-
Vorrichtung zur Erzeugung von Neutronen mit Hilfe von Kernreaktionen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Neutronen mit Hilfe von
Kernreaktionen, die elektrisch beschleunigte, zusammenstoßende Ionen auslösen, welche
aus einem evakuierten Gefäß besteht, dessen von elektrischen Feldern freier rohrförmiger
Mittelteil von einem axial gerichteten Magnetfeld durchsetzt ist und an dessen beiden
entgegengesetzten Enden elektrische Felder mit einem axial nach außen gerichteten
positiven Gradienten der Feldstärke angeordnet sind, welche den zu Bündeln zusammengefaßten
Ionen eine periodische Pendelbewegung von einem Ende zum anderen Ende aufzwingen.
-
Es ist bekannt, daß bei einem Aufprall oder einem Zusammenstoß von
Ionen relativ leichter Elemente mit geeigneten Energien die Wahrscheinlichkeit einer
nuklearen Fusion, begleitet von der Aussendung eines Neutronenflusses, besteht.
Reaktionen dieser Art sind mit genügender Wahrscheinlichkeit besonders zwischen
Deuteronen oder Tritonen möglich oder zwischen zwei Deuteronen unter Erzeugung eines
Tritons in einer Zwischenreaktion. Dieses Prinzip wird vorwiegend bei Vorrichtungen
angewandt, bei denen die Zusammenstöße zwischen den Ionen in Plasmaumgebung, d.
h. innerhalb einer elektrisch neutralen Umgebung aus Ionen und freien Elektroden,
erzeugt wurden. Energiebetrachtungen haben jedoch gezeigt, daß die Anwesenheit von
Elektroden in diesem Fall die Erhaltung der Gesamtenergie und die Ionenerhaltung
innerhalb der Wechselwirkungszone schädlich ist. Demzufolge bestand bei bekannten
Vorrichtungen dieser Art nur eine geringe Reaktionswahrscheinlichkeit, und der Ausstoß
war gering.
-
Es ist bereits bekanntgeworden, Neutronen durch Zusammenstöße zweier
Ionenstrahlen zu erhalten, d. h. durch Zusammenstöße zwischen Ionen innerhalb einer
Ionenwoike, die so rein wie möglich ist und Elektronen nur in so geringer Menge
enthält, daß der Effekt des Zusammenpralls reit Elektronen höchstens in der gleichen
Größenordnung wie der Effekt des Zusammenpralls mit Ionen liegt. Diese Maßnahme
ist jedoch bei bekannten Einrichtungen hauptsächlich deshalb nicht durchführbar,
weil die Ionendichte der zusammenstoßenden Strahlen viel zu gering ist, um Leistungsdichten
von praktischem Interesse zu erhalten.
-
Es ist auch schon ein Verfahren zur Erzeugung von Neutronen in einem
evakuierten Gefäß durch Ionenstöße vorgeschlagen worden, bei dem wenigstens ein
Ionenstrahl eine derartige fortwährende Hin- und Herbewegung ausführt, daß die in
ihm enthaltenen Teilchen periodisch zusammentreffen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren
durchlaufen die Ionen periodisch einen nahezu feldfreien Hohlraum, wobei sich Ionenpakete
bilden. Der Wirkungsgrad der Erzeugung von Neutronen wird durch den periodischen
Zusammenprall von Ionenpaketen wesentlich erhöht. Das vorgeschlagene Verfahren hat
jedoch den Nachteil, daß die Zusammenstöße der Ionenpakete an beliebigen und wechselnden
Stellen entlang der Ionenbahnen stattfinden.
-
Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Neutronen
der eingangs genannten Gattung, bei welchem die Neutronen an einer oder mehreren
festgelegten Raumpunkten erzeugt werden, so daß eine oder mehrere Neutronenquellen
mit einem räumlich festen Standort vorliegen.
