DE1218078B - Vorrichtung zum Erzeugen und Einschliessen eines Plasmas - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

G 21b

Deutsche Kl.: 21g-21/21

U8108Vmc/21g
16. Juni 1961
2. Juni 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen und Einschließen eines Plasmas, mit einer zylindrischen Außenelektrode und einer innerhalb der Außenelektrode angeordneten Innenelektrode, mit Mitteln zur Erzeugung eines radialen, elektrischen Feldes zwischen diesen Elektroden und eines axial gerichteten magnetischen Feldes innerhalb des Entladungsraumes und mit Einrichtungen zum Evakuieren des Entladungsraumes und zur Zuführung von zu ionisierendem Gas. Insbesondere betrifft die Erfindung ein verbessertes Ionenmagnetron. Das Ionenmagnetron ist eine vorteilhafte Einrichtung zum Einschließen eines elektrischen Plasmas. In dem Ionenmagnetron wird ein Plasma erzeugt, das Ionen mit sehr hoher Energie oder Temperatur besitzt. Mit einem geeigneten »Brennstoff«-Gas, wie z. B. Deuterium, können Kernwechselwirkungen zwischen Ionen große Mengen von sehr energiereichen Neutronen erzeugen, und Hochtemperaturionen können aus dem Plasma abgezweigt und außerhalb desselben verwendet werden.

In einem Ionenmagnetron werden ein axiales, magnetisches Feld und ein radiales, elektrisches Feld verwendet, um eine ringförmige, gekreuzte Feldzone zum Ionisieren, Einfangen und Erhitzen der Gasteilchen zu erhalten. Neutrale Teilchen werden von einer Mittelanode in dieselbe Zone injiziert und ionisiert. Die ionisierten Teilchen werden nach außen durch das elektrische Feld beschleunigt, kehren jedoch normalerweise zu der Mittelzone in einer Bahn, die durch das Magnetfeld bedingt ist, zurück. Es wurde gefunden, daß ein Zusammentreffen mit einem gestreuten neutralen Teilchen zu einem Ladungsaustausch führen kann, wodurch das Ion ein neutrales Teilchen wird, das nicht länger durch das magnetische Feld abgelenkt wird. Deshalb trifft das neutrale Teilchen auf die äußere Umkleidung oder auf die Kathode des Ionenmagnetrons auf und bewirkt, daß mehrere andere neutrale Teilchen in dieselbe Zone gelangen. Diese neutralen Sekundärteilchen verursachen einen noch größeren Ladungsaustausch mit anderen umlaufenden Ionen, und ein Teil dieser umlaufenden Ionen geht dadurch verloren. Die Arbeitsweise der Vorrichtung kann weitgehend verbessert werden, wenn die neutralen Teilchen, die aus der äußeren Umkleidung ausgelöst werden, von den Bahnen der umlaufenden Ionen abgehalten werden. Aufgabe der Erfindung ist daher, diese neutralen Teilchen von den Bahnen der umlaufenden Ionen abzuhalten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Erzeugung einer zylindrischen Elek-Vorrichtung zum Erzeugen und Einschließen
eines Plasmas

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:
James Donald Gow,
Robert Watson Layman,
Berkeley, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 21. Juni 1960 (37 817) - -

tronenschicht im Plasmaraum zwecks Abschirmung desselben von neutralen Streuteilchen an einem Ende der Plasmaeinschließungszone eine Elektronen emittierende Ringkathode und am anderen Ende ein ringförmiges Elektronen reflektierendes Element innerhalb der zylindrischen Außenelektrode vorgesehen sind und daß diese ringförmigen Elektroden die Achse der Innenelektrode mit Abstand konzentrisch umschließen. Es wird also mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung eine Elektronenschutzschicht nahe der inneren Oberfläche der zylindrischen Außenelektrode erzeugt. Neutrale Teilchen, die aus der Gehäusewand ausgelöst werden, werden ionisiert, während sie durch die Elektronenabschirmung hindurchzufliegen versuchen. Die dadurch ionisierten Sekundärteilchen werden von dem Magnetfeld eingefangen und aus der Vorrichtung durch die longitudinale Abtrift längs des Magnetfeldes entfernt. Der Verlust der umlaufenden Ionen, die in der Nähe des Mittelteils des Ionenmagnetrons entstehen, wird verringert, und die Wahrscheinlichkeit, daß Verschmelzungsstöße sich in der Einfangzone ereignen, wird vergrößert. Auf diese Weise wird ein Plasma erhalten, dessen Reinheitsgrad größer als der bekannter Vorrichtungen ist.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung;

