DE1222171B - Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahles - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05h

Deutsche KL: 21 g

Nummer: 1222171

Aktenzeichen: E 25537 VIII c/21 g

Anmeldetag: 18. September 1963

Auslegetag: 4. August 1966

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahles, bestehend aus einer hohlzylindrischen Elektrode, in deren Längsachse eine von ihr beabstandete einseitig befestigte Stabelektrode angeordnet ist, deren freies Ende über die Zylinderelektrode hinausragt, sowie einer Kondensatorbatterie, die an die beiden genannten Elektroden über eine Funkenstrecke angeschlossen wird, um eine elektrische Entladung zwischen diesen beiden Elektroden zu zünden.

Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung und Beschleunigung von Plasma besteht darin, daß man zwischen zwei zueinander koaxialen einander umgebenden Elektroden eine bestimmte Gasmenge freisetzt und dann mittels einer Funkenstrecke die Entladung einer Kondensatorbatterie zwischen den Elektroden auslöst. Die Entladung ruft die Bildung eines ionisierten Ringes hervor, wobei die entstehenden Ströme zum Auftreten von Kräften führen, die das Plasma heraustreiben. Dieses Verfahren befriedigt nicht ganz, da nicht das gesamte, in dem Raum zwischen den Elektroden freigesetzte Gas ionisiert wird. Daraus ergibt sich, daß sich das Plasma in einer neutrales Gas enthaltenden Zone fortbewegt. Fig. 1 veranschaulicht den Erzeugungs- und Bildungsvorgang dieses Plasmas in einer Plasmakanone, bei der das Verfahren angewendet wird, dessen Prinzip vorstehend beschrieben wurde. Sie zeigt im Augenblick der Zündung die Kurve C der Längsverteilung des Druckes P in dem ringförmigen Raum zwischen den Elektroden als Funktion der Abszisse gemessen parallel zur Achse A der Kanone, wobei der Ausgangspunkt O dem Bereich der Freisetzung des Gases und der Entladung entspricht. Es sei bemerkt, daß die punktierten und schraffierten Zonen dem Vorhandensein von Plasma bzw. von neutralem Gas entsprechen, während der Pfeil P die Fortbewegungsrichtung des Plasmas angibt. Unter diesen Bedingungen sind die Eigenschaften des ausgestoßenen Plasmas nicht zufriedenstellend.

Die bekannte Plasmakanone enthält nur zwei koaxiale Elektroden, zwischen denen eine elektrische Entladung über das eingeführte Gas stattfindet, was zu einer unvollständigen Ionisation des Gases führt.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß eine weitere hohlzylindrische, einseitig offene Elektrode die erste hohlzylindrische Elektrode mit radialem Abstand koaxial umgibt und eine weitere Kondensatorbatterie an diese zweite hohlzylindrische Elektrode und an die zentrale Stabelektrode angeschlossen ist. Die neue Vorrichtung, die im weiteren als Plasmakanone bezeichnet wird, besitzt also Vorrichtung zum Erzeugen eines
Plasmastrahles

Anmelder:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM),
ίο Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner
und Dipl.-Ing. H. H. Wey, Patentanwälte,
¹S Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:
_ao Didier Veron, Villejuif, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 19. September 1962 (909 889)

noch eine zu den beiden anderen Ionisierungselektroden koaxiale dritte äußere Ionisierungselektrode, wobei die vorn an der Plasmakanone angeordnete innere Ionisierungselektrode und die äußere Ionisierungselektrode unmittelbar an eine zweite Kondensatorbatterie angeschlossen sind.
Der durch die Entladung der ersten Kondensatorbatterie ionisierte Ring wird infolge umgekehrter Einschnürung zur Außenelektrode hin ausgestoßen. Die radiale Bewegungsgeschwindigkeit dieses Plasmaringes ist von einer über der Diffusionsgeschwindigkeit des neutralen Gases im Vakuum liegenden Größenordnung. Das Plasma erreicht also die Außenelektrode, bevor das neutrale Gas den Druck zwischen der vorn an der Kanone angeordneten Ionisierungselektrode und der Außenelektrode nennenswert hat erhöhen können. Der Plasmaring bewirkt dann die Entladung der zweiten Kondensatorbatterie und wird vorn aus der Kanone ausgestoßen.

