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Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahles Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahles, insbesondere zur Verwendung
als Plasmarückstoßantrieb für Raumfahrzeuge, bestehend aus einer z-Pinchanordnung
mit einer öffnung, aus der das komprimierte, aufgeheizte Plasma ausgestoßen wird.
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Ist in einem Plasma ein Stromfaden vorhanden, so wird dieser durch
sein ihn kreisförmig umgebendes Magnetfeld infolge der Lorentzkraft zusammengedrückt.
Wird durch äußere Ströme in einem zylindrischen Plasma ein zeitlich veränderliches
magnetisches Längsfeld erzeugt, so induziert dieses im Plasma einen kreisförinig
geschlossenen Strom. Sind dabei die Vektoren der magnetischen Feldstärke und deren
Änderung gleichgerichtet, so wird auch in diesem Fall das Plasma zusammengedrückt.
Diese beiden Erscheinungen werden Pincheffekt genannt, und zwar heißt ersterer z-Pineheffekt
und letzterer Theta-Pincheffekt.
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Aus der Literatur sind z-Pinch-Plasmabeschleuniger und Theta-Pineh-Plasmabeschleuniger
in zylindrischer oder konischer Form bekannt. Mit derartigen Vorrichtungen ist es
möglich, kurzzeitig (einige Mikrosekunden lang) Schübe in der Größenordnung von
10 kp zu erreichen, gegenüber dem etwa 104fachen Schub bei chemischen Raketen.
In der Literatur wird dieser Schub als charakteristisch für die elektromagnetischen
Raumfahrtantriebe angegeben.
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Wird jedoch berücksichtigt, daß bei den heutigen Experimentieranlagen
nur etwa ein Plasmastoß pro Minute abgegeben werden kann, so verringert sich der
erreichbare Dauerschub um etwa den Faktor 10-7. Das reicht zur Bahnkorrektur
von NachrichtensateIliten aus. Um größere Schübe zu erreichen, ist es wesentlich,
Entladungen mit möglichst hoher Frequenz aufeinander folgen zu lassen. Eine hohe
Entladungsfrequenz kann erreicht werden, wenn man nacheinander eine größere Anzahl
von Kondensatoren über dieselbe Anlage entlädt. Die Anzahl der Kondensatoren wird
durch die Forderung einer möglichst geringen Last im Raumfahrzeug beschränkt.
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Viele der bisher vorgeschlagenen Plasmaantriebe für die Raumfahrt
haben mit großen Schwierigkeiten bezüglich der Kühlung und des Elektrodenabbrands
zu kämpfen. Beim Plasmabrenner muß grundsätzlich ein Lichtbogen zwischen zwei Elektroden
brennen. Die Plasmatemperaturen bleiben daher auf 104 bis 2 - 104
' K und dieAusströmgeschwindigkeiten des Plasmas auf etwa 10 km/sec
beschränkt.
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Bei impulsmäßig betriebenen Plasmabeschleunigern mit Elektroden werden
höhere Temperaturen und höhere Ausströmgeschwindigkeiten erzielt, und die Aufheizung
der Elektroden kann kleingehalten werden. Diese Vorteile lassen sich jedoch nur
mit einer wesentlichen Erniedrigung des Schubs erkaufen, da eine Aufheizung der
Elektroden nur verhindert werden kann, wenn die Ausstoßfrequenz kleingehalten wird.
Bei den induktiv betriebenen Plasmabeschleunigern fallen die Elektrodenprobleme
weg. Die Begrenzung des Schubs durch eine maximale Entladungsfrequenz bleibt jedoch
bestehen, da ein neuer Kondensator erst dann entladen werden kann, wenn die Funkenstrecken
des vorigen Kondensators gelöscht sind.
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Um diese Beschränkungen zu beheben, ist erfindungsgemäß eine auf den
Entladungsbereich der z-Pinchanordnung einwirkende Theta-Pinchanordnung vorgesehen,
die mit der z-Pinchanordnung periodisch abwechselnd arbeitet.