609 577/340

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 2-2 zwischen die Hochspannungsquelle 23 und der Innen-

in der F i g. 1, wobei weitere Einzelheiten der Bau- elektrode 19 geschaltet, so daß eine pulsierende

weise dargestellt sind; Spannung zwischen den beiden Elektroden 11 und

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 3-3 19 angelegt werden kann. In einigen Fällen ist es

in der Fig. 1, wobei die Wirkungen der Erfindung 5 vorteilhaft, eine Gleichspannung mit überlagerten

auf Teilchen innerhalb der Einschließungsvorrich- Stromimpulsen zu verwenden,

rung illustriert werden. Das Magnetfeld wird durch drei ringförmige FeId-

In der Fig. 1 ist ein zylindrischer Mantel 11 aus spulen erzeugt, die koaxial rund um den Mantel 11 korrosionsbeständigem Stahl oder ähnlichem leit- angeordnet sind. Die mittlere Magnetspule 26 ist mit fähigem Material dargestellt, der eine Plasmakammer io der Erregerstromquelle 27 verbunden, und die 12 bestimmt und eine äußere Elektrode bildet. Eine Spiegelfeldspule 28 bzw. 29 ist mit der Erregerstromkreisförmige Endplatte 13 schließt ein Ende der quelle 31 bzw. 32 verbunden. Im allgemeinen wird Außenelektrode 11 ab. Die Endplatte ist mit einem die Vorrichtung so betätigt, daß das Magnetfeld der Flansch der Außenelektrode verbunden. Zwischen Spiegelspulen 28 und 29 stärker ist als das Feld der diesem Flansch und der Endplatte befindet sich eine 15 mittleren Magnetspule 26, wodurch ein magnetischer ringförmige vakuumdichte Metalldichtung 14. Die Spiegel an jedem Ende der Kammer 12 erzeugt wird. Platte 13 kann als Fenster zum Abziehen von Ionen Typische magnetische Feldlinien sind in der Fig. 1 oder für andere Zwecke verwendet werden, z. B. durch die gestrichelten Linien 30 dargestellt. Der kann die Platte 13 ein transparentes Material auf- Spiegeleffekt wird weiter vergrößert durch die Konweisen und zur Beobachtung der Plasmazone ver- 20 zentration der magnetischen Feldlinien an jedem wendet werden. Das entgegengesetzte Ende der Ende der Kammer 12, die durch einen ringförmigen Außenelektrode 11 ist mittels einer zweiten kreis- Endkern 33 bzw. 34 aus einem Material mit hoher förmigen Endplatte 16 geschlossen, die eine Mittel- magnetischer Permeabilität erzielt wird. Diese Kerne öffnung aufweist; diese Endplatte 16 ist im Abstand sind koaxial auf der Außenelektrode 11 neben den von der Außenelektrode 11 und elektrisch isoliert 25 äußeren Enden der Spulen 28 und 29 befestigt. Ein von diesem mittels eines mit Flanschen versehenen zylindrischer Mantel 36 aus ähnlichem Material zylindrischen Isolators 17 gehalten. Ringförmige umgibt die Spulen 26, 28 und 29. Dadurch wird ein Vakuumdichtungen 14 aus Metall sind zwischen der vollständiger magnetischer Kreis durch den Mantel 36, Endplatte 16, dem Isolator 17 und der Außen- die Endkerne 33 und 34 und die Kammer 12 gebildet, elektrode 11 angeordnet. Ein Auspumpstutzen 18 ist 30 Im nachfolgenden werden die die Elektronenan jedem Ende der Außenelektrode 11 an dessen schicht bildenden Einrichtungen unter Bezugnahme Seite vorgesehen, um mit Einrichtungen zum Er- auf die Fig. 1 und 2 beschrieben. Ein ringförmiger zeugen eines Vakuums verbunden zu werden, wo- Glühfaden 41 ist koaxial rund um die Innenelektrode durch die Kammer 12 auf einen niederen Druck 19 in der Nähe der inneren Oberfläche der Außenevakuiert werden kann. 35 elektroden und nahe bei dem Ende der Kammer

