DE1206532B - Verfahren und Vorrichtung zum Beschleunigen der elektrisch geladenen Teilchen eines ionisierten Gases - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05h

Deutsche Kl.: 21g-21/01

Nummer: 1206 532

Aktenzeichen: C 32750 VIII c/21 g

Anmeldetag: 28. April 1964

Auslegetag: 9. Dezember 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, mit dessen Hilfe die elektrisch geladenen Teilchen eines ionisierten Gases in einer bevorzugten Richtung beschleunigt werden können, und auf Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen und damit zur Erhöhung ihrer Energie sind verschiedene Verfahren bekannt. Dazu gehört auch die gleichzeitige Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes und eines statischen Magnetfeldes, dessen Richtung parallel zum Gradienten der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes liegt. Dabei erfährt jedes Plasmateilchen eine Kraft, die für den Fall, daß es sich in einem Bereich befindet, in dem seine Zyklotronfrequenz, d. h. seine natürliche Rotationsfrequenz im Magnetfeld, höher ist als die Frequenz des elektromagnetischen Feldes, parallel zum Gradienten dieses Feldes gerichtet ist und das Teilchen in ein Gebiet mitnimmt, wo das elektrische Wechselfeld seinen Maximalwert besitzt.

Das vorliegende Verfahren bedient sich zur Beschleunigung der elektrisch geladenen Teilchen eines ionisierten Gases in eine bevorzugte Richtung einer Anordnung von gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, wobei ein rotationssymmetrisches statisches Magnetfeld mit zur Beschleunigungsrichtung parallelen Feldlinien gleichzeitig mit einem elektrischen Hochfrequenzfeld erzeugt wird, dessen elektrische Kraftlinien senkrecht auf den Magnetfeldlinien des statischen Feldes stehen und das in Richtung der Rotationsachse des Magnetfeldes einen Gradienten aufweist, der teils parallel, teils antiparallel zur Richtung der Kraftlinien des Magnetfeldes ausgerichtet ist. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich, in dem die Richtung des statischen Magnetfeldes gleich ist der Richtung des Gradienten des HF-Feldes, eine Magnetfeldstärke erzeugt wird, auf Grund derer in diesem Bereich die Zyklotronfrequenz der Elektronen größer ist als die Frequenz des HF-Feldes, und daß in dem Bereich, in dem die Richtung des statischen Magnetfeldes und des Gradienten des HF-Feldes entgegengesetzt gerichtet sind, eine Magnetfeldstärke erzeugt wird, auf Grund derer die Zyklotronfrequenz der Elektronen in diesem Bereich kleiner ist als die Frequenz des HF-Feldes.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines Plasmabeschleunigers, der insbesondere als Raumfahrtantrieb verwendbar ist und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens darstellt, Verfahren und Vorrichtung zum Beschleunigen
der elektrisch geladenen· Teilchen eines
ionisierten Gases

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

(Frankreich);

The Boeing Company, Seattle, Wash. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Terenzio Consoli, Paris (Frankreich);

Richard B. Hall, Bellevue, Wash. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 29. April 1963 (933 090)

F i g. 2 eine graphische Darstellung, die die Änderungen der Amplitude E der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes längs der Achse des Beschleunigers der F i g. 1 zeigt,

F i g. 3 eine graphische Darstellung, die die Änderung des Verhältnisses der Zyklotronfrequenz zur Frequenz des elektrischen Feldes in Abhängigkeit vom Ort Z auf der Rotationsachse des Magnetfeldes zeigt,

F i g. 4 eine schematische Ansicht (im Längsschnitt) einer Vorrichtung mit zwei Plasmabeschleunigern der in F i g. 1 dargestellten Art, die zur Einführung eines Plasmas in eine »magnetische Flasche« geeignet ist,

F i g. 5 eine schematische Ansicht (im Längsschnitt) einer Vorrichtung mit einem Plasmabeschleuniger gemäß F i g. 1, die zum Auspumpen eines neutralen Gases aus einem Behälter geeignet ist.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen zylindrischen Hohlraumresonator 1, der — bezogen auf seine Längsachse — als Rotationskörper ausgebildet ist und zwei auf dieser Achse senkrecht stehende, einander gegenüberliegende Öffnungen 2 und 3 aufweist. Eine schematisch als Plasmagenerator 4 dargestellte Quelle von zu beschleunigenden Teilchen versorgt den Hohlraumresonator 1 über eine