-
Hierzu sieht die Erfindung vor, daß infolge einer geeigneten Abstimmung
der Längsabmessungen der Vorrichtung in bezug auf die Geschwindigkeit der Ionenpakete
die Anzahl der pro Zeiteinheit durch einen gegebenen Querschnitt senkrecht zur Längsachse
der Vorrichtung fliegenden gleichmäßig beabstandeten Ionenbündel gleich ist einem
geradzahligen Vielfachen der halben Schwingungsperiode eines Paketes. Durch diese
Ausbildung wird gewährleistet, daß sich die Ionenbündel stets in demselben Raumpunkt
treffen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, daß in den durch die elektrischen Felder an den Enden des Gefäßes
gebildeten Reflektorräumen zusätzlich ein elektrisches Hochfrequenzfeld zur Steuerung
der Ionenbündel aufrechterhalten ist. Das elektrische
Hochfrequenzfeld
kann durch einen Generator erzeugt werden, der an im Bereich der Reflektorräume
angeordneten Hohlraumresonatoren angeschlossen ist und in den gegenüberliegenden
Reflektorräumen gegenphasige Hochfrequenzfelder erzeugt.
-
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung
beschrieben.
-
F i g.1 ist ein axialer Längsschnitt einer ersten Ausführungsform
der Vorrichtung zur Erzeugung von Neutronen, bei der Geschwindigkeitsmodulation
und Drift zur Paketierung der Ionen verwendet werden; F i g. 2 ist ein axialer Längsschnitt
durch eine modifizierte Ausführungsform einer Neutronenquelle, bei der die Ionen
in der Ionenquelle paketiert werden.
-
Die in F i g. 1 beschriebene Vorrichtung enthält einen metallischen
Zylinder 1, der den Driftraum bildet. Dieser Driftraum innerhalb des Metallzylinders
1
liegt zwischen zwei kapazitiven Räumen 13 und 14, deren axiale Abmessung
als vernachlässigbar angesehen werden kann. Der Abstand zwischen diesen Räumen ist
in der Zeichnung mit L gekennzeichnet. Raum 13
steht durch eine Öffnung 29
in Verbindung mit einem Raum 30, in dem eine Elektrode 10 geeigneter Konstruktion
angebracht ist analog einer Reflektorelektrode in einem Reflexklystron, die auf
einem relativ hohen positiven Potential V, liegt, beispielsweise 50 oder 100 kV,
das auch in geeigneter Art gegenüber dem Potential des Zylinders 1 veränderlich
sein kann. Das Potential V, wird durch eine Spannungsquelle 12 geliefert. Das evakuierte
Gefäß wird durch vakuumdichte Fenster in Form von isolierenden Zylindern 5 begrenzt
sowie durch eine isolierende Abdeckung 26, die von einem Rohr durchdrungen wird,
das dauernd mit einer Vakuumpumpe 2 geeigneter Konstruktion verbunden ist,
die in der Lage ist, ein Vakuum in der Größenordnung von 10-8 Torr aufrechtzuerhalten.
-
Auf der gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung liegt der Raum
14, der durch eine Öffnung 31 mit einem Raum 32 verbunden ist, in
dem die Ausstrahlblende 15 eines Ioneneinspritzers angebracht ist, die durch Spannungsquelle
12 auf ungefähr demselben Potential liegt wie der Reflektor 10. Eine zylindrische
Elektrode 11, die in bezug auf die Blende 15 ein positives Potential
hat, ist ebenfalls im Raum 32 angebracht, um vor der Blende 15 eine Aquipotentialfläche
33
auszubilden. Die erwähnten Spannungen und die Geometrie der Elektroden
sind derart, daß die Fläche33 den gleichen Abstand von der transversalen Symmetriefläche
8 der Vorrichtung hat wie die Fläche 42, die am gleichen Potential wie die Fläche
33 und vor dem Reflektor 10 liegt. Der Abstand zwischen dem kapazitiven Raum
13 und dem Reflektor 10 auf der einen Seite und der Abstand zwischen dem Raum 14
und der Fläche 33 ist mit D bezeichnet. Das evakuierte Gefäß wird, wie in F i g.
1 zu sehen ist, rechts davon durch eine isolierende Scheibe 34 und einen Glassockel
25 abgeschlossen.
-
Ein hochfrequentes Feld mit der Frequenz f, die in Übereinstimmung
mit den im nachfolgenden genannten Formeln und Gesetzen gewählt ist, wird in den
Räumen 13 und 14 erregt. Die Erregung dieses hochfrequenten Feldes
f kann durch geeignete Mittel erfolgen, bei der Ausführungsform nach F i g. 1 werden
jedoch Hohlräume 3 und 4 verwendet, deren Kapazitätsräume mit den
Räumen 13 und 14 kombiniert sind.