Die Kurve C" der Verteilung des Druckes P in der Kanone im Augenblick der zweiten Entladung ist in Fig. 2 dargestellt, in der die gleichen Bezeichnungen wie in F i g. 1 verwendet werden. Zu bemerken ist, daß das Ausmaß der von dem neutralen Gas eingenommenen Zone der Kanone stark verringert ist,

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daß die Spülungserscheinung des neutralen Gases durch das Plasma unbedeutend wird und folglich die Eigenschaften des Plasmas verbessert werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert: Es zeigt

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Plasmakanone und

Fig. 4»A« und 4»B« einen Schnitt durch eine solche Kanone.

Die Plasmakanone 1 nach F i g. 3 enthält zwei zueinander koaxiale in axialer Richtung zueinander versetzte und gegenseitig isolierte Ionisierungselektroden 2, 3. Sie sind über eine auslösbare Funkenstreck© 5 an eine Kondensatorbatterie 4 angeschlossen. Die beiden Elektroden 2 und 3 sind durch eine zu ihnen koaxiale und von ihnen elektrisch isolierte dritte äußere Elektrode 6 umgeben. Die Elektroden 2 und 6 liegen an den Anschlüssen einer zweiten Kondensatorbatterie 7.

Das zum Bilden des Plasmas vorgesehene Gas wird meistens über ein in F i g. 3 nicht dargestelltes Ventil zwischen den Elektroden 2 und 3 freigesetzt. Gleichzeitig wird' die Funkenstrecke 5 ausgelöst. die zwischen den Elektroden 2 und 3 in dem freigesetzten Gas die Entladung der Batterie 4 bewirkt. Es bildet sich ein Plasmaring, der infolge der Wirkung einer umgekehrten Einschnürung zur Außenelektrode 6 hin ausgestoßen wird. Wenn der gebildete, sich ausdehnende Plasmaring die Elektrode 6 erreicht, bewirkt er durch sich hindurch die Entladung der Batterie 7. Das azimutale Magnetfeld infolge des m der zentralen Elektrode 2 fließenden Stromes schiebt das Plasma in Richtung des Pfeiles 10 zum offenen Ende der Kanone hin. Das Ende der zentralen Elektrode 2 hat vorzugsweise eine kugelige Form zum Verhüten der Entstehung von von dünnen Kanten ausgehenden Lichtbogen.

Es sei bemerkt, daß die Kapazitäten der beiden Kondensatorbatterie in der Größenordnung von mehreren Mikrofarad liegen können, wobei die Kapazität der Batterie 7 wesentlich größer als die der Batterie 4 ist. Die Ladespannungen dieser Batterien liegen etwa zwischen 20 und 100 kV.

Fig. 4, die einen Schnitt durch eine Plasmakanone darstellt, gibt die den Teilen der Kanone 1 nach Fig. 3 entsprechenden Teile wieder. Diese Teile sind in den beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die zueinander koaxial angeordnetenElektroden2, 3 und 6 sind mittels zylindrischer Quarzhülsen 11 und 12 isoliert. Es sei bemerkt, daß die Elektrode 2, die von einem an einem metallischen Befestigungsflansch 14 befestigten Metallrohr 13 gehalten wird, von der Elektrode 3 durch ein Isolierrohr 15 isoliert ist. Die Leitungskabel 16 verbinden die zentralen Ionisierungselektroden 2 und 3 über eine (nur in F i g. 3 dargestellte) Funkenstrecke 5 mit der Kondensatorbatterie 4. Die - Leitungskabel 17 verbinden die Elektroden 2 und 6 mit der Kondensatorbatterie?. Das Schnellschlußventil 8 ermöglicht das Einbringen einer regelbaren Gasmenge zwischen den Elektroden 2 und 3, Die Arbeitsweise dieses Ventils wird nachstehend noch näher erläutert. Die rohrförmige Elektrode 6 ist mit Hilfe des Befestigungsflansches 18 an eine nicht dargestellte zylindrische Glaskammer mit einer Länge von 2 m und einem Durchmesser von 15 cm angeschlossen. Der Druck in dieser Kammer muß in der Größenordnung von ΙΟ"⁷ Torr liegen.