509 757ß30

3 4

Leitung 8, die mit der Öffnung 2 verbunden ist. Die führungsbeispiel eine Länge auf, die einer halben Leitung 8 reicht in das Innere des Resonators mit Wellenlänge entspricht und gemäß TE 111 in Resoeinem Rohr 8A hinein, das aus einem für hochfre- nanz gerät: Die Änderung des elektrischen Feldes E quente elektromagnetische Schwingungen durchlas- längs der Längsachse ζ des Hohlraumes ist in F i g. 2 sigen Material besteht, beispielsweise aus Quarz oder 5 dargestellt, in der man erkennt, daß der Gradient VE Spezialglas. Der Resonator selbst besteht beispiels- dieses Feldes längs des Hohlraumes 1 etwa Sinusform weise aus Kupfer und ist an seiner Innenseite versilbert. aufweist: Das Feld ist bei O im Bereich der Öffnung 2 Der Plasmagenerator 4 dient dazu, ein Plasma AA von gleich Null, erreicht einen maximalen Wert in der geladenen Teilchen in das Rohr 8^4 einzuführen, und mittleren Querebene des Hohlraumes und wird zwar längs einer Richtung, die etwa parallel zur io wiederum Null im Bereich der öffnung 3. Der Gra-Längsachse des Hohlraumresonators verläuft. Die dient VE ist somit von beiden Seiten nach der Mittel-Teilchen können entweder positiv oder negativ oder ebene zu gerichtet. Der Gradient des magnetischen auch nur mit einer dieser beiden Polaritäten geladen Feldes hat im Gegensatz hierzu über die ganze Länge sein; im letzteren Falle muß ein Neutralisationskreis des Hohlraumes die gleiche Richtung; der Gravorgesehen werden, um zu verhindern, daß sich der 15 dient VE weist infolgedessen in der links von der Apparat auflädt. In dem Hohlraumresonator herrscht Mittelebene gelegenen Hälfte des Hohlraumes die ein Magnetfeld, dessen Kraftlinien etwa parallel zur gleiche Richtung auf wie das Magnetfeld und in der Längsachse des Hohlraumes verlaufen. Bei dem Aus- anderen Hälfte die entgegengesetzte Richtung,
führungsbeispiel gemäß F i g. 1 wird dieses Feld durch Gleichung (1) zeigt, daß bei einem gleichförmigen eine Spule 5 erzeugt, die von einer Gleichstromquelle 7 20 Magnetfeld, bei dem b längs des ganzen Hohlraumes gespeist wird. Wie nachstehend noch näher erläutert größer als 1 jst, und einem Gradienten VE die wird, muß das Magnetfeld einen Gradienten längs der mittlere Kraft F, die auf ein in den Hohlraum durch Längsachse aufweisen; es muß also längs dieser die Öffnung 2 eintretendes Elektron wirkt, dieses Achse eine veränderliche Stärke besitzen. Die Ände- Elektron in allen Punkten der ersten Hälfte, d. h. bis rung der Stärke kann man dadurch erreichen, daß man 25 zur Mittelebene, beschleunigt, und es dann verlangder Spule an einem Ende eine größere Anzahl von samt: das Elektron verläßt den Hohlraum über die Windungen pro Längeneinheit gibt als am anderen Öffnung 3 und besitzt eine Geschwindigkeit, die gleich Ende, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist; es können der bei seinem Eintritt ist. Damit die Kraft F ständig selbstverständlich auch andere konstruktive Lösungen beschleunigend, d. h. in gleichem Sinne, wirkt, muß mit Spulen oder Magneten vorgesehen werden. Ein 30 sich die Amplitude von b längs der Achse des Hohl-Hochfrequenzgenerator 6 ist mit dem Hohlraum über raumes nach einem im folgenden abgeleiteten Gesetz ein Koaxialkabel 6A verbunden, das in einem belie- ändern.

bigen Kupplungsorgan, beispielsweise einem Bügel 6B Eine Analyse der Kräfte, die auf ein geladenes

endet. Hierdurch wird in dem Hohlraum IA ein hoch- Teilchen wirken, das sich in unmittelbarer Nähe der

frequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. 35 Längsachse des Hohlraumes und in einer Querebene

Es handelt sich hierbei um ein elektrisches Querfeld befindet, die als Mittelebene betrachtet werden kann,

(abgekürzt TE); das elektrische Feld E ist also in einer gestattet eine nähere Untersuchung dieses Problems,

quer zur Längsachse des Hohlraumes IA liegenden Für diese Ebene kann man annehmen, daß die Stärke B