-
Die kapazitiven Räume 3 und 4 sind durch eine Reihe von ringförmigen
Ferritgliedern 24, die einen Kern bilden, in dem der magnetische Fluß durch eine
Primärwicklung 27 erregt wird, belastet. Die beiden Wicklungen 27 der Hohlräume
3 und 4 werden vom gleichen Hochfrequenzgenerator 6 über die Verbindung 28
gegenphasig eingespeist.
-
Als Ionenquelle kann irgendeine bekannter Art verwendet werden, es
wird jedoch eine Hochfrequenz-Ionisierungseinrichtung als repräsentatives Beispiel
beschrieben. Das Hochfrequenzfeld der Ionenquelle wird von einem Generator 16, der
eine Wicklung 17 um den Glassockel 25 speist, geliefert. Das Gas, im Beispiel
Deuterium, wird durch ein Rohr 18 herangeführt, und durch eine geeignete Vakuumpumpe
(nicht dargestellt), die mit der Innenseite des Glassockels 25 durch ein Rohr 35
verbunden ist, wird ein geringer Druck in der Größenordnung von 10-4 Torr aufrechterhalten.
Mittel zur Veränderung des Gasstroms sind bei 19 vorgesehen. Das Rohr 18, das mit
der Achse des Gefäßes 1 koaxial ist, führt in den Glassockel 25 und trägt dort eine
Elektrode 20, die in bezug auf die Blende 15 durch die Spannungsquelle
21 auf einem geeigneten, aber positiven Potential, beispielsweise in der
Größenordnung von 2 kV, liegt. Ein Diaphragma 23 ist innerhalb der Blende 15 angebracht,
das den Raum innerhalb des Glassockels 25 von dem Raum im übrigen Teil des Gefäßes,
der unter höherem Vakuum steht, trennt.
-
Ein axiales Magnetfeld B, dessen Stärke geeignet bemessen ist, wird
im Innern des Gefäßes 1 mittels einer Wicklung 7, die das Gefäß umgibt, erzeugt.
Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform sind nur zwei Wicklungen 7 vorgesehen,
um innerhalb des Bereiches der Symmetrieebene 8 einen freien Raum 9 zu schaffen,
der der Ausbeutung des Neutronenstrahles dient. Arbeitsweise Die in F i g. 1 beschriebene
Vorrichtung arbeitet wie folgt: Das durch Rohr 18 - zugeführte Deuteriumgas ist
unter dem Einfluß des durch die Wicklung 17 erzeugten hochfrequenten Feldes ionisiert,
und die Elektrode 20
fängt die freien Elektronen, stößt jedoch die Ionen zurück,
die durch das Diaphragma 23 und Blende 15
ausgestrahlt werden. Der in das
Gefäß 1 eintretende Ionenstrahl bewirkt unter bestimmten gegebenen Bedingungen
der verschiedenen Dimensionen, die im nachfolgenden genauer beschrieben sind, eine
Hin-und Herbewegung, die sowohl stabil als auch kontinuierlich ist, indem er zuerst
den Raum mit der Länge D zwischen der Fläche 33 und dem kapazitiven Raum 14, der
im folgenden Reflektorraum genannt wird, danach das Hochfrequenzfeld innerhalb des
Raumes 14, danach den Raum mit der Länge L zwischen den Räumen 14 und 13, im folgenden
Driftraum genannt, danach das Hochfrequenzfeld des Raumes 13 durchquert und danach
in den Reflektorraum zwischen dem kapazitiven Raum 13 und der Elektrode 10 eintritt.
Bevor er die Elektrode 10 erreicht, werden die Ionen infolge des positiven
Potentials dieser Elektrode zurückgeworfen und legen ihre ursprüngliche Bahn daher
in entgegengesetzter Richtung zurück, durchqueren erneut den kapazitiven Raum 13,
den Driftraum und den kapazitiven Raum 14 und treten dann in den Reflektorraum zwischen
Raum 13 und der Äquipotentialfläche 33 ein. Vor Erreichung der Äquipotentialfläche
33 werden die Ionen zurückgeworfen, kehren daher um wie bei Elektrode 10 und legen
ihre ursprüngliche
Bahn in entgegengesetzter Richtung zurück, wobei
die Bewegung des Ionenstrahles in der vorstehend beschriebenen Art erneut zyklisch
wird.
