DE1223467B - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetisch eingeschlossenen heissen, dichten Plasmas - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21b

Deutsche Kl.: 21g-21/21

Nummer: 1223 467

Aktenzeichen: U11217 VIII c/21 g

Anmeldetag: 20. November 1964

Auslegetag: 25. August 1966

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von eingeschlossenen Gasen hoher Temperaturen oder Plasma, einschließlich solcher, die für thermonucleare Reaktionen brauchbar sind, und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung eines heißen, dichten Plasmas und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines solchen eingeschlossenen heißen Gases oder Plasmas.

Systeme, die heiße Gase oder heißes Plasma, d. h. elektrisch neutrale Anteile an Ionen und Elektronen enthalten, lassen sich auf vielen verschiedenen Gebieten in der Technik vorteilhaft einsetzen, beispielsweise für Antriebszwecke im Luftraum, für thermonucleare Reaktionen oder auf Gebieten der Magnetohydrodynamik. Es besteht allgemein Übereinstimmung darin, daß ein solches Gas und Plasma nicht durch Wände aus festem Material eingeschlossen werden kann, sondern in anderer Weise, und zwar durch magnetische Felder spezieller Konfiguration begrenzt werden muß, wodurch Zonen, die geladene Teilchen enthalten, vorgesehen werden. Es sind schon verschiedene Methoden zur Herstellung eines solchen eingeschlossenen Gases und Plasmas vorgeschlagen worden. Bei allen diesen Methoden muß man, gleichgültig, ob man sie einzeln oder in irgendeiner Kombination durchführt, im allgemeinen verschiedene und mehrere Ionenquellen verwenden, und die aus diesen Quellen emittierten Partikeln werden in verschiedener Weise mittels magnetischer Felder oder durch Einwirkung von z. B. geladenen Teilchen behandelt, so daß Injektionen, Ionisation, Dissoziation der Teilchen, Einfang- und Aufheizeffekte oder irgendwelche sonstige Wirkungen erreicht werden, die erforderlich sind, um ein heißes Gas oder heißes Plasma zu erzeugen.

Bei den bisher bekannten Verfahren dieser Art ist es zur Gewinnung von Plasma hoher Energie erforderlich, daß Beschleunigerteilchen hoher Energie in das magnetische Feld eingebracht werden. Die Anlagen zur Erzeugung dieser Beschleunigerteilchen komplizieren die erforderlichen Apparaturen. Außerdem bestehen verfahrenstechnische Schwierigkeiten bei dem Einbringen von Beschleunigerteilchen in das magnetische Feld und beim Abfangen der Elektronen in dem magnetischen Feld. Diese Nachteile lassen sich mittels des Verfahrens nach der Erfindung beheben.

Ein solches Verfahren zur Erzeugung eines heißen und dichten, aus Ionen und Elektronen bestehenden Plasmas, das durch ein zentral angeordnetes magnetisches Begrenzungsfeld in einem kontinuierlich evakuierten Raum gehalten wird, ist gemäß der Erfindung Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetisch eingeschlossenen heißen, dichten
Plasmas

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. H. Meys, Patentanwalt,

Köln-Braunsfeld, Aachener Str. 431

Als Erfinder benannt:
Arthur Wayne Ehler,
Canoga Park, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. Dezember 1963
(329 327) .

dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst ein radioaktives Gas, vorteilhaft He⁶-Gas, in dieses magnetische Feld einbringt und darin unter Freisetzung von Elektronen hoher Energie, die in dem Feld eingefangen werden, zerfallen läßt und gleichzeitig mit dem radioaktiven Gas ein erstes Neutralgas, vorteilhaft He*-Moleküle, in das begrenzende magnetische Feld einschießt und durch Wechselwirkung mit den energiereichen Elektronen zur Ionisation bringt, daß man anschließend ein zweites Neutralgas_r vorteilhaft gasförmigen Wasserstoff, in das Feld einbringt und damit das ionisierte erste Neutralgas durch andere Elemente ersetzt, daß man hierauf das aus energiereichen Elektronen des radioaktiven Gases und aus Ionen des zweiten Neutralgases bestehende eingeschlossene Plasma verdichtet, anschließend in dieses Plasma energiereiche Ionen, vorteilhaft Wasserstoffisotope, einbringt und diese energiereichen Ionen mit den im Plasma enthaltenen Teilchen unter Bildung eines heißen, dichten Plasmas zur Zusammenwirkung bringt. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, in der ersten Verfahrensstufe als radioaktives Gas Moleküle der Isotopen He⁴ und He⁶ in das magnetische Feld einzubringen und vorteilhaft das magnetische Begrenzungsfeld anfänglich auf eine Stärke

609 657/315

3 4

von etwa 500 bis 1000 Gauß einzustellen, dieses gasförmigen Element werden energetische Molekular-

Magnetfeld beim späteren Verdichten dann auf etwa ionen von Hf, Di₃ T^ oder HD⁺ oder sonstige

ein Drittel seiner Länge zu reduzieren, dabei die . Atombrennstoffteilchen oder -elemente in das magne-

magnetische Feldstärke auf 10 000 Gauß zu steigern tische Begrenzungsfeld eingeschossen, während gleich-

und in dieses verstärkte Magnetfeld hierauf energie- 5 zeitig oder kurz vorher das Plasma durch Erhöhung

reiche Wasserstoffisotope von 600 keV einzuschießen. der magnetischen Feldstärke verdichtet worden ist.