Das Schnellschlußventil 8 enthält einen engen Kanal 8', der den Raum 19 mit dem Rohr 20 und über den Durchlaß 21 und die Rohrleitung 22 mit einem nicht dargestellten Behälter für das zum Bilden des Plasmas vorgesehene Gas verbindet. Durch einen Federmechanismus 24 wird das Ventil 8 normalerweise gegen semen Sitz 23 aus Polytetrafluoräthylen gedruckt.

Der Kolben 25 mit ringförmigem Teil verschiebt sich an dem Rohr 20 entlang, das er in einem zu diesem Rohr koaxialen zylindrischen Körper 26 umgibt. Normalerweise ist er durch die Vorrichtung 27 verriegelt, er dient zum Öffnen des Ventils 8. Wenn der Kolben 25 freigegeben wird, verschiebt er sich an dem Rohr 25 entlang nach links. Der Behälter 28 ist mit Gas gefüllt, dessen Druck mehr als 1 at beträgt. Der Kolben 25 prallt auf das Ende des Rohrs 20. Bei

so dem durch diesen Aufprall erzeugten Stoß entsteht in dem Rohr 20 eine Schallwelle, die sich nach rechts fortpflanzt. Das Ventile löst sich dann infolge der Kompression der Feder des Mechanismus. 24 von seinem Sitz 23, so daß das in dem Raum 19 enthaltene Gas freigesetzt wird. Wie bereits vorstehend erläutert, findet die Erzeugung sowie die Beschleunigung eines Plasmastoßes statt.

Als Variante sei angegeben, daß eine andere Anordnung der koaxialen Kanone nach der Erfindung für den Stützmassevortrieb mittels eines Plasmas von Interesse ist.

In diesem Fall muß die vorn an der Kanone angeordnete innere Ionisierungselektrode 2 länger sein und befindet sich das wieder auf der Elektrode angebrachte Ventil an der Kanone weiter vorn, wobei die erste Entladung zwischen den Elektroden 2, 3 stattfindet. Die jeweilige Lage des Ventils 8 und des Zwischenraumes zwischen diesen Elektroden 2, 3 entlang der AchseA (Fig. 1) ist durch den BuchstabenA bzw. O dargestellt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahles, bestehend aus einer hohlzylindrischen Elektrode, in deren Längsachse eine von ihr beabstandete einseitig befestigte Stabelektrode angeordnet ist, deren freies Ende über die Zylinderelektrode hinausragt, sowie einer Kondensatorbatterie, die an die beiden genannten Elektroden über eine Funkenstrecke angeschlossen wird, um eine elektrische Entladung zwischen diesen beiden Elektroden zu zünden, dadurch gekennzeichnet^ daß eine weitere hohlzylindrische einseitig offene Elektrode die erste hohlzylindrische Elektrode mit radialem Abstand koaxial umgibt und eine weitere Kondensatorbatterie an diese zweite höhlzylindrische Elektrode und an die zentrale Stabelektrode angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende der Stabelektrode (2) eine kugelige Form hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei zueinander koaxialen Ionisierungselektroden (2, 3, 6) mit Hilfe von zwei ebenfalls zueinander koaxialen zylindrischen Quarzhülsen untereinander isoliert sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabelektrode (2) mit Hilfe eines die innere hohlzylindrische Elektrode (3) abschließenden Flansches (14) in ihrer richtigen Lage gehalten wird.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (8) für die Freigabe der zum Bilden des Plasmas bestimmten Gasmenge in der Nähe der Achse der Kanone und des Entladezwischenraumes zwischen den beiden inneren Elektroden (2, 3) der Kanone angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (8) in der Stabelektrode (2) angeordnet ist, welche gleichzeitig der Gaszufuhr dient.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Nuclear Instruments & Methods, Vol. 10, 1961,

Nr. 2, S. 95 bis 107;

Proc. of the 2nd U. N. Int. Conf. on the Peaceful

Uses of Atomic Energy (Genfer Bericht P/355),

Vol. 31, 1958, Genf, S. 341 bis 347;
The Physics of Fluids, Vol. 4,1961, Nr. 9, S. 1085.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 608/302 7.66 ® Bundesdruckerei Berlin