Ebene polarisiert. Die elektrische Feldstärke weist des Magnetfeldes so ist, daß die Zyklotronfrequenz f_c

einen koaxial zum Hohlraum 1 liegenden Gradien- 40 gleich der Frequenz/des an den Hohlraum angelegten

ten VE in Richtung der Rotationsachse Z de elektromagnetischen Feldes ist. Die Gleichung (1) wird

Magnetfeldes auf. Die mittlere Kraft F, die während in diesem Falle unbestimmt und muß durch folgenden

einer Periode durch das elektromagnetische Wechsel- Ausdruck für die Kraft Fi ersetzt werden:

feld, das den Absolutbetrag E der elektrischen Feld- ρ _ ρ , r-

stärke aufweist, auf ein Teilchen mit der Ladung e 45 ^{i ω} "*" ^b'

ausgeübt wird, ist durch die folgende Gleichung Hierbei bedeuten:
bestimmt:

^{2 δ}

50 und
Hierbei bedeutet KE dB

e = Ladung des Teilchens, die bei einem Elektron B dz

gleich 4,8025 · 10-¹⁰ elektrostatische Einheiten

im CGS-System ist; In den Gleichungen (2) und (3) bedeutet -j~ die

m = Masse des Teilchens, die bei einem Elektron ⁵ _x. „ .,, .^ , , ^ ~. , ~ , . ^z,..

gleich 9 1076 · 10-²⁸ 2 ist· partielle Ableitung der betreffenden Funktion längs

co = Kreisfrequenz des elektromagnetischen Feldes, ^dF £^chs? ^{Oz de}j Hohlraumes. Diese Achse längs der

die mit der Frequenz/ durch die bekannte die Emtntts-und Austrittsoffnungen angeordnet smd

Beziehung verknüpft ist· ω = 2 π /· ^lst P^{osltlv von der offnun}g ^{2 zur} Öffnung 3 gerichtet.

f — Zyklotronfrequenz· ^6o ^^e Kraft ^* i^st die Summe der auf dem elektromagne-

E = Absolutbetrag (in' Volt/cm) der elektrischen tischen Fdd mit der Kreisfrequenz o, beruhenden

Feldstärke des elektromagnetischen Feldes; ^VA^t f ΛΗ f^atlsc^ⁿ Magnetfeld5

f_c beruhenden Kraft Fb. Der Faktor KE stellt die Quer-

b = Verhältnis von -~. komponente der kinetischen Energie des Elektrons

65 dar, die auf die Komponente der Geschwindigkeit

Der Hohlraum IA, dessen Länge eine ganze Zahl des letzteren zurückzuführen ist, das Zyklotronfre-

von Halbwellenlängen des elektromagnetischen Feldes quenz hat. Ist ein starkes elektromagnetisches Feld

sein muß, weist bei dem in F i g. 1 dargestellten Aus- vorhanden, so wird das Amplitudenverhältnis der

Kräfte Ff, und F annähernd durch folgende Gleichung bestimmt:

(1 + b²)

_ b

F₁₀

ab

. , ab

2kb{l-b) cotn kz + b ^

Hierbei ist k die Zahl der Wellenlängen, d. h. -j

(also -J- für den angenommenen Hohlraum, dessen Länge L gleich — ist)

Da der Wert der Zyklotronkreisfrequenz m_c proportional dem statischen Magnetfeld B ist, ist die

Vanable b = —- mit diesem Feld B verknüpft;

das Verhältnis « =

hängt infolgedessen vom

^{6 6}

Anstieg des statischen Magnetfeldes B als Funktion der Variablen ζ ab. Um « einen numerischen Wert beizulegen und eine konstante Richtung für die Kraft Ft beizubehalten, muß man ein Profil des in Abhängigkeit von ζ veränderlichen statischen Magnetfeldes entsprechend einer Gleichung b = / (J) wählen, die beispielsweise wie folgt lauten kann:

b — b + -^- 2 (1 — b ) .

Hierbei ist b₀ der Wert von b, der an der Eintrittsstelle der Teilchen gemessen wird, an der das statische Magnetfeld seinen maximalen Wert besitzt, λ ist die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes, ausgedrückt in Zentimeter und allgemein in der Größenordnung von 10 bis 20 cm.

Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt die Änderung von b als Funktion von

hierbei ist b₀ gleich 1,3. Nach diesem Diagramm ist b in der Mittelebene des Hohlraumes gleich 1. Die Stärke des statischen Magnetfeldes in dieser Ebene muß daher so sein, daß die Zyklotronfrequenz f_c der Elektronen dort gleich der Frequenz / des elektromagnetischen Feldes ist. Die Neigung der Kurve gemäß F i g. 3 zeigt ferner, daß der Gradient VB des statischen Magnetfeldes B koaxial zum Hohlraum liegt und eine konstante Richtung besitzt. Die Stärke des statischen Magnetfeldes B hat daher in der Mittelebene den der Zyklotronresonanz entsprechenden Wert.

Da die gewählte Verteilung für das statische Magnetfeld eine konstante Richtung _ der Kraft Fi gewährleistet, werden die durch die Öffnung 2 in den Hohlraum eintretenden geladenen Teilchen einer Kraft unterworfen, die sie ständig nach rechts führt (in umgekehrter Richtung des Gradienten VB). Die Elektronen des Plasmas werden jeweils einer Kraft F_{ unterworfen, die durch die obige Formel gegeben ist, wobei m und e die Masse bzw. die Ladung des Elektrons bedeuten. Die im Plasma enthaltenen Ionen werden unter dem Einfluß der Raumladung, die sich aus der bevorzugten Beschleunigung der Elektronen durch das elektromagnetische Feld ergibt, beschleunigt. Die Gleichung (1) zeigt, daß die auf ein Teilchen wirkende Kraft umgekehrt proportional zu seiner Masse ist; ein Elektron, dessen Masse wesentlich kleiner als die eines Ions ist, wird daher viel rascher beschleunigt werden als ein Ion, solange es das zusammenhängende Raumladungsfeld nicht verlangsamt: Die Ionen werden mitgezogen und beschleunigt durch die mit den Elektronen verbundene Raumladung und _{1Q unt}erliegen einer Kraft gleicher Richtung wie die ^f/stärke _des statischen Magnetfeldes in der mittleren Querebene des Hohlraumes kann selbstverständlich so gewählt werden (also einen geringeren Wert als für die Elektronen), daß die Zyklotronfrequenz der Ionen dort gleich der Frequenz des elektromagnetischen Feldes ist; Richtung und Gradient _{des statischen} Magnetfeldes bleiben so wie oben

^f*^{: O}f ^{Ionen des Plasmas werden dann direkt} ao beschleunigt.

Die Teilchenquelle 4 kann in verschiedener Weise ausgebildet sein. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet man insbesondere einen Plasmagenerator oder einen Erzeuger von neutralem Gas (Edelgas); der Strahl dieses Gases wird im Innern des Hohlraumes zwischen den öffnungen 2 und 3 unter der Wirkung des dort herrschenden hohen elektrischen Feldes ionisiert. In dem Gebiet nahe der mittleren Querebene des Hohlraumes, wo die Resonanzfrequenz der Elektronen gleich der Zyklotronfrequenz f_c ist, wird die Ionisation bevorzugt erfolgen.

In allen diesen Fällen werden die Teilchen durch die

öffnung 3 mit einer Geschwindigkeit ausgeschleudert, die über ihrer Eintritfsseschwindigkeit liegt und deren Wert von der aufgewendeten elektromagnetischen Leistung abhängt. Die auf diesem Ausstoß der Teilchen beruhende Wirkung, die sich auf die Wand des Hohlraumes auswirkt, liefert einen Impuls, der zu Antriebszwecken benutzt werden kann: Der Überspannungskoeffizient für einen Hohlraum von 10 cm Durchmesser liegt bei etwa 10³ und eine aufgewendete elektromagnetische Leistung von etwa 200 kW liefert eine Schubkraft von etwa 0,02 Newton. Die Vorrichtung ist insbesondere als Raumfahrtantrieb verwendbar.

F i g. 4 zeigt eine Vorrichtung, die zwei Teilchenbeschleuniger enthält, die mit einer »magnetischen Flasche« verbunden sind, die zur Begrenzung eines Plasmas dient. Der erste Teilchenbeschleuniger der in der F i g. 4 links von der magnetischen Flasche angeordnet ist, enthält einen Hohlraumresonator 1 mit einem Hohlraum IA, der eine Eintrittsöffnung 2 und eine Austrittsöffnung 3 enthält, die längs der Längsachse des Hohlraumes aufeinander ausgerichtet sind.