Man kann das Verdichten des Plasmas und das Die Protonen in dem System, die durch die energe-Einschießen der energiereichen Ionen in das magne- tischen Elektronen während und nach dem Spülen tische Begrenzungsfeld gleichzeitig vornehmen. Vor- und direkt vor dem Verdichten dissoziiert worden teilhaft ist es, wenn man den evakuierten Raum auf io sind, dienen nun ihrerseits als wirksame Mittel zur einen Druck von kleiner als 10~⁷ mm Quecksilber Dissoziation der Molekularionen, so daß die einhält, geschossenen Ionen dissoziiert, eingefangen und von

Das beim Verfahren nach der Erfindung zur Aus- dem magnetischen Feld eingeschlossen werden und bildung einer Teilchen enthaltenden Zone benutzte dann ihrerseits als Dissoziationsmittel für nacheinschließende magnetische Feld wird manchmal als 15 folgende Dissoziation der später eingeschossenen eine magnetische »Flasche« bezeichnet. Man kann Molekularionen dienen. Auf diese Weise gewinnt beispielsweise eine magnetische Spiegelmaschine ver- man ein magnetisch begrenztes Plasma hoher Tempewenden, in.der die Ionen eingefangen werden, nach- ratur, hoher Dichte und hoher Reinheit, das aus dem sie in das magnetische Feld entweder von innen Elektronen und fast vollständig dissoziierten und oder von außen und mittels einer der verschiedenen 2° ionisierten Atomen besteht.

Methoden, wie sie zuvor genannt wurden, eings- Vorteilhaft werden beim Verfahren nach der schössen worden sind. Beim Einschießen von innen, Erfindung hochenergiehaltige oder relativistische Elek* d. h. wenn die die Ionen erzeugenden Mittel innen tronen, wie sie von He⁶ oder einem anderen Radioin der durch das statische magnetische Feld abge- isotopengas emittiert werden, in ein magnetisches grenzten .»Flasche« eingebracht sind, tritt die Schwie- 25 Begrenzungsfeld eingeführt und mit diesen Elektronen rigkeit auf, daß das Ion auf seiner ersten Bahn in die Dissoziation und/oder die Ionisation von atodem magnetischen Feld am Schluß mit der Mündung maren, molekularen und/oder molekularionischen der Injektionsvorrichtung kollidiert, wodurch die Teilchen zur Erzeugung eines Plasmas in einem Energie des Ions verlorengeht. Wenn man das Ein- solchen Begrenzungsfeld vorgenommen. Dabei läßt schießen von außen. vornimmt, d. h. wenn man die 3° man eine bestimmte Menge der Elektronen in dem Ionenquelle außerhalb der magnetisch begrenzten . schwachen magnetischen Feld einfangen, die danach »Flasche« anordnet, dann ergibt sich der Nachteil, andere Ionen und Gase in diesem Feld ersetzen daß man nur schwierig das Ion mit der genauen und/oder substituieren; dann verdichtet man die erforderlichen Geschwindigkeit ausrüsten kann, die eingeschlossene Menge der Partikeln durch Verstäres benötigt, wenn es in der »Flasche« eingefangen, 35 kung dieses magnetischen Feldes und schießt gleichjedoch nicht abgestoßen, hindurchgetrieben oder zeitig damit oder kurz vorher Teilchen mit hoher durch das magnetische Feld beschleunigt werden Energie in das Plasma.

soll. Die Methode des Einschießens bringt ferner Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung

noch zahlreiche - sonstige Probleme mit sich, die des Verfahrens nach der Erfindung ist gekennzeichnet

praktisch unendlich vielfältig sind, da sie von den 4° durch einen zylindrischen Vakuumbehälter, der von

Charakteristiken des jeweiligen speziellen Systems Spulen zur Erzeugung eines axial verlaufenden magne-

abhängen. Manche Plasmageräte und -systeme ver- tischen Begrenzungsfeldes im Vakuumbehälter und

wenden die Dissoziation und/oder das Aufheizen zur Regulierung der Stärke und Konfiguration des

von neutralen Gasmolekülen, molekularen Ionen oder magnetischen Begrenzungsfeldes umschlossen ist,

energetisch neutralen Partikeln, die von außerhalb 45 durch eine in Höhe der Längsachse des Behälters

des magnetischen Begrenzungsfeldes eingeschossen mit diesem in Verbindung stehende Vakuumpumpe,

werden, um ein eingeschlossenes Plasma hoher durch eine Einrichtung zur Erzeugung des radio-

Temperatur zu gewinnen. Der Wirkungsgrad solcher aktiven Isotopengases, vorteilhaft des Isotopengases

Geräte und Systeme hängt weitgehend von der He^e mit He⁴, die über Leitungen in Höhe der Längs-

Wirksamkeit des verwendeten Dissoziationsprozesses 50 achse des Behälters und an dem der Einführstelle

ab, insbesondere. während der ersten Phasen des der Vakuumleitung entgegengesetzten Ende des Be-