-
Am Ende der wiederholten Durchgänge durch das Hochfrequenzfeld in
den Räumen 13 und 14 wird der Ionenstrahl paketiert. Bei geeigneter Dimensionierung
des Systems treffen die Pakete des Ionenstrahles, der sich in der einen Richtung,
und die Pakete des Ionenstrahles, der sich in entgegengesetzter Richtung bewegt,
periodisch immer an den gleichen Punkten des Raumes zusammen, die im Bereich der
Symmetrieebene 8 liegen und eventuell im Bereich einer oder mehrerer äquidistanter
Ebenen zu beiden Seiten der Symmetrieebene B. Diese Begegnungen führen zu Zusammenstößen
zwischen Deuteronen, die einen gemischten Neutronen- und Protonenfluß hervorrufen
entsprechend den in der Kernphysik bekannten Fusionsreaktionen. Die Neutronen 22
durchdringen die Wände des Gefäßes 1 leicht, wenn sie in der Nachbarschaft der Zusammenstoßbereiche
frei werden. Im Gegensatz dazu werden die Protonen von den Wänden aufgefangen, die
auf einem negativen Potential liegen gegenüber dem ihrer Energie entsprechenden
Potential. Die zurückbleibenden Heliumionen, die bei diesen Reaktionen erhalten
werden, werden durch die Pumpet evakuiert, die dabei Raum für die Zuführung eines
Strahles frischer Deuteronen von der Quelle schafft.
-
Die Gleichungen und Gesetze für die Bemessungen gemäß Berechnungen,
die die Stabilität des Ionenstrahles und die gattungsmäßige Zuordnung des Energieniveaus
zu dieser Bemessung gewährleisten, werden im folgenden gegeben.
-
Bei Annahme eines gewünschten Energieniveaus der Ionen, das durch
die Spannung V, die so hoch wie möglich, jedoch etwas niedriger als die Spannung
V, ist, ausgedrückt wird, kann man die Dichte des Ionenstromes I wählen und
danach das magnetische Feld B
berechnen bzw. umgekehrt verfahren unter Benutzung
der folgenden Gleichung:
Darin ist V in Kilovolt, I in Ampere/cm2 und B in Weber/cm2 angegeben.
-
Die Gleichung (1) gibt die Stromdichte an, die bei einem gegebenen
magnetischen Fokussierungsfeld erhalten werden kann.
-
Unter der Annahme, die gewünschte Zahl von Neutronen pro Quadratzentimeter
und Sekunde sei gleich N, kann die Frequenz des Generators 6 aus folgender Gleichung
leicht errechnet werden:
Darin ist an der wirksame Querschnitt der Fusion zweier Deuteronen, e die Elementarladung
eines Elektrons oder Protons, p die Anzahl der Begegnungsebenen der Pakete.
-
Bei einer Anordnung nach F i g. 1 muß p = 1 angenommen werden.
-
Die Länge des Driftraumes L kann, wenn die Werte für V und
f bekannt sind, durch folgende Gleichung ermittelt werden
Die Einheit von V entspricht darin der des Systems, in dem die Werte von
e und M ausgedrückt sind. f ist in Hertz angegeben. M ist die
Masse der LDeuteronen - 2 - 1836 mal der Masse eines Elektrons, und k1 ist eine
ganze
bei der Ausführung nach F i g. 1 ist p = 1, daher k1 = 1.
-
Die Länge des Reflektorraumes D ist durch die folgende Gleichung gegeben:
Darin ist k2 eine zweite ganze Zahl. Bei der Ausführung nach F i g. 1 wurde angenommen:
k2 -1-kl=p.
-
Die spezielle Wahl kl = k2 gilt für den Fall, daß nur ein Paket sich
auf der ersten Bahn oder Einlauf der Strahlbewegung befindet und ebenso nur ein
einziges Paket sich auf der Rücklaufbahn oder Rücklauf der Strahlbewegung befindet
sowie nur eine einzige Begegnung der Pakete in der Symmetrieebene 8 der Vorrichtung
stattfindet. Es kann jedoch leicht verifiziert werden, daß die im vorstehenden gegebenen
Beziehungen zwischen L, D und f der Wahl der Frequenz f gleich einem Mehrfachen
der inversen Zeit einer einfachen Bahn eines Paketes von einem Ende des Systems
zum anderen entsprechen.
