DE1220530B - Verfahren zur Nachbeschleunigung und/oder Reflexion von Plasmoiden in einem elektrodenlosen Plasmabeschleuniger - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H05h

Deutsche Kl.: 21 g -34/04-

Nummer: 1220530

Aktenzeichen: S 93892 VIII c/21 g

Anmeldetag: 24. Oktober 1964

Auslegetag: 7. Mi 1966

Die Hauptpatentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung bzw. Erzeugung eines Plasmas in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern. Dabei wird eine Anordnung mit zwei achsengleich mit entgegengesetztem Wicklungssinn auf einem Isolierrohr mit Abstand voneinander angeordneten Feldspulen zur Erzeugung einer spitzengeometrischen Magnetfeldkonfiguration nach Art einer bikonischen Spitze und mit einer dazu achsengleich gewickelten Induktionsspule zwischen den beiden Feldspulen verwendet.

Die »spitzengeometrische Magnetfeldkonfiguration nach Art einer bikonischen Spitze« wird im folgenden der Einfachheit halber auch als »Cusp-Feld« bezeichnet. Das Cusp-Feld entsteht zwischen den beiden Feldspulen, wenn diese so vom Strom durchflossen werden, daß das Magnetfeld zwischen den Spulen eine radiale Komponente hat. Durch das sich schnell ändernde Magnetfeld der impulsmäßig betriebenen Induktionsspule kann im bezüglich des ao Isolierrohres radialen Cusp-Feld ein zirkuläres elektrisches Feld induziert werden.

Nach der Hauptpatentanmeldung werden die Feldspulen erregt und gleichzeitig ionisiertes Gas (Plasma) in die Ebene der Induktionsspule gebracht. Weiterhin as wird dann, wenn die Magnetfeldstärke der spitzengeometrischen Magnetfeldkonfiguration das Maximum erreicht hat, die Induktionsspule während eines Zeitraumes impulsmäßig elektrisch erregt, der kurz ist relativ zur Erregungsdauer der Feldspulen. Mit Hilfe des vom dabei entstehenden Magnetfeld induzierten zirkulären elektrischen Feldes wird ein Plasmaringstrom im Cusp-Feld erzeugt. Infolge der aus dem Zusammenwirken der elektrischen und magnetischen Felder resultierenden Lorentz-Kraft wird das Plasma in Richtung der Isolierrohrachse aus der Ebene der Induktionsspule ausgestoßen.

Die Erfindung betrifft eine weitere Ausgestaltung des Gegenstandes der Hauptpatentanmeldung mit der Aufgabe, die gesamte Masse eines Plasmoids in einem elektrodenlosen Plasmabeschleuniger nachzubeschleunigen und/oder zu reflektieren und dabei zusätzlich aufzuheizen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nachbeschleunigung und/oder Reflexion von Piasmoiden. Dabei werden mehrere hintereinandergeschaltete Anordnungen mit zwei achsengleich mit entgegengesetztem Wicklungssinn auf einem Isolierrohr mit Abstand voneinander angeordnete Feldspulen zur Erzeugung einer spitzengeometrischen Magnetfeldkonfiguration nach Art einer bikonischen Spitze (Cusp-Feld) und mit einer dazu achsengleich Verfahren zur Nachbeschleunigung und/oder
Reflexion von Plasmoiden in einem
elektrodenlosen Plasmabeschleuniger

Zusatz zur Anmeldung: S 84063 VIII c/21 g —
Auslegeschrift 1209 670

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Alfred Michel,

Dr. Heinrich Schindler, Erlangen

gewickelten Induktionsspule zwischen den beiden Feldspulen verwendet. Die Erfindung besteht darin, daß das Plasmoid vor der Beschleunigung in der jeweils folgenden Anordnung in einer einige Mikrosekunden dauernden Einfangphase angehalten und die thermische Energie des Plasmas dabei erhöht wird und daß erst danach die zu der jeweiligen Anordnung gehörige Induktionsspule impulsmäßig elektrisch erregt wird. Die genannte Einfangphase kann z. B. etwa 5 μββο dauern.

Die Verbesserung des Verfahrens nach der Hauptpatentanmeldung ist vor allem darin zu sehen, daß das bewegte Plasma in den magnetischen Cusp-Feldern eingefangen, d. h. gespeichert und dabei die gerichtete Energie des Plasmas weitgehend thermalisiert wird, wodurch wiederum dessen elektrische Leitfähigkeit ansteigt. Es steht daher für den Nachbeschleunigungsvorgang eine größere Gesamtmasse höherer Anfangsleitfähigkeit zur Verfügung als beim Verfahren nach dem Hauptpatent.