Injektionsvorganges. hälters mit diesem in Verbindung steht, durch eine

Beim Verfahren nach der Erfindung gelingt es, Falle zur Entfernung der Verunreinigungen aus dem diese verschiedenen bekannten Geräten anhaftenden Isotopengas vor dessen. Einführung in den Behälter, Schwierigkeiten dadurch zu vermeiden, daß He⁶ oder 55 durch eine Einführleitung, durch die das zweite ein anderes Isotop, das beim Zerfall Elektronen Neutralgas, vorzugsweise Wasserstoffgas, an einer hoher Energie freigibt, in ein schwaches magnetisches Stelle in das magnetische Begrenzungsfeld eingeführt Begrenzungsfeld eingeführt wird, worin das He⁶ wird, die mit der Einführstelle für das Isotopengas in situ zerfällt, und dabei isotropisch relativistische zusammenfällt, durch ein Regulierventil zur EinElektronen emittiert, die in dem' schwachen magne- 60 stellung der Strömungsgeschwindigkeit dieses zweiten tischen Begrenzungsfeld eingefangen werden und ein Neutralgases und durch eine Beschleunigungs- und Plasma ausbilden. Das magnetische Begrenzungsfeld Einführeinrichtung für die energiereichen Isotopenkann in verschiedener Weise gestaltet sein, beispiels- gasteilchen, beispielsweise Wasserstoffisotopenteilchen, weise so, wie es in einer bekannten Pyrotron- oder in die in dem Behälter ausgebildete Plasmazone. »Spiegek-Maschine verwendet ist. . 65 Nachstehend wird an Hand der Zeichnung die

Nach dem Ausspülen des He* (das anfällt und Erfindung näher erläutert. Es zeigt . ; mit dem He^e mitgenommen wird) und sonstiger F i g. 1 eine. Schemazeichnung, teilweise im Längsneutraler Atome, mit Wasserstoff oder einem anderen schnitt einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,' -

5 6

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Geschwin- damit angeordnet. Es können in gleicher Weise digkeit des Elektronenverlustes aus dem verdichteten Injektionseinrichtungen für energiereiche neutrale

Plasma als Funktion der Zeit, Moleküle, Atome oder neutrale Gasmoleküle ver-

F i g. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 der wendet werden.

F i g. 1 mit dem das Plasma enthaltenden Behälter 5 Zur Herstellung eines aus Elektronen und Ionen

und einer Injektionsvorrichtung zum Einschießen bestehenden Plasmas wird der zylindrische Behälter 11

von Molekularionen in das Plasma. mittels der Vakuumpumpe 20 evakuiert. Dann wird

Nach der F i g. 1 weist die Vorrichtung einen die Energiequelle 14 eingeschaltet, und zwar so, daß geschlossenen zylindrischen Behälter 11 für das Plasma ein schwacher Strom fließt, der ein schwaches magneauf, an dem koaxial angeordnet Solenoidspulen 12 io tisches Feld, das durch magnetische Fließlinien 15 und 13 ansitzen, die aus einer mittels eines variablen umschlossen ist, bildet. Nachdem ein geeignet geringes magnetischen Flusses gespeisten Energiequelle 14 an- Vakuum erreicht ist, wird das Ventil 33 geöffnet, geregt werden und ein durch die magnetischen Feld- und es fließt langsam He⁶ und He⁴, wie sie in dem linien 15 begrenztes magnetisches Feld bilden. Die Hohlraum 34 des Kernreaktors 30 gemäß der Reakzur Mitte zu angeordneten Solenoidspulen 12 haben 15 tion Be⁹ (η, α) He⁶ gebildet worden sind, mit Kohleneine längsgestreckte Form und sind mit im wesent- wasserstoff oder mit einem anderen Dampf als liehen gleichförmigen Amperewindungen versehen, Trägermaterial durch die Leitung 35 in die Reinidurch die ein zentraler linearer Bereich mit einer gungsvorlage36; in dieser Reinigungsvorlage wird geringen gleichmäßigen magnetischen Dichte der der Kohlenwasserstoff oder ein anderer Dampf aus Feldlinien 15 geschaffen wird. Die Solenoidspulen 13, 20 dem System entfernt, dann fließt das Isotopengemisch die an den Enden der Spulen 12 anliegen, sind mit weiter durch die Leitung 37 und das Ventil 33, durch stärkeren Amperewindungen ausgestattet, so daß die Leitung 35 und schließlich durch die Düse 39 verdichtete flaschenhalsförmige Endfelder mit erhöhter in die das Plasma enthaltende Zone 40.
magnetischer Feldstärke entstehen, die flaschenhals- "Während das He⁶ durch die das Plasma enthaltende förmig zusammenlaufen und einen magnetischen 25 Zone 40 fließt, zerfällt in dem Magnetfeld eine Anzahl Spiegel oder ein sogenanntes Reflektorfeld ausbilden, von He^e-Neutralgasatomen in Li⁶, wobei ein relatidas eine geladene Teilchen enthaltende Zone in dem vistisches Elektron frei wird, das ein anfängliches zentralen linearen Feldbereich dieses magnetischen Energieniveau in der Größenordnung von 3,7 MeV Feldes umgrenzt. Die Energiequelle 14 ist variabel hat. Das frei gewordene Elektron wird in dem Magnetvorgesehen, damit man den Energiezufluß auf ein 30 feld zusammen mit dem beim Zerfall gebildeten Li⁶ niedriges Niveau einregulieren kann und ein relativ eingefangen. Die Geschwindigkeit, mit der das He⁶ geringes Feld in dem Behälter einstellen kann, so in das Magnetfeld 40 eintritt, wird so eingestellt, daß eine Elektronenwolke oder ein Plasma, das man daß Verluste infolge Aufprallens von Elektronen darin vorsieht, anfänglich ein vergleichsweise großes auf die Behälterwände durch Streuung oder Verluste Volumen einnehmen kann. Anschließend wird der 35 infolge Entweichen aus dem in Konusform gebil-Energiezufluß verstärkt, und das Feld wird verdichtet, deten magnetischen Spiegel infolge Zyklotronstrahwas sich darin auswirkt, daß das Plasma, das dabei lung oder durch Bremsstrahlung bei Kollision mit Jcomprimiert wird, ein geringeres Volumen einnimmt. im Grundzustand befindlichen Gasen vermieden Mittels einer Leitung 21 ist eine Vakuumpumpe 20 wird. Wenn eine ausreichende Anzahl an Elektronen oder eine gleichwertige Vorrichtung an das eine Ende 40 eingefangen worden ist, wird das Ventil 33 geschlosdes Behälters 11 zum Evakuieren desselben ange- sen, so daß der Zufluß von He⁶- und He*-Gasen schlossen. aufhört. Das Li⁶, das beim Zerfall von He⁶ entstanden