-
Die Mittel zur Paketierung des Ionenstrahles, die in F i g. 1 durch
den Generator 6, die Hohlräume 3 und 4 und die kapazitiven Räume 13 und
14 gebildet werden, sind nur in Verbindung mit dieser Ausführungsform, um
ein Beispiel zu geben, erläutert worden. Es ist jedoch klar, daß alle anderen geeigneten
Mittel an deren Stelle treten können, insbesondere Mittel, die den Ionenstrahl schon
an seiner Quelle paketieren.
-
F i g. 2 erläutert eine modifizierte Ausführungsform, bei der eine
derartige Variation Anwendung findet. Gleichzeitig wurde angenommen, daß bei dieser
Ausführung die gewählten Dimensionen derart sind, daß nicht mehr eine einzige Ebene
vorhanden ist, sondern an deren Stelle beispielsweise fünf äquidistante Ebenen existieren
einschließlich der Symmetrieebene 8 von F i g. 1 für die Begegnung der Pakete. Demzufolge
muß bei der Ausführung nach F i g. 2 p = 5 und k1 = 3 angenommen werden.
-
F i g. 2 unterscheidet sich im wesentlichen von F i g. 1 darin, daß
die kapazitiven Räume 13 und 14
von F i g. 1 weggelassen sind und daß
der Driftraum im Inneren des Zylinders 1, der bei der Ausführung nach F i g. 2 beispielsweise
aus isolierendem Material mit Metallteilen 36 und 37, die an seinen Enden befestigt
sind, hergestellt ist, direkt zwischen den Refiektorräumen 30 und
32 liegt. Die Elektrode 10
ist in F i g. 2 innerhalb eines Glassockels
38 angeordnet. Die Ionenquelle 15 zusammen mit dem Einlaßrohr 18 für das Gas und
dem Rohr 35 für die Pumpe kann von irgendeiner geeigneten bekannten Art sein. Nur
um den Ionenstrahl zu paketieren, ist ein Diaphragmaglied 39 vor dem Diaphragma
23 angeordnet, wobei das letztere in F i g. 2 die gleiche Aufgabe hat wie
bei F i g. 1. Das Diaphragma39 liegt dabei normalerweise in bezug auf die Elektrode
15 an positiver Spannung von der Spannungsquelle 41,
kann jedoch auch von
einer Impulsquelle 40 gespeist werden. Das Diaphragma 39 blockiert normalerweise
die Ausstrahlung der Ionen, gestattet jedoch den Durchgang eines Ionenpaketes, wenn
ein negativer Impuls von der Impulsquelle 40 sie vorübergehend auf das Potential
der Elektrode 15 bringt. Die Folgefrequenz
der Impulse von der
Quelle 40 wird nach den gleichen Regeln und Gesetzen, nach denen die Frequenz des
Generators 6 nach F i g. 1 berechnet wird, gewählt.
-
Der Zylinder 11 hat in F i g. 2 die gleiche Aufgabe wie in F i g.
1, nämlich eine Äquipotentialfläche 33 zwecks Reflexion der Ionen aufzubauen, wenn
diese zur Quelle nach Ausführung eines Hin- und Rücklaufes zurückkehren.
-
Nachdem p = 5 angenommen wurde, sind in F i g. 2 nicht nur zwei, sondern
sechs Wicklungen 7 dargestellt, die zu beiden Seiten jeder äquidistanten Ebene einschließlich
der Symmetrieebene 8 und der zusätzlichen Symmetrieebenen 8' angeordnet sind.
Folglich werden durch diese Anordnung fünf Bereiche 9 zum Entweichen der Neutronen
geschaffen.
-
Es ist auch klar, daß für den Fall, daß es wünschenswert erscheint,
Zusammenstöße zwischen Ionen zweier verschiedener Gase zu erzeugen, z. B. Deuterium
und Tritium, der in den F i g. 1 und 2 linker Hand dargestellte Reflektor durch
einen zweiten Einspritzer analog dem rechts dargestellten ersetzt werden muß, vorausgesetzt,
daß geeignete Änderungen der elektrischen und geometrischen Größen des Systems ebenfalls
getroffen werden.
-
Der in F i g. 2 schematisch dargestellte Ionenstrahler kann von einer
geeigneten bekannten Bauart sein, die irgendein geeignetes Prinzip, wie z. B. Ionisation
durch einen Elektronenstrahl, durch einen Lichtbogen, durch kalte Emission u. dgl.,
verwendet.