Eine erste Plasma- oder Teilchenquelle 4 liefert einen Plasmastrahl 4 A in den Hohlraum IA durch die Eintrittsöffnung 2. Eine von einer Gleichspannungsquelle 7 gespeiste Spule 5 liefert das axiale Magnetfeld. Das elektrische Feld wird durch einen Hochfrequenzgenerator 6 geliefert, der mit dem Hohlraum IA über einen Wellenleiter 6 A verbunden ist. Die Austrittsöffnung des ersten Beschleunigers steht mit einer Kammer 18 A in Verbindung, die durch eine Wand 18 von beispielsweise elliptischem Querschnitt begrenzt wird. Die Wand 18 kann direkt mit der Plasmaquelle 4 über einen im Inneren des Hohlraumes IB angeordneten Teil 8A verbunden sein, der aus einem Material besteht, das für die hochfrequente

elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Das Magnetfeld zur Begrenzung des Plasmas wird durch ein geeignetes System geliefert, das durch eine Spule 19 schematisch veranschaulicht ist.

Das rechte Ende der Kammer ISA ist mit einem zweiten Beschleuniger verbunden, der mit dem erstgenannten identisch ist.

Es liegt auf der Hand, daß an Stelle von zwei Beschleunigern auch ein einziger verwendet werden kann, wenn für die magnetische Flasche ein geeignetes to Spulensystem benutzt wird.

Die in F i g. 5 dargestellte Vorrichtung enthält einen Plasmabeschleuniger, der identisch mit dem in F i g. 1 dargestellten ist. Dieser Beschleuniger ist über seine Eintrittsöffnung 2 mit einer Kammer 39^4 verbunden, die durch eine Wand 39 begrenzt wird und ein elektrisch neutrales Gas unter niedrigem Druck enthält. Dieses Gas wird beim Durchtritt durch den Hohlraum IA, vorzugsweise in der Nähe der Mittelebene dieses Hohlraumes, durch das hohe elektrische Feld ionisiert. Das so gebildete Plasma wird beschleunigt und durch die Öffnung 3 ausgestoßen. Die Vorrichtung pumpt somit das Gas aus der Kammer 39 A. Das aus dem Hohlraum 1A durch die Leitung 2 ausgestoßene Plasma vereinigt sich wieder zu neutralem Gas und wird sodann durch eine übliche Pumpe 40 abgesaugt und bei 41 ausgestoßen. Die Vorrichtung ermöglicht somit die Herstellung eines besseren Vakuums, als dies mit üblichen Pumpen erreichbar ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Beschleunigen der elektrisch geladenen Teilchen eines ionisierten Gases in eine bevorzugte Richtung mit Hilfe einer Anordnung von gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, bei dem ein rotationssymmetrisches statisches Magnetfeld mit zur Beschleunigungsrichtung parallelen Feldlinien gleichzeitig mit einem elektrischen Hochfrequenzfeld erzeugt wird, dessen elektrische Kraftlinien senkrecht auf den Magnetfeldlinien des statischen Feldes stehen und das in Richtung der Rotationsachse des Magnetfeldes einen Gradienten aufweist, der teils parallel, teils antiparallel zur Richtung der Kraftlinien des Magnetfeldes ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich, in dem die Richtung des statischen Magnetfeldes gleich ist der Richtung des Gradienten des HF-Feldes, eine Magnetfeldstärke erzeugt wird, auf Grund derer in diesem Bereich die Zyklotronfrequenz der Elektronen größer ist als die Frequenz des HF-Feldes, und daß in dem Bereich, in dem die Richtung des statischen Magnetfeldes und des Gradienten des HF-Feldes entgegengesetzt gerichtet sind, eine Magnetfeldstärke erzeugt wird, auf Grund derer die Zyklotronfrequenz der Elektronen in diesem Bereich kleiner ist als die Frequenz des HF-Feldes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich, in dem die Amplitude des elektrischen Wechselfeldes ein Maximum oder ein Minimum hat, auf Grund entsprechender Bemessung der Stärke des statischen Magnetfeldes die Zyklotronfrequenz der Elektronen gleich ist der Frequenz des HF-Feldes.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß rotationssymmetrisch zur Achse des beschleunigten Teilchenstrahlbündels ein zylindrischer Hohlraumresonator mit Außen- und Innenleiter vorgesehen ist, durch dessen zylindrischen Innenleiter das Gas strömt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter des Hohlraumresonators von einer von Gleichstrom durchfiossenen Spule oder von einem Permanentmagneten umgeben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegeneinander gerichtete Beschleuniger an den beiden Enden einer sogenannten »magnetischen Flasche« angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Beschleuniger mit einem auszupumpenden Behälter verbunden ist, aus dem er Gas ansaugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 757/330 11.65 © Bundesdruckerei Berlin