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Es ist zwar bereits bekannt, elektromagnetische Kräfte dadurch auf
ein Plasma auszuüben, daß man z- und Theta-Pinch periodisch abwechselnd auf das
Plasma wirken läßt; diese Verfahren sind bisher aber nur im Zusammenhang mit Vorrichtungen
zur Erzeugung und Einschließung von Plasma beschrieben. Dabei wird in dem Entladungsgefäß
zwischen jeweils aufeinanderfolgenden z- und Theta-Pinchphasen eine magnetfeldfreie
Trägheitsphase erzeugt. Diese Trägheitsphase, die eine Überlagerung oder ein anderes
ungünstiges Zusammenwirken der beiden durch den z-Pinch und Theta-Pinch verursachten
Magnetfelder verhindert, kann auch für eine betriebssichere Funktion der vorliegenden
Vorrichtung von Wichtigkeit sein.
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Gegenüber den bekannten nur einen der beiden Pincheffekte ausnutzenden
Plasmabeschleunigem ist es möglich, bei dem vorliegenden zylindrischen bzw. konischen
Wechsel-Pinchplasmastrahlerzeuger die Entladungs- und damit die Ausstoßfrequenz
zu verdoppeln.
Der Theta-Pinch kann bereits einsetzen, wenn die
letzte Funkenstrecke des z-Pinches noch brennt und umgekehrt. Da das Plasma sofort
nach der Kompression aus der Kammer ausgestoßen wird, also nicht wieder zur Wandung
zurückkehrt, sondern axial entweicht, ist eine magnetfeldfreie Phase zwischen der
z- und der Theta-Pinchphase nicht unbedingt erforderlich. Jedoch kann die Entladungsfrequenz
mit ihrer Hilfe noch etwas gesteigert werden. Die Ausstoßfrequenzen können größenordnungsmäßig
zwischen 104 und 105 pro Sekunde liegen und sind im wesentlichen nur durch
die Dimensionierung der zugehörigen Auflade- und Zündvorrichtung beschränkt. Im
Gegensatz zu den bekannten Plasma-Einschließungsvorrichtungen muß bei dem vorliegenden
Plasmastrahlerzeuger für ein kontinuierliches Nachströmen von, insbesondere vorionisiertem,
Treibgas gesorgt werden. Dazu können ein oder mehrere Einlaßöffnungen vorgesehen
sein. Für die zylindrischen oder konischen Plasmastrahlerzeuger sind zur Erzeugung
des Theta-Pinches Wicklungen und zur Erzeugung des z-Pinches Elektroden vorgesehen.
In diesen Beschleunigern tritt also wieder das Problem der für einen Dauerbetrieb
störenden Elektrodenauffieizung auf. Diese läßt sich vermeiden, wenn der Plasmastrahlerzeuger
eine toroidale Form erhält. Die toroidalen Anordnungen kommen ganz ohne Elektroden
aus. In der toroidalen Beschleunigungskammer wird sowohl der Theta-Pinch als auch
der z-Pinch elektrodenlos, d. h. rein induktiv, erzeugt. Zur Erzeugung des
z- bzw. des Theta-Pinches dienen dabei z- und Theta-Spulen, deren Windungen aufeinander
senkrecht stehen.
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Um ein ungünstiges Zusammenwirken der beiden durch den z-Pinch bzw.
den Theta-Pinch im Torus erzeugten Magnetfelder zu vermeiden, wird zwischen jeweils
aufeinanderfolgenden z- und Theta-Pinchphasen die obengenannte magnetfeldfreie Trägheitsphase
eingefügt.
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Der toroidförmige Plasmastrahlerzeuger hat auf seinem Umfang ein oder
mehrere Öffnungen zum Einlassen von insbesondere vorionisiertem Treibgas und ein
oder mehrere öffnungen zum Ausstoßen des komprimierten Plasmas. Um das Plasma aus
den Torusöffnungen auszustoßen, wird die Tatsache benutzt, daß im Torus sowohl beim
z-Pinch als auch beim Theta-Pinch das Plasma an die äußeren Wände getrieben wird.