Beim Verfahren nach der Erfindung wird zunächst ist, wird aus dem Plasma entfernt, während He⁴-

eine He⁶-Quelle oder eine Vorlage mit einem anderen Ionen durch Kollision mit den emittierten Elektronen

radioaktiven Gas, das energiereiche ^-Strahlen emit- 45 entstehen, und auf diese Weise bleibt das Plasma

tiert, mit dem anderen Ende des genannten Behälters während der vorangehenden Behandlung elektrisch

verbunden. Die Halbwertszeit des verwendeten radio- neutral. Die eingefangenen relativistischen Elektronen

aktiven Gases soll vorzugsweise kurz sein, d. h. bilden ein elektrostatisches Feld aus und kapseln

weniger als einige Minuten und mehr als einige auf diese Weise die He⁴-Ionen ab. Dann wird auf

Sekunden. Als geeignete Quelle für He* kann man 50 einen Minimaldruck, beispielsweise 10~⁸ mm Hg oder

irgendein Gerät einsetzen, mit dem eine gewisse weniger, evakuiert und dabei die Fremdgase entfernt.

Menge an Beryllium mit Neutronen bestrahlt werden Als nächstes wird das Ventil 32 geöffnet, und es

kann, beispielsweise eine solche Vorrichtung, wie sie fließt dann Wasserstoffgas, das in dem als Spülgas-

zusammen mit der entsprechenden Arbeitsmethode vorlage dienenden Tank 31 enthalten ist, durch die

in der Arbeit von B. M. Ru s tad und S. L. Rub y, 55 Leitung41, das Ventil32, die Leitung38 und die

Physical Review, Vol. 97 Nr. 4, S. 991 bis 1002 Düse 39 in die das Plasma enthaltende Zone 40;

(15. Februar 1955), beschrieben ist. Dabei läuft die die He⁴-Ionen werden durch Ladungsaustausch her-

Reaktion Be⁹ (n, oc) He⁶ ab, beispielsweise innerhalb ausgespült, und dabei nehmen Wasserstoffionen die

des Kernreaktors 30, der, wie in der erwähnten Stellen der Heliumionen ein. Das anfallende Plasma

Arbeit genau beschrieben, für die Gewinnung des 60 enthält weitgehend kalte Protonen und eine geringe

Isotopen He⁶ vorgesehen ist und auch als eine Vor- Dichte an Hf-Ionen sowie der emittierten energie-

lage für das in dem Tank 31 enthaltene Spülgas reichen Elektronen. Dieser Spülvorgang hat den

dient. Der Kernreaktor 30 und der Gasvorratstank 31 Zweck, Verluste durch Ladungsausgleich möglichst

stehen über die Ventile 32 bzw. 33 mit dem Behäl- niedrig zu halten, die auftreten könnten, wenn hoch-

ter 11 in Verbindung. Ein Gerät zur Beschleunigung 65 energiereiche Hi-Ionen in einem nachfolgenden Ver-

der Molekularionen, das zum Einschießen von Mole- fahrensschritt in das Plasma eingeschossen werden,

kularionen Hf, Df, Tf oder HD⁺ sowie anderer Man kann auch sonstige Gase zum Ausspulen der

Elemente in das Plasma dient, ist in Verbindung He⁴-Ionen verwenden, wenn unterschiedliche hoch-

'energiereiche Teilchen eingeschossen werden, so daß das Vakuum angelegt wurde, so gehalten, daß eine 'das anfallende Plasma dann Ionen des eingebrachten He*-Dichte von 6 · 10⁹ Atomen/cm³ erreicht wurde.

Gases enthält; ein solches Plasma kann auf mehrere Bei einer solchen Dichte verbleibt das He⁶ etwa Weise ausgenutzt werden, beispielsweise für spektro- 2 Sekunden lang in dem den magnetischen Spiegel •skopische Analysen des Plasmas und seines Inhalts. 5 enthaltenden Bereich 40. Die Anzahl der Elektronen,

Danach wird das Plasma verdichtet, und zu diesem die während dieser Zeit emittiert wurden, kann aus-Zwecke erhöht man den Strom in den Spulen 12 gerechnet werden mittels der Gleichung für die und 13 mittels der Energiequelle 14 und schießt Geschwindigkeit des /9-Zerfalls der Elektronen:
gleichzeitig oder kurz nachher hochenergiehaltige
Ionen von H⁺, D⁺, T⁺ oder HD⁺ oder sonstige io JVfI — ε~^λ')

