht ist. Ferner kann in der vorliegenden Vorrichtung eine Dielektrizitätskonstante von einem außerordentlich hohen Wert, beispielsweise von 5·10⁷, erreicht werden. Aus der voranstehend angegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeitsbeziehung ergibt sich, daß durch übermäßig niedere Werte der Dielektrizitätskonstante die Ausbreitungsgeschwindigkeit übermäßig begrenzt wird. Aus den vorangehend gegebenen Beziehungen ergibt sich, daß bei einer Entladungszeit von etwa 0,1 Mikrosekunde ein Wert von K, der 5-10⁷ beträgt, eine Kondensatorlänge von etwa einigen Millimetern bedingen würde. Da dies bei der vorliegenden Vorrichtung nicht beabsichtigt ist, wird vorzugsweise für die Dielektrizitätskonstante ein Wert von etwa 10⁶ gewählt.

Theoretisch kann ein instabiles Verhalten möglich sein, wenn die Energiedichte des rotierenden Plasmas mit derjenigen des magnetischen Feldes vergleichbar wird, und es kann der Fall eintreten, daß die optimalen Kondensatoreigenschaften nicht erreicht werden, wenn sich die Plasmaenergiedichte etwa der halben Dichte der Feldenergie annähert. Wenn für das magnetische Feld eine Feldstärke von etwa 10' Gauß angenommen wird, würde eine Plasmaenergiedichte von etwa 20 Joule je Kubikzentimeter erzeugt werden. Wenn die Dielektrizitätskonstante K einen Wert von 10⁶ hat, würde eine maximale Spannung von nur etwa 20 Kilovolt je Zentimeter erreicht werden, die in den üblichen Einrichtungen ohne weiteres verwendet werden kann.

Beispielsweise kann für einen Kondensator eine homopolare Geometrie der vorangehend beschriebenen Art als zweckmäßig erachtet werden, bei welcher das Erzielen einer Entladungszeit von 0,1 Mikrosekunde gewünscht ist. Wenn die Dielektrizitätskonstante K mit 10⁶ gewählt wird, würde eine zulässige Kondensatorlänge von einigen Zentimetern erforderlich sein, für welche die Vorrichtung ohne weiteres ausgeführt werden kann. Dieser Wert von K von 10⁶ läßt sich bei H= 100 000 Gauß und einer Wasserstoffdichte von 5 · 10^ie je Kubikzentimeter, wenn innerhalb der Vorrichtung als Gas Wasserstoff oder verschiedene Isotope desselben verwendet werden, leicht erzielen. Wenn das elektrische Feld auf etwa 20 Kilovolt je Zentimeter beschränkt ist, kann die Übertragungsleitung elektrisch begrenzt sein. Der Raumbedarf der Übertragungsleitung kann mit einer geringeren Größe als der Kondensatorraumbedarf angenommen werden, wodurch Übertragungsleitungsverluste selbst bei Übertragungsleitungen von etwa 10 cm Länge wirksam vermieden werden können. Selbst unter diesen Bedingungen ist die elektrostatische Energiedichte in der Übertragungsleitung noch vier Größenordnungen kleiner als in der Spannungsquelle oder im Kondensator, so daß der Verwendung von Übertragungsleitungen keine übermäßigen Anforderungen oder Kriterien entgegenstehen. In der Praxis läßt sich feststellen, daß die homopolare Geometrie der Vorrichtung ähnlich wie bei einer koaxialen Übertragungsleitung ist, bei der Energie an beiden Enden abgenommen wird, so daß mit einer Länge von beispielsweise 5 cm und für einen Betrieb bei 200 000 Volt der Abstand zwischen der Innenelektrode und der Außenelektrode 10 cm betragen würde. Bei einem Innenradius von etwa cm kann daher eine Gesamtenergie von 10⁵ Joule in 0,1 Mikrosekunde geliefert werden, was notwendigerweise einen Strom von einigen Megaampere ergibt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie in einer Rotationsplasma-Vorrichtung mit einer vakuumdichten ringförmigen Kammer zwischen mit radialem Abstand und koaxial zueinander angeordneten Elektroden und mit Einrichtungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das axial durch die Kammer hindurchgeht, in der sich ein ionisierbares Gas befindet und in der eine Bogenentladung durch Anlegung einer hohen Spannung zwischen den Elektroden herbeizuführen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden Spannungsimpulse angelegt werden, daß nach dem Zünden der Bogenentladung infolge des raschen Spannungsanstieges durch den bekannten Schnüreffekt (Pinch-Effekt) das gebildete Plasma in axialer Richtung und infolge einer Spiegelfeldkonfiguration des Magnetfeldes in radialer Richtung von der Kammerbegrenzung weggedrängt und verdichtet wird und daß danach die im rotierenden Plasma gespeicherte Energie kurzzeitig einem Verbraucher zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine hohe Impedanz aufweisende Eingangsübertragungsleitung (29), welche die pulsierende elektrische Leistungsquelle (28) mit den Elektroden (21, 27) verbindet, und durch eine Ausgangs-Übertragungsleitung (37), die die gespeicherte elektrische Energie einem Verbraucher zuführt und eine niedrige Impedanz im Vergleich zu der der Eingangsleitung hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs-Übertragungsleitung (37) aus mehreren koaxialen Kabeln niedriger Impedanz besteht und diese Kabel jeweils in gleichen Abständen voneinander an dem Umfang der inneren Elektrode (27) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (21) die äußere Begrenzung der ringförmigen Kammer (17) aus Metall ist und daß von dieser isoliert nahe der inneren Kammerbegrenzung die innere Elektrode (27) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
The Physical Review, Vol. 79, 1959, S. 186.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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