Beim z-Pinch deshalb, weil sich ein geschlossener Stromring infolge der eigenmagnetischen
Kräfte ausdehnt, beim Theta-Pinch deshalb, weil das inhomogene toroidale Magnetfeld
eine Drift nach außen erzeugt. Das toroidale Magnetfeld ist nämlich an der Innenseite
des Torus stärker als an dessen Außenseite. Diese Effekte, die bei den bekannten
Untersuchungen zur kontrollierten Kernfusion stören, sind in den Plasmaaustrittsstellen
der Vorrichtung nach der Erfindung erwünscht. Durch eine besondere Konstruktion
des Entladungsgefäßes kann die Wirkung dieser Effekte noch verstärkt werden. So
können z. B. die Windungen der Theta-Pinchanordnung an den Austrittsöffnungen weiter
sein als am übrigen Gefäß. Durch eine solche Anordnung der Theta-Spule erhält der
Theta-Pinch an der Austrittsöffnung eine konische Gestalt, wodurch wegen des resultierenden
Feldlinienverlaufes das Ausströmen des Gases begünstigt wird. Da die z-Pinch-Windungen
an den Austrittsöffnungen an der Innenseite des Torus dichter liegen als an der
Außenseite, wird auch durch die von dessen Windungen herrührenden Felder ein verstärktes
Ausströmen des Plasmas aus der Ausstoßöffnung bewirkt.
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Im folgenden werden an Hand von schematischen Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung nach der Erfindung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen
konischen Plasmastrahlerzeuger, F i g. 2 einen toroidalen Plasmastrahlerzeuger,
F i g. 3 eine Schaltung für die Vorrichtung nach F i g. 2, F i
g. 4 einen toroidalen Plasmastrahlerzeuger mit magnetischer Spiegelfeld-Konfiguration.
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Die Fig. 1 zeigt einen konischen Plasmastrahlerzeuger, dessen
z-Pinchelektroden mit 1, dessen Theta-Pinchspule mit 2, dessen konische Wandung
mit 3, dessen Austrittsöffnung für das komprimierte Plasma mit 4 und dessen
Öffnungen zum Nachströmen, insbesondere von vorionisiertem, Gas mit 5
bezeichnet
sind. Die Wandung 3 kann z. B. aus Quarzglas bestehen. In der Zuleitung
6 für die Elektroden und der Zuleitung 7 für die Spule sind Funkenstrecken
8 und Kondensatoren 9 angedeutet. Die Kondensatoren können aus nicht
gezeichneten Stromquellen aufgeladen werden. Die Funkenstrecken 8 werden
durch eine nicht gezeichnete Anlage, z. B. eine ähnliche Schaltung, wie sie in F
i g. 3
gezeichnet ist, gezündet. Diese Anlage wird derart dimensioniert, daß
die Ströme der jeweils aufeinanderfolgenden Pinche um 901 geometrisch gegeneinander
gedreht sind.