Eine schmale, zylindrische Innenelektrode 19 ist 12 in der Spiegelfeldzone angeordnet. Der Glühfaden längs der Achse der Außenelektrode 11 angeordnet. befindet sich in diesem Fall an dem Ende der Außen-Diese Innenelektrode erstreckt sich durch die Mittel- elektrode, das durch die Platte 16 abgeschlossen ist. öffnung in der zweiten Endplatte 16 und wird durch Eine ringförmige Abschirmung 42 ist symmetrisch diese gehalten. Vermittels des Isolators 17 ist die 40 um den Glühfaden 41 und im Abstand von diesem Innenelektrode elektrisch von der Außenelektrode 11 angeordnet. Eine ringförmige Beschleunigungsisoliert. Wenn erforderlich, kann das andere Ende elektrode 43 ist koaxial zwischen dem Glühfaden 41 der Innenelektrode 19 von der Endplatte 13 gehalten und der Innenelektrode 19 angeordnet. Wie insbewerden, wenn eine ähnliche Isolation vorgesehen ist, sondere in der F i g. 2 dargestellt ist, sind die Abum die Endplatte 13 von dem Mantel 11 zu isolieren. 45 schirmung 42 und die Beschleunigungselektrode 43 Die Innenelektrode 19 ist eine hohle vielfach durch- mit der Außenelektrode 11 durch mehrere paarweise löcherte Röhre zum Einleiten des gasförmigen elek- in radialer Richtung angeordnete Isolatoren 44 betrisch neutralen Brennstoffs in die Kammer 12 und festigt. Fadenisolatoren 46 halten den Glühfaden 41. zum Erzeugen eines radialen, elektrischen Feldes in Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, ist eine ringder Kammer 12 zwischen der Außenelektrode 11 50 förmige Reflektorelektrode 47 an dem anderen Ende und der inneren Elektrode 19. In anderen Aus- der Kammer 12 koaxial zu dieser und in derselben führungsformen kann die Elektrode 19 durch einen relativen Stellung in dem zweiten magnetischen Ionenstrahl oder einen Elektronenstrahl für den Spiegelfeld angeordnet, wie sie von dem Glühfaden letzteren Zweck ersetzt und der Brennstoff kann auf 41 in dem anderen magnetischen Spiegelfeld eingeandere Weise eingeleitet werden. Hingegen in der 55 nommen wird. Es ist wünschenswert, daß der Glühhier dargestellten Vorrichtung ragt die Innenelektrode faden 41 und der Reflektor 47 so ausgebildet sind 19 außerhalb der Kammer 12 über die zweite End- und solche Lagen einnehmen, daß sie dieselben platte 16 hinaus. An dieser Stelle wird der gas- magnetischen Feldlinien schneiden. Da das Magnetfönnige Brennstoff in das Innere der Elektrode 19 feld bei dieser Ausführungsform um die zentrale aus einer Gasversorgungsquelle 21 über ein Ventil 60 Querebene der Vorrichtung symmetrisch ist, besitzen 22 eingeleitet. Das elektrische Feld zwischen der der Glühfaden 41 und der Reflektor 47 gleiche Außenelektrode 11 und der Innenelektrode 19 wird Durchmesser. Es ist klar, daß dies keine wesentliche vermittels einer Spannung aus einer Hochspannungs- Bedingung für alle Vorrichtungen darstellt, da in quelle 23' erzeugt, die an den Elektroden liegt, wobei einigen dieser Vorrichtungen asymmetrische Magnetdie innere Elektrode 19 positiv gegenüber der Außen- 65 felder verwendet werden können,
elektrode ist. Aus Gründen der Sicherheit und aus Eine mit mehreren Abgriffen versehene Strom-Isolationsgründen liegt die Außenelektrode 11 im Versorgungsquelle 48 erzeugt die Arbeitsspannungen allgemeinen auf Erdpotential. Ein Schalter 24 ist für die die Elektronenschicht erzeugenden Elemente.

Claims (6)

1. 5 6

   Der Glühfaden 41 ist an Hochstromklemmen 49 der aus dieser Außenelektrode herausgeschlagen werden Stromquelle 48 angeschlossen. Eine der Klemmen 49 und in die Kammer 12 gelangen. Die Wirkung dieses befindet sich auf Erdpotential. Um Elektronen abzu- Ladungsaustausches ist eine Verringerung der Wahrstoßen, ist der Reflektor 47 negativ vorgespannt, scheinlichkeit einer Fusionsreaktion und eine Verindem er mit einer negativen Klemme 50 der Strom- 5 ringerung der Plasmatemperatur und der Einschließversorgungsquelle 48 verbunden ist. Eine positive zeit. Daher wird die Arbeitsweise des Ionen-Klemme 55 der Versorgungsquelle ist mit der Be- magnetrons verbessert, wenn die neutralen Teilchen schleunigungselektrode 43 verbunden. Die Ab- in dem Bereich, in dem die Ionen umlaufen, verschirmung 42 ist geerdet. ringert werden.