Das Plasma kann auch mehrfach zwischen zwei Cusp-Feldstufen hin- und herreflektiert und vor jeder Reflexion durch eine der Cusp-Feldstufen in dieser jeweils erfindungsgemäß in einer einige Mikrosekunden dauernden Einfangphase gesammelt und auf diese Weise stufenweise aufgeheizt und dynamisch eingeschlossen werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird sowohl die Nachbeschleunigung als auch die Reflexion von Plasmoiden nach dem Sammeln und Aufheizen

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in einem magnetischen Cusp-Feld am Beispiel eines zweistufigen Plasmabeschleuniger an Hand einer schematischen Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein Beispiel eines Plasmabeschleunigers mit zwei Cusp-Feldstufen,

Fig. 2 ein Ortszeitdiagramm der Plasmabewegung im Plasmabeschleuniger nach Fi g. 1.

Die auf das Isolierrohr 7 des Plasmabeschleunigers gemäß Fig. 1 jeweils gegensinnig gewickelten Spulen 1, 3 und 5 erzeugen quasistationäre Magnetfelder 8, die in hinreichender Entfernung von den Spulenenden axial gerichtet und homogen sind. Die Magnetfelder 8 weisen also zwischen den Spulen 1 und 3 bzw. 3 und 5 eine Cusp-Geometrie auf. Zwischen die Spulen 1 und 3 bzw. 3 und 5 ist je eine induktionsarme Spule 2 bzw. 4 (Induktionsspule) auf das Isolierrohr 7 gelegt. Das Isolierrohr 7 wird vor dem Ingangsetzen des Plasmabeschleunigers auf etwa 3 · 10~⁶ Torr ausgepumpt. Beim Betrieb der Anlage öffnet sich zuerst ein Ventil, z. B. ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, welches in kurzer Zeit eine genau- dosierte Gasmenge an einer Stirnseite, z. B. der linken Stirnseite, des Rohres einströmen läßt. Sobald die Front dieser Gasmenge die Spule 6 erreicht hat, wird durch letztere ein hochfrequenter elektrischer Strom geschickt, z. B. durch oszillatorische Entladung eines induktionsarmen Kondensators. Dadurch entsteht im Innern des Rohres ein hochfrequentes elektrisches Feld, welches eine Vorionisation des Gases bewirkt.

Einige Mikrosekunden nach Beginn der Vorionisation, wenn das (vorgeheizte) Plasma in der ersten Cusp-Stufe (zwischen den Spulen 1 und 3) angekommen ist, wird durch die Induktionsspule 2 ein schnell ansteigender Strom geschickt, dessen zeitlich veränderliches Magnetfeld ein zirkuläres elektrisches Feld 10 im Innern des Isolierrohres induziert. Insbesondere kann durch die Spule 2 eine induktionsarme Batterie entladen werden. Das zirkuläre elektrische Feld 10 hat einen bezüglich der Zylindergeometrie des Isolierrohres azimutalen Strom im Plasma zur Folge. Dieser tritt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld 8, und zwar derart, daß er zusammen mit der radialen Komponente des Magnetfeldes, welches durch die Pfeile 11 charakterisiert ist, eine Lorentzkraft in Richtung der Rohrachse und zusammen mit der Axialkomponente des Magnetfeldes eine Lorentzkraft in radialer Richtung — zur Achse hin — erzeugt.

Die Folge davon ist eine mit einer Kompression verbundene axiale Beschleunigung des Plasmas in Richtung 9. Das ausgestoßene Plasmoid bewegt sich schließlich im homogenen Magnetfeld der Spule 3, welches als Führungsfeld wirkt und die Diffusion gegen die Wand hemmt. In diesem Führungsfeld hat das Plasma die Gestalt eines Zylinders von etwa 10 bis 20 cm Länge und 3 cm Durchmesser. Bei einer Nachbeschleunigung im Augenblick der Ankunft des Plasmazylinders in der zweiten Cusp-Stufe (Ebene der Stufe 4) kann nur ein Teil des Plasmas erfaßt werden, weil das Plasmoid langer als das Beschleunigungszentrum ist.

Erfindungsgemäß wird daher der Zeitpunkt des Beginns der Nachbeschleunigung um einige Mikrosekunden, z. B. 5 μββο, verzögert, um das Plasma im Cusp-Feld aufzuhalten, einige Zeit einzuschließen und so das gesamte Plasma zu speichern. Dabei wird ein Teil der kinetischen Energie des Plasmas in thermische Energie verwandelt. Die daraus resultierende Erhöhung der Plasmatemperatur hat gleichzeitig eine größere elektrische Leitfähigkeit des Plasmas zur Folge, und es ist möglich, in der zweiten Cusp-Feld-'stufe höhere Stromdichten zu induzieren nach dem Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung. Es. ergibt sich also eine Erhöhung der Lorentzkräfte und damit eine stärkere Beschleunigung des Plasmas. Wird ein schnell ansteigender Strom durch die — wie in

ίο Fig. 1 gepolte — Spule 4 geschickt, so entsteht ein azimutales elektrisches Feld 12. Dieses ergibt zusammen mit dem radial nach innen gerichteten Magnetfeld 13 in der zweiten Cusp-Feldstufe eine Beschleunigung des Plasmas in Richtung 14. Entgegengesetzt zu dieser Richtung wird das Plasma beschleunigt, wenn die Spule 4 umgekehrt gepolt ist.