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Die F i g. 2 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel eines
toroidalen Plasmastrahlerzeugers mit einer Austrittsöffnung 10 für das komprimierte
Plasma. Im Torus sind rechts die Windungen 11 der z-Pinch-Spule und links
die Windungen 12 der Theta-Pinchspule gezeichnet. In Wirklichkeit überdecken beide
Spulen den ganzen Torus. Die Windungen der z- und der Thetaspulen, deren Zuleitungen
nicht gezeichnet sind, stehen aufeinander senkrecht. Durch die Spulen
11 und 12 können z. B. bei Spannungen von 20 bis 40 Kilovolt Ströme der Größenordnungen
von 100 Kiloampere fließen. Die einzelnen Windungen 11 und 12 der
z- und Theta-Pinehspulen sind vorzugsweise parallel geschaltet, um eine kleine Spuleninduktivität
und damit eine große Anstiegsgeschwindigkeit des Spulenstroms zu erhalten. Insbesondere
können diese Windungen bandförmig ausgebildet sein. Zur Erniedrigung der Induktivität
der Spulenzuleitungen werden diese zweckmäßig als Koaxialkabel ausgebildet. An der
Austrittsöffnung 10 sind die z-Pinchwindungen mit 13 und die Theta-Pinchwindungen
mit 14 bezeichnet. Wie dargestellt, können die Windungen 14 des Theta-Pinches an
der Austrittsöffnung 10 weiter sein als am übrigen Gefäß. Auch liegen die
z-Pinchwindungen 13
an der Austrittsöffnung des Torus an dessen Innenseite
dichter als an dessen Außenseite. Durch die hier in einem Ausführungsbeispiel dargestellte
Windungsführung an der Austrittsöffnung des Torus kann ein verstärktes Ausströmen
des Plasmas hervorgerufen werden. Im Gehäuse 16 des Torus ist bei
17 eine öffnung zum Einströmen von insbesondere vorionisiertem Gas vorgesehen.
Der Radius der Torusseele 18 ist mit R und der Radius des Torusrohres mit
r bezeichnet. Bei dem toroidalen Plasmastrahlerzeuger hat das Plasma längs der Torusseele
einen Weg von maximal -t - R zurückzulegen, während
der
Weg beim Pinch maximal r beträgt, also weit geringer ist. Das gleiche Plasmateilchen
kann also mehrere Male vom Pinch erfaßt werden, bevor es die Austrittsöffnung erreicht.
Im zylindrischen bzw. konischen Theta-Pinch-Plasmabeschleuniger sind beide Wege
etwa gleich.
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Die F i g. 3 zeigt eine schematisierte Schaltung für die Vorrichtung
nach F i g. 2. Bei 11 ist die z-Pinchspule des toroidalen Plasmabeschleunigers
und bei 12 dessen Theta-Pinchspule symbolisiert. Die einzelnen Windungen der z-
sowohl als auch der Thetaspule sind im gezeichneten Beispiel parallel geschaltet.
In dem Schaltbild sind gezeichnet ein handelsüblicher Impulsgenerator 22, Funkenstrecken
23 bis 30, Kondensatoren 31 bis 34, handelsübliche Verzögerungsgeräte
35 bis 38 und induktive Spannungsgeber39 bis 42. Durch ein Startsignal
vom Impulsgenerator 22 wird die Funkenstrecke 25 gezündet. Der Kondensator32
entlädt sich über die z-Pinchspule20, und diese erzeugt einen z-Pinch. Die Induktivitäten
und Widerstände der Spulenwindungen, Kondensatoren, Funkenstrecken und Zuleitungen
sind nicht gezeichnet. Die Entladung des Kondensators 32 liefert ein Eingangssignal
für das Verzögerungsgerät 36. Dieses Eingangssignal wird durch den induktiven
Spannungsgeber 40, der z. B. als Rogowski-Spule ausgebildet sein kann, hervorgerufen.
Das Verzögerungsgerät 36 erzeugt zwei untereinander verzögerte Ausgangsimpulse.
Der erste verzögerte Impuls triggert die Kurzschlußfunkenstrecke 26 und der
zweite, zeitlich abermals etwas verzögerte Impuls triggert die Funkenstrecke
28 und führt so zur Entladung des Kondensators 33 über die Theta-Pinchspule
21 und erzeugt einen Theta-Pinch. Dadurch, daß die Funkenstrecke 26, die
bei Auslösung die z-Pinchspule kurzschließt, getriggert wird, bevor der Theta-Pinchkreis
ausgelöst wird, ist also zwischen z- und Theta-Pinch eine magnetfeldfreie Phase
eingefügt. Der Entladungsstrom des Kondensators 33
ruft außerdem in dem induktiven
Spannungsgeber 41 ein Eingangssignal für das Verzögerungsgerät 37 hervor.
Dieses Verzögerungsgerät erzeugt wiederum zwei gegen das Eingangssignal und untereinander
verzögerte Ausgangsimpulse. Der erste von diesen triggert die Kurzschlußfunkenstrecke
27 und der zweite abermals verzögerte Impuls triggert den nächsten z-Pinchkreis
über die Funkenstrecke 23. Dadurch entlädt sich der Kondensator
31 über die z-Pinchspule 20 und erzeugt einen neuen z-Pinch. Die Entladung
des Kondensators 31 liefert ein Eingangssignal über den induktiven Spannungsgeber
39
für das Verzögerungsgerät 35. Dieses erzeugt wiederum zwei Ausgangsimpulse.
Der erste verzögerte Impuls triggert die Kurzschlußfunkenstrecke 24 und der zweite
die Funkenstrecke 30 und führt so zur Entladung des Kondensators 34. Der
Kondensator 34 entlädt sich über die Theta-Pinchspule 21 und erzeugt wieder-um einen
Theta-Pinch. Der Entladungsstrom des Kondensators 34 erzeugt über den induktiven
Spannungsgeber 42 einen Eingangsimpuls für das Verzögerungsgerät 38. Dieses
gibt wiederum zwei gegeneinander verzögerte Ausgangsimpulse ab, von denen der erste
die Kurzschlußfunkenstrecke 29
und der zweite einen nicht gezeichneten weiteren
z-Pinchkreis triggert.
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Eine weitere Ausführungsform des toroidalen Plasmastrahlerzeugers
ist in F i g. 4 gezeichnet. Dieses Beispiel zeigt, wie an den geschlossenen
Stellen des Torus eine Drift des Plasmas nach außen unterdrückt werden kann. In
F i g. 4 sind die Wicklungen der z- und Thetaspulen nicht gezeichnet; sie
sind je-
doch ebenso angebracht zu denken wie in F i g. 2. Zusätzlich
zu den Windungen der Thetaspulen von F i g. 2 sind in F i g. 4 einzelne
schmale Spulen 50
um das Torusrohr gelegt, deren Abstände in der Größenordnung
des Torusrohrdurchmessers gewählt sind. In der Nähe der Torusaustrittsöffnung
10 für das komprimierte Plasma haben die Spulen 50 einen größeren
Radius als am übrigen Torus; sie sind an dieser Stelle mit 51 bezeichnet.
Die Spulen 50 werden über nicht gezeichnete Zuleitungen von einem stärkeren
Strom durchflossen als die Thetaspulen 12 nach F i g. 2. Auf diese Weise
kann rings um den Torus eine Folge von Spiegelfeldem entstehen. Eine solche Spiegelfeldkonfiguration
hat günstigere Einschließungseigenschaften als ein rein toroidales Magnetfeld und
verhindert, daß das in F i g. 4 mit 52 bezeichnete Plasma an den geschlossenen
Stellen des Torus zur Toruswand sich bewegt.
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Außer als Plasmaantrieb für die Raumfahrt kann der Plasmastrahlerzeuger
nach der Erfindung auch als Vorschaltgerät für einen magnetohydrodynamischen Generator
dienen. In diesem Falle wird die kinetische Energie des aus der Austrittsöffnung
des Plasmabeschleunigers austretenden Treibstrahls in elektrische Energie verwandelt,
wenn im Plasma exotherme Prozesse stattfinden. Auch können die aus dem erfindungsgemäßen
Plasmabeschleuniger austretenden Plasmastrahlen zu einer Oberflächenbehandlung verwendet
werden. Der große Vorteil der so benutzten Vorrichtung liegt darin, daß die periodisch
bzw. impulsmäßig aus dem Beschleuniger ausgestoßenen Plasmastrahlen sehr genau dosierbar
sind. Schließlich ist es möglich, die Vorrichtung auch als toroidalen z-Pinchbeschleuniger
oder als toroidalen Theta-Pinchbeschleuniger zu betreiben, also nur jeweils eine
Art des Pinches zu verwenden.