   Im nachfolgenden wird die Arbeitsweise der Vor- io Um diese neutralen Sekundärteilchen 57 von dem

   richtung nach der Erfindung beschrieben. Raum, in dem die Ionen umlaufen, fern zu halten,

   Es wird angenommen, daß die die Abschirmung wird eine Elektronenabschirmung 58 nahe der versorgende Stromquelle 48 und die Stromquellen inneren Oberfläche der Außenelektrode 11 erzeugt, 27, 31 und 32 für die magnetischen Erregungsströme um diese neutralen Sekundärteilchen zu ionisieren, im Betrieb sind. Die Hochspannungsquelle 23 kann 15 Die auf diese Weise erzeugten Ionen niederer Energie entweder Stromstöße oder einen konstanten Strom werden dann, wie nachfolgend beschrieben wird, liefern, indem der Schalter 24 geeignet geschaltet entfernt. Auf diese Weise wird die Dichte der neuwird. Es soll ebenfalls angenommen werden, daß die tralen Teilchen in dem Zwischenraum zwischen der Kammer 12 evakuiert ist und daß ein geeignetes Gas, Elektronenabschirmung 58 und der Elektronenwie z. B. Deuterium, in die Kammer 12 durch die 20 schicht 51 beträchtlich verringert. Die auf ihren Innenelektrode 19 eingeleitet wird, indem das Ventil Bahnen laufenden Ionen sind eine längere Zeitdauer 22 geöffnet ist. Das neutrale Gas, das aus den Per- beständiger als früher, und die Wahrscheinlichkeit forationen in der Innenelektrode emittiert wird, einer Kernverschmelzung zwischen den Ionen ist in wandert nach außen in die Elektronenschicht 51, in hohem Maße vergrößert.

   der es ionisiert wird. Wenn der Schalter 24 ge- 25 Der kreisförmige Glühfaden 41 ist, wenn er

   schlossen ist, wird ein radiales elektrisches Feld erhitzt ist, die Quelle für die Abschirmelektronen,

   zwischen der Außenelektrode 11 und der Innen- Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, bewegen sich die

   elektrode 19 erzeugt. Die Innenelektrode 19 ist Elektronen aus dem Glühfaden 41 gegen die Mitte

   gegenüber der Außenelektrode 11 positiv. Auf diese der Kammer 12 längs den magnetischen Feldlinien

   Weise werden positive Ionen von der negativen 30 30, die von dem Faden geschnitten werden. Die

   Außenelektrode 11 angezogen, während die Elek- Glühfadenelektronen nehmen deshalb einen ring-

   tronen eine Ringschicht 51 rund um die positive förmigen Bereich von verschiedenem Radius ein, der

   Innenelektrode 19, wie in der F i g. 3 dargestellt ist, sich zwischen dem Faden 41 an einem Kammerende

   bilden. Nahezu der ganze Spannungsabfall zwischen und der Reflektorelektrode 47 an dem anderen

   der Innenelektrode 19 und der Außenelektrode 11 35 Kammerende erstreckt, wodurch eine Abschirmung

   findet an der Elektronenschicht 51 statt. Auf diese 58 koaxial zu der inneren Oberfläche der Außen-

   Weise wird irgendein neutrales Teilchen, das durch elektrode 11, wie in der F i g. 3 dargestellt ist, ge-

   die Schicht 51 ionisiert wurde, unmittelbar nach bildet wird.