Elemente in die das Plasma enthaltende Zone ein, h_e = %j , (1)

wobei man sich der Vorrichtung 50 zum Beschleunigen ^πα

der Partikel bedient. Es werden dann die energetischen worin
Molekularionen, die in das Plasma eingeschossen

worden sind, durch die kalten Protonen oder durch 15 h_e = Geschwindigkeit des ^-Zerfalls in Elek-

das sonstige Spülgas, das während der Spülbehandlung tronen pro cm^ä-Sekunden,

sich gebildet hat oder aus der Spülbehandlung zu- _{a = Radius des Spiegeltubus = 55 cm>}

•ruckgeblieben war, dissoziiert. Wenn man nut Wasserstoff und dessen Isotopen arbeitet, dann nimmt die ^L = Feldlänge des Spiegels = 1000 cm,
Dichte der energiereichen Wasserstoffisotopen in dem ao ^=, Anzahl an He⁶-Atomen, die je Sekunde Maße zu, wie die Dichte der kalten Protonen ab- i_n den Bereich eintreten = 3 · 10¹*,
nimmt; es wird dabei ein elektrisch neutrales Plasma . „ . „ , ^ ... _TT „ .„ „.
aufrechterhalten, und eventuell wird ein relativ reines ^λ = Zerfallskonstante fur He« = 0,85 Sekun-Wasserstoffisotopenionenplasma erzeugt. Dieser Ver- ^en>

fahrensschritt basiert auf der besonderen Fähigkeit 25 e — Napier-Konstante = 2,7183,

von energiereichen Protonen, die als kalte Protonen _ Konstante = 3 1416

im gleichen Maße bei der Dissoziation von ein- '

geschossenen H⁺, -D₂ ⁺-, T₂ ⁺- oder HD+-Ionen sind. t = Zeit in Sekunden = 2,0.

Wenn man für Protonen verschiedene Ionen einsetzt,
so verläuft der Dissoziationsprozeß analog. 3° Für die vorstehend aufgeführten Parameter beträgt

Wenn man dann mit dem Einschießen von Mole- der Wert von h_e = 2,7 · 10⁷ Elektronen/cm³-Sekunde. Jkularionen fortfährt, dann nimmt die Dichte des Die Elektronendichte im Gleichgewichtszustand

heißen Plasmas zu bis an einen Punkt, an dem ent- erhält man, wenn man die Verluste in dem System weder eine Kernverschmelzungsreaktion stattfindet, zusammenzählt und diese mit den in das System wenn Wasserstoffisotopenionen mit einem Atom- 35 infolge des /3-Zerfalls hereingebrachten Elektronen gewicht größer als 1 anwesend sind (Helium kann vergleicht.

eingesetzt werden in den zuvor beschriebenen Ver- Aus praktischen Gründen und zur Vereinfachung

fahrensschritten in einer dem Tritium äquivalenten der Berechnung berücksichtigt man nur zwei wesent-Art), oder man behandelt das Plasma in irgendeiner liehe Verlustquellen, nämlich die Streuung von anderen Weise für einen sonstigen brauchbaren Zweck. 40 /S-Zerfall-Elektronen in das dem konusf örmigen Spiegel eigene Loch durch neutrale Atome und durch

In dem nachfolgenden Beispiel wurden die folgenden Ionen oder Elektronen. Dann läßt sich der Verlust Parameter verwendet: an Elektronenionen und neutralen Atomen durch

Streuung gemäß folgender Gleichung berechnen:

1. Zu Beginn bestand ein schwaches Magnetfeld 45

von 500 bis 1000 Gauß. 10-¹³Z^{2 2} 10-¹³Z²

2. Das von den magnetischen Feldlinien und den τ I τ ^{= ne}> (2)
magnetischen Spiegeln begrenzte Gebiet hatte 2 E"¹ 2 E²

eine effektive Länge von 1000 cm.

3. Der zylindrische Behälter für das Plasma hatte in dieser bedeutet

einen Durchmesser von 110 cm.

4. Die Strömungsgeschwindigkeit des He°-Atom- ^Z = ^die Kernladung des Ions (= 2 für He), Gases lag bei 3 · 10¹⁴ Atomen/Sekunde, beim n_e — Elektronendichte in Elektronen je Kubik-Eintritt in den den magnetischen Spiegel enthal- 55 Zentimeter,

tenden Bereich (dieses He⁶ wurde erhalten aus _{E = Ener}^_{e der} streuelektronen in MeV,
15 kg BeO-Pulver in einem Neutronenfluß

= 2,5 · 10¹⁶ n/cm²-Sekunde, und von He⁶-Ato- «0 = Dichte der Neutralatome in Atomen je

men, die dabei erzeugt wurden, zerfiel 1% in Kubikzentimeter (= 6 · 10⁹/cm³),

dem magnetischen Spiegelbereich). ^5o —h_e = Elektronenverlustverhältnis.

5. Die Geschwindigkeit, mit der die He⁴-Atome in

den den magnetischen Spiegel enthaltenden Be- _{Bei der Bestimmung der Parame}ter geht man von

reich einflössen, betrug 3 · 10^-Atome/Sekunde. _{der Annahme auS; da}ß _kein Energieabbau stattfindet,

. 65 und daß die Elektronendichte im gleichen Zustand

Beispiel _{etwa bei 1O}i_O Elektronen/cm³ liegt. Aus althergebrach-

Anfänglich wurde die Geschwindigkeit, mit der in ten Gründen und weil es praktisch ist, wird der Wert

einer Vorrichtung des zuvor beschriebenen Typs von 6 · 10⁹ Elektronen/cm³ unterstellt.

Die Zeit, die erforderlich ist, um diese Gleichgewichtsdichte zu erhalten, berechnet sich nach folgender Gleichung:

n. =

N(I - e-^K<)

darin bedeuten:

h'e = die Zeit der Geschwindigkeit der Änderung der Elektronendichte in Elektronen je cm³-Sekunden,

N = Anzahl von He^e-Atomen, die in den Bereich des magnetischen Spiegels eintreten, in Atomen je Sekunde = 3 ■ 10¹⁴,

λ = Zerfallskonstante für He^e = 0,85 Sekunden,

t = Zeit in Sekunden,

a = Radius des Behälters für das Plasma = 55 cm,

L = Länge des magnetischen Spiegels
= 1000 cm,

E — Energie des Elektrons in MeV (wobei eine mittlere Energie E von 1 bis etwa 1,5 MeV unterstellt wird und die Verluste durch Zyklotronstrahlung und Kollision berücksichtigt worden sind),

Z = Kernladung des Ions = 2 für He,

n_e = Elektronendichte in Elektronen je Kubikzentimeter sä 6 · 10⁹ Elektronen/cm³,

w₀ = Atomdichte der Neutralatome in Atomen je Kubikzentimeter = 6 · 10⁹ Atome/cm³.

Um die wie oben angenommene Elektronendichte zu erreichen, würde die Zeit für die Ansammlung von entsprechenden Elektronen, wie bekannt, 5 Minuten betragen. Diese Zeit, während der die relativistischen Elektronen zur Verfügung stehen, ist vernünftig, wenn man überlegt, wie schwach das Magnetfeld ist, wie niedrig der Druck liegt und wie gering die Dichte des im Grundzustand befindlichen Gases ist.

Wenn man die zuvor genannte Elektronendichte erreicht hat, dann wird das Ventil 33 geschlossen, und gleichzeitig damit oder kurz hinterher wird das Ventil 32 geöffnet, so daß Wasserstoffgas in den das Plasma enthaltenden Bereich 40 einströmen kann. Wenn man die Zuströmgeschwindigkeit des Wasserstoffgases auf 10⁴ l/Sekunde hält, dann kann man in 7 Sekunden in dem das Plasma enthaltenden Behälter einen Druck von etwa 2 · 10~⁷ mm Hg vorsehen.

Die Anzahl der Heliumatome, die nach dieser Zeit in dem System zurückbleibt, läßt sich nach folgender Gleichung bestimmen:

N₁ — Geschwindigkeitsrate des Wasserstoffes in Atomen je Sekunde (~ 6 · 10^1β Atome/ Sekunde),

T = Zeit in Sekunden,

e — Napier-Konstante = 2,7183.

Von dem Helium ist nach 7 Sekunden nur noch etwa 0,1 °/o des anfänglichen He*-Anteils in dem ίο System vorhanden. Das anfallende Wasserstoffplasma enthält im wesentlichen kalte Protonen, die gebildet wurden durch Kollision mit energiereichen Elektronen und einer geringen Menge von H₂-Ionen.

Die Hi-Ionendichte kann man aus folgender Gleichung ausrechnen:

JV₂ + oc V₁ H₁ 2 π a L = n₂ n_e G₁ c π α² L, (5)

worm

N₂ = Strömung von Wasserstoff in das System in Atomen je Sekunde öä 3 · 10¹⁵ Atome/ Sekunde,

« = die Fraktion von atomarem Wasserstoff mit einer Dichte von 7J₁ ungefähr gleich K₀ in dem System, und diese Wasserstoffatome treffen auf den Wänden des das Plasma enthaltenden Behälters auf und rekombinieren unter Bildung von H₂ (ungefähr 10~³);

V₁ = ist die Geschwindigkeit der Wasserstoffatome, die auf den Wänden des das Plasma enthaltenden Behälters aufprallen (~ 3 · 10⁵ cm/Sekunde);

TZ₁ = ist die Dichte des atomaren Wasserstoffs in Atomen je Kubikzentimeter
(~ 3 · 10⁸/cm³),

σ₂ = Dissoziationsquerschnitt für Hf-Ionen in Quadratzentimeter durch energetische

Elektronen
Elektron),

(~10~¹⁹cm² für 1 MeV

a = L =

π = c =

Elektron),

Dichte von Hf-Ionen in Ionen je Kubikzentimeter,

Dichte der Elektronen in Elektronen je Kubikzentimeter (~ 6 · 10⁹),

Radius des das Plasma enthaltenden Behälters = 55 cm,

Länge des magnetischen Spiegels
= 1000 cm,

Konstante = 3,1416,

Elektronengeschwindigkeit
(~ 3 · 10¹⁰ cm/Sekunde).

= N'e ^N''

(4)

worm

Nt = Anzahl von Heliumionen, die nach der Zeit T zurückbleiben,

N' = anfängliche Anzahl von Heliumionen in dem das Plasma enthaltenden Bereich (~ 6 · 10¹⁶ Ionen),

Wenn man beispielsweise davon ausgeht, daß der das Plasma enthaltende Behälter aus Aluminium gefertigte Wände besitzt, dann bilden nur 10~³ der Wasserstoffatome, die auf die Wand aufprallen, Moleküle. Wenn man die zuvor genannte Gleichung benutzt, dann findet man heraus, daß die Dichte des H^-Ions im Plasma nur bei ungefähr 6 · 10⁷ je Kubikzentimeter liegt, so daß der Hauptteil des Plasmas aus kalten Protonen und energiereichen Elektronen besteht.

609 657/315

Claims (6)

11 12

Es wird nunmehr das Wasserstoffplasma durch Er- Einfanggeschwindigkeit der energetischen Protonen höhung der Magnetfeldstärke in der das Plasma ent- durch die folgende Gleichung bestimmen:
haltenden Zone auf etwa 10000 Gauß oder mehr verdichtet, und es wird die Länge der Plasma enthaltenden · _ IP . /·-·>
Zone auf 300 cm verringert. Auf diese Weise wird eine 5 ^v ν '
40fache Verstärkung der Elektronendichte auf etwa (J_3xJ_n bedeutet
2,5 · 10¹¹ Elektronen/cm³ erreicht, während die mitt-

lere Energie der Elektronen von 1 auf 3 MeV ansteigt. _{h =} Einfanggeschwindigkeit in Protonen je

Die Geschwindigkeit, mit der Elektronen von dem cm³-Sekunde

Plasma bei diesem erhöhten Druck infolge Streuung to '

verloren werden, ist in der Fig. 2 veranschaulicht; /= Injektionsstärke in Ionen je Sekunde auf der Ordinate sind die Elektronenfraktionen auf- = 2,5 · 10¹⁸ Ionen/Sekunde,
gezeichnet, die in dem Plasma verbleiben, und auf der _{v =} Volumen des Plasmas in Kubikzentimeter Abszisse ist die Verdichtungszeit in Sekunden auf- ₌ 2 5 · 10⁵ cm³
getragen. Man kann erkennen, daß das Plasma nur 15 „,'.,.'. . ,. _TT, _T
wenige Sekunden nach der Verdichtung als Dissozia- ^P = Wahrscheinlichkeit für die H₂+-Ionentionsmittel gewirkt hat, so daß mit dem Einschießen dissoziation m dem Plasma = 0,05.
von energetischen HJ-Ionen gleichzeitig mit der Verdichtung oder kurz nach der Verdichtung des Plasmas Als Einfanggeschwindigkeit ergibt sich, wenn man begonnen werden sollte. 20 die angegebenen Parameter zugrunde legt, ein Wert Es werden also, wenn das Verdichten einsetzt, in der Größenordnung von 5 ■ lO^-Ionen je cm³-Hf-Ionen in den das Plasma enthaltenden Bereich 40 Sekunde.

mittels des Molekularionteilchenbeschleunigers 50 mit Die HJ-Ionen, die durch das Plasma hindurcheiner Stromstärke von 0,4 A und einem Energieniveau gehen und nicht ionisiert werden und. deren Masse von 600 keV auf einer Bahnlänge von 30 m innerhalb 25 zweimal so groß ist wie diejenige der dissoziierten dieses Bereiches 40 eingeschossen. Der mittlere Anteil Protonen, beschreiben eine Bahn 51, deren Durchan der Hi-Dissoziation beträgt für kalte Protonen messer zweimal so groß ist wie derjenige der Protonenbzw, energiereiche Elektronen 6 · 10~¹⁷ cm² bzw. bahn 52. Die HJ-Ionen verlieren daher ihre Energie, 10~¹⁹ cm². Da also die kalten Protonen einen größeren wenn sie ihre Bahn beendet haben, dadurch, daß sie durchschnittlichen Dissoziationsanteil haben, sind sie 30 auf die Düse der Molekularionenbeschleunigungsdas Hauptmittel zum Dissoziieren der eingebrachten vorrichtung 53 auftreffen, und sie werden darin ein-Molekularionen. gebettet oder zu einem Gas neutralisiert und sind auf

diese Weise aus dem Plasma in der das Plasma ent-

Die Dissoziationswahrscheinlichkeit wird durch fol- haltenden Zone 40 ausgeschlossen. Der Teil des

gende Gleichung bestimmt: 35 Ionenstrahls, der undissoziiert ist, wird dadurch

entfernt, daß der Druck des in Normalzustand befind-

P — (ν, π r 4- η' π v\t ■ ((λ lichen Gases mit der Vakuumpumpe auf 10~⁸ mm Hg

ψ_β a_xc^n_v a₂ v₂) _h, _w gehalten wird. Bei Protonendichten von ΙΟ¹¹ Protonen/

in dieser bedeutet: cm³ beträgt die effektive Pumpgeschwindigkeit des

40 Plasmas etwa 5 · 10⁵ l/Sekunde. Diese Protonendichte

P = Dissoziationswahrscheinlichkeit, wird in etwa 0,2 Sekunden, noch bevor sich eine

nennenswerte Neutraldichte ausbildet, erreicht.

n_e = Elektronendichte in Elektronen je Kubik- Das so gewonnene Plasma setzt sich nahezu vollzentimeter, ständig aus Protonen und Elektronen zusammen ohne O₁ = durchschnittlicher Dissoziationsanteil in ⁴⁵ eine Verunreinigung durch eingeführtes Gas im Normal-Quadratzentimeter für HMonen durch ^zu.^st.^and· ^Da ™^{Γ Q}f Minimum an solchen Verunenergiereiche Elektronen = 10-" cm², reimgungen vorhanden ist, werden durch Ladungsaustausch bedingte Verluste um mehrere Großen-

c = Elektronengeschwindigkeit (~ 3 -10¹⁰ cm/ Ordnungen verringert, wenn man mit sonstigen Plasma

Sekunde), 50 erzeugenden Vorrichtungen Vergleiche zieht, ohne

, ~. ,. j , ^ _, , ™ 1 χ daß jedoch die Geschwindigkeit der Dissoziation des

n_v = Dichte der kalten Protonen, Elektronen- _eing_e ^J _schossenen Ionenstrahles geringer ist. Auf diese

^1C "^e> Weise wird, kurz nachdem die Ionen eingeschossen

J₂ = durchschnittlicher Dissoziationsanteil in worden sind, das energiereiche Plasma aufgebaut.

Quadratzentimeter für H₂ ⁺-Ionen durch 55 Das Verfahren nach der Erfindung kann mit allen

Protonen = 6 · 10~¹⁷ cm², möglichen magnetischen Spiegelmaschinen, Ionen-

injektoren, Spülgaseinrichtungen und He^e-Generatoren

v₂ = Geschwindigkeit der eingeschossenen durchgeführt werden.
H^-Ionen in cm/Sekunde = 8 · 10⁸ cm/

Sekunde, _6o Patentansprüche:

t₂ = Zeitspanne, während der die Hi-Ionen im „ , _t ._ ,

Plasma sind = 4 · 10~⁶ Sekunden. ^L Verfahren zur" Erzeugung eines heißen und

dichten, aus Ionen und Elektronen bestehenden Plasmas, das durch ein zentral angeordnetes

Bei der Berechnung der Dissoziationswahrscheinlich- 65 magnetisches Begrenzungsfeld in einem kontinuier-

keit P für Bt-Ionen ergab sich etwa 0,05. Hch evakuierten Raum gehalten wird, dadurch

Wenn man diesen Wert der Dissoziationswahrschein- gekennzeichnet, daß man zunächst ein

lichkeit P = 0,05 benutzt, dann kann man die radioaktives Gas, vorteilhaft He^e-Gas, in dieses

magnetische Feld einbringt und darin unter Freisetzung von Elektronen hoher Energie, die in dem Feld eingefangen werden, zerfallen läßt und gleichzeitig mit dem radioaktiven Gas ein erstes Neutralgas, vorteilhaft He*-Moleküle, in das begrenzende magnetische Feld einschießt und durch Wechselwirkung mit den energiereichen Elektronen zur Ionisation bringt, daß man anschließend ein zweites Neutralgas, vorteilhaft gasförmigen Wasserstoff, in das Feld einbringt und damit das ionisierte erste Neutralgas durch andere Elemente ersetzt, daß man hierauf das aus energiereichen Elektronen des radioaktiven Gases und aus Ionen des zweiten Neutralgases bestehende eingeschlossene Plasma verdichtet, anschließend in dieses Plasma energiereiche Ionen, vorteilhaft Wasserstoffisotope, einbringt und diese energiereichen Ionen mit den im Plasma enthaltenen Teilchen unter Bildung eines heißen, dichten Plasmas zur Zusammenwirkung bringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der ersten Verfahrensstufe als radioaktives Gas Moleküle der Isotope He⁴ und He⁶ in das magnetische Feld einbringt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das magnetische Begrenzungsfeld anfänglich auf eine Stärke von etwa 500 bis 1000 Gauß einstellt, dieses Magnetfeld beim späteren Verdichten dann auf etwa ein Drittel seiner Länge reduziert, dabei die magnetische Feldstärke auf 10000 Gauß steigert und in dieses verstärkte Magnetfeld hierauf energiereiche Wasserstoffisotope von 600 keV einschießt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verdichten des Plasmas und das Einschießen der energiereichen Ionen in das magnetische Begrenzungsfeld gleichzeitig vornimmt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den evakuierten Raum auf einen Druck von kleiner als 10~⁷ mm Quecksilber hält.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Vakuumbehälter (11), der von Spulen (12, 13) zur Erzeugung eines axial verlaufenden magnetischen Begrenzungsfeldes (15) im Vakuumbehälter und zur Regulierung der Stärke und Konfiguration des magnetischen Begrenzungsfeldes umschlossen ist, durch eine in Höhe der Längsachse des Behälters (11) mit diesem in Verbindung stehende Vakuumpumpe (20), durch eine Einrichtung (30) zur Erzeugung des radioaktiven Isotopengases, vorteilhaft des Isotopengases He⁶ mit He⁴, die über Leitungen (35, 37, 38) in Höhe der Längsachse des Behälters und an dem der Einführstelle der Vakuumleitung entgegengesetzten Ende des Behälters mit diesem in Verbindung steht, durch eine Falle (36) zur Entfernung der Verunreinigungen aus dem Isotopengas vor dessen Einführung in den Behälter (11), durch eine Einführleitung (41, 38), durch die das zweite Neutralgas, vorzugsweise Wasserstoffgas, an einer Stelle in das magnetische Begrenzungsfeld eingeführt wird, die mit der Einführstelle für das Isotopengas zusammenfällt, durch ein Regulierventil (32) zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit dieses zweiten Neutralgases und durch eine Beschleunigung- und Einführeinrichtung (50) für die energiereichen Isotopengasteilchen, beispielsweise Wasserstoffisotopenteilchen, in die in dem Behälter (11) ausgebildete Plasmazone (40).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 657/315 8. 66 © Bundesdruckerei Berlin