DE1226718B - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und Beschleunigung von ringfoermigen Plasmoiden - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H 05 h

Deutsche Kl.: 21 g -31/03- 6//o

Nummer: 1226 718

Aktenzeichen: S 88841 VIII c/21 g

Anmeldetag: 21. Dezember 1963

Auslegetag: 13. Oktober 1966

Im Hauptpatent wird ein Verfahren zur Erzeugung und Beschleunigung von ringförmigen Plasmoiden vorgeschlagen. 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. Nach dem Hauptpatent werden die beiden Feldspulen erregt und gleichzeitig ionisiertes Gas (Plasma) in die Ebene der Induktionsspule gebracht. Danach wird, 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.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung und Beschleunigung von ringförmigen Plasmoiden nach dem Hauptpatent. Die Erfindung besteht darin, daß die beiden Feldspulen innerhalb eines elektrisch leitenden Zylinders angeordnet sind, der innerhalb des Isolierrohres konzentrisch zu diesem angeordnet ist. Im folgenden wird die obengenannte »spitzengeometrische Magnetfeldkonfiguration nach Art einer bikonischen Spitze« kurz als »Cusp-Feld« bezeichnet. Durch das Zusammenwirken eines zirkulären elek- * trischen Feldes mit einem Cusp-Feld wird auf ein im Isolierrohr befindliches Plasma — wie schon beim Verfahren nach dem Hauptpatent — eine beschleunigend wirkende Kraft (Lorentz-Kraft) mit einer Komponente in Richtung der Isolierrohrachse ausgeübt.

Ein Verfahren, bei dem Cusp-Felder zur Plasmaeinschließung verwendet werden, ist in »The Physics of Fluids«, VoL 4, Nr. 5, S. 607 bis 609, beschrieben. Bei diesem Verfahren ist zwischen den beiden Cusp-Feldspulen eine Hilfsspule vorgesehen, die nicht zur Beschleunigung, sondern zur Erzeugung eines Plasmas dient; daher wird die Hilfsspule auch zeitlich vor den Cusp-Feldspulen erregt. Weiterhin wird beim bekannten Verfahren das Plasma durch das Cusp-Feld nicht nach außenhin in Richtung der Isolierrohrachse beschleunigt, sondern im Zentrum des Raumes zwischen den Cusp-Feldspulen komprimiert. Der Durchmesser der Feldspulen, die das sogenannte Cusp-