   außen gegen die Außenelektrode 11 zu beschleunigt. Die Elektroden aus dem Glühfaden 41 können sich Das axiale Magnetfeld in der Kammer 12 lenkt das 40 in jeder Richtung längs der magnetischen Feldlinien Ion aber auf eine gekrümmte Bahn, längs der dieses entweder auf den Reflektor 47 zu, von dem sie Ion wiederum zurück in die Elektronenzone fliegt, zurückreflektiert werden, um die Abschirmung 58 zu wie in der F i g. 3 durch eine typische Ionenbahn 52 bilden, oder gegen die Kanalelektrode 42 zu bewegen, dargestellt ist. Das Ion wird wiederum nach außen Das elektrische Feld zwischen der Abschirmelektrode durch das elektrische Feld der Schicht 51 beschleu- 45 42 verhindert die letztgenannte Elektronenbewegung, nigt und wird kontinuierlich seine Bewegung in einer so daß wirklich alle Glühfadenelektronen in die Ab-Weise fortsetzen, die mit den Elektronenbahnen in schirmung 58 emittiert werden. Wenn ein Elektron einem Magnetron vergleichbar sind. In einigen Fällen von dem Glühfaden 41 die Reflektorelektrode 47 ist es wünschenswert, daß das Ion lange genug auf erreicht, wird es durch das negative Potential zurück seiner Bahn verbleibt, um die Wahrscheinlichkeit 50 gegen den Glühfaden 41 reflektiert,
   zur Herbeiführung einer Kernverschmelzungsreaktion Nachdem die Teilchen, die gegen die Elektronenzu erhöhen; das hierbei zu verwendende Gas muß abschirmung 58 aus der Zone der Außenelektrode dann ein geeigneter Fusionsbrennstoff sein. In vielen 11 wandern, in dieser Abschirmung ionisiert sind, Fällen hingegen findet ein Ladungsaustausch zwi- können sich diese Teilchen nicht länger frei bewegen, sehen einem sich auf der Bahn bewegenden hoch- 55 mit Ausnahme längs den magnetischen Feldlinien, energetischen Ion 53 und einem neutralen Streu- Die Ionen diffundieren längs den magnetischen Feldteilchen, beispielsweise an der Stelle 54, statt. Das linien zu den Enden der Kammer 12, wo die Ionen Ion schlägt ein Elektron aus den neutralen Teilchen durch die relativ negative Ladung entweder der heraus, und aus dem zuerst hochenergiereichen Ion Reflektorelektrode 47 oder der Abschirmelektrode 42 wird dann ein hochenergiereiches neutrales Teilchen, 60 angezogen und neutralisiert werden. Ein großer Teil und das zuerst energiearme neutrale Teilchen wird dieser neutralisierten Teilchen wird hierauf durch dann ein energiearmes Ion. Auf diese Weise wird die diesen Elektroden benachbarten Pumpausgänge ein Ion mit hoher Energie für ein Ion mit niederer 18 entfernt.
   Energie ausgetauscht. Das neue neutrale Teilchen Patentansprüchewird nicht langer durch das Magnetfeld abgelenkt, 65

   sondern folgt einem geraden Weg 56, bis es gegen !.Vorrichtung zum Erzeugen und Einschließen die Außenelektrode 11 stößt, wobei die Möglichkeit eines Plasmas, mit einer zylindrischen Außenbesteht, daß mehrere neutrale Sekundärteilchen 57 elektrode und einer innerhalb der Außenelektrode

   angeordneten Innenelektrode, mit Mitteln zur Erzeugung eines radialen, elektrischen Feldes zwischen diesen Elektroden und eines axial gerichteten magnetischen Feldes innerhalb des Entladungsraumes, und mit Einrichtungen zum Evakuieren des Entladungsraumes und zur Zuführung von zu ionisierendem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer zylindrischen Elektronenschicht im Plasmaraum zwecks Abschirmung desselben von neutralen Streuteilchen an einem Ende der Plasmaeinschließungszone eine Elektronen emittierende Ringkathode und am anderen Ende ein ringförmiges Elektronen reflektierendes Element innerhalb der zylindrischen Außenelektrode vorgesehen ist und daß diese ringförmigen Elektroden die Achse der Innenelektrode mit Abstand konzentrisch umschließen.
2. 2. Vorrichtung, nach Anspruch 1, mit einer elektrisch negativ geladenen zylindrischen Außenelektrode einer elektrisch positiv geladenen Innenelektrode, die zu der Außenelektrode koaxial angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen emittierende Ringkathode aus einem ringförmigen und an eine Stromquelle angeschlossenen Glühfaden besteht.

   IO

   20
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf negativem Potential hegende Abschirrnelektrode den Glühfaden mit Abstand konzentrisch umschließt.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine ringförmige Beschleunigungselektrode, die koaxial zwischen dem Glühfaden und der Innenelektrode angeordnet ist und gegenüber dem Glühfaden auf positivem Potential liegt.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endabschnitte der Außenelektrode von Magnetspulen zur Erzeugung magnetischer Spiegelfelder umschlossen sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektronenschicht erzeugenden Ringelektroden innerhalb der Spiegelmagnetfeldspulen angeordnet sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschrift Nr. 2 920 236;
   »Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 32, 1958, S. 126 und 127.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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