Die Fig. 2 zeigt ein Ortszeitdiagramm der Plasmabewegung im an Hand von F i g. 1 erläuterten Plasmabeschleuniger. Auf der Abszisse ist die Zeit

ao von Beginn der Entladung in der ersten Cusp-Feldstufe an in Mikrosekunden aufgetragen. Die Ordinate entspricht der Rohrachse des Plasmabeschleunigers. Im Ortszeitdiagramm bewegt sich das Plasma zunächst längs der Linie 21 von der ersten zur zweiten Cusp-Feldstufe und kommt dort zur Ruhe (Linie 22). Nach einer Pause — von im vorliegenden Beispiel etwa 5nsec — wird die zweite Stufe gezündet und das Plasma wieder emittiert, und zwar in Richtung 23. Seine Geschwindigkeit hat sich dabei um den Faktor 5 bis 6 erhöht.

Im an Hand der F i g, 1 dargestellten Ausführungsbeispiel stellt die Entladung durch die Spule 4 eine gedämpfte Schwingung dar, daher wird nach wiederum etwa 5 μεεσ Plasma aus der zweiten Stufe ausgestoßen. Dieses Mal jedoch ergibt sich eine Reflexion in Richtung 24, also von der zweiten Stufe in Richtung auf die erste Stufe, da sich die Polarität der Entladung durch die Spule 4 gegenüber dem ersten Plasmaausstoß (3) umgedreht hat. Befindet sich noch weiteres Plasma in der zweiten Stufe, so ergeben sich erneute Plasmaausstöße in Richtung 25 und 26, wobei jeweils der folgende eine niedrigere Geschwindigkeit hat als der vorhergehende Plasmaausstoß. Das rührt daher, daß die wirkende Lorentzkraft infolge der gedämpft schwingenden Entladung durch die Spule 4 bei jedem Plasmaausstoß kleiner ist als beim vorhergehenden.

Durch Umpolen des durch die Spule 4 fließenden Entladungsstromes kann man auch erreichen, daß die Reflexion (24) bereits in der ersten Halbwelle stattfindet. In diesem Fall wird das in der zweiten Stufe befindliche Plasma bereits beim ersten Plasmaausstoß (23) zu der ersten Cusp-Feldstüfe zurückgeschossen. Der dargestellte Mechanismus ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern läßt sich nach Hinzufügen weiterer Stufen an diese wiederholen. Durch mehrfache Reflexion zwischen zwei Beschleunigungsstufen besteht auch die Möglichkeit, das Plasma stufenweise aufzuheizen und dynamisch einzuschleißen. Auf diese Weise läßt sich ein Plasma erzeugen, das eine genau vorgegebene und fast stufenlos einstellbare Energie besitzt.

Ein solcher Plasmabeschleuniger ist z. B. für die Bahnkorrektur von Satelliten oder Raketen geeignet.

Für diese Anwendungen müssen sehr genau gegebene Plasmamengen bestimmter Energie aus der Bahnkorrektureinrichtung ausgestoßen werden. Diese Bedingungen lassen sich mit Hilfe des erfindungs-

gemäßen Verfahrens und dem dargestellten Plasmabeschleuniger leicht erfüllen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Nachbeschleunigung und/oder Reflexion von Plasmoiden unter Verwendung mehrerer hintereinandergeschalteter Anordnungen mit zwei achsengleich mit entgegengesetztem Wicklungssinn auf einem Isolierrohr mit Abstand voneinander angeordneten Feldspulen zur Erzeugung einer spitzengeometrischen Magnetfeldkonfiguration nach Art einer bikonischen Spitze und mit einer dazu achsengleich gewickelten Induktionsspule zwischen den beiden Feldspulen, nach Patentanmeldung S84063 VIIIc/21g, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmoid vor der Beschleunigung in der jeweils folgenden Anordnung in einer einige Mikrosekunden dauernden Einfangphase angehalten und die thermische Energie des Plasmas dabei erhöht wird und daß erst danach die zu der jeweiligen Anordnung gehörige Induktionsspule impulsmäßig elektrisch erregt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einfangphase von etwa 5 μββϋ Dauer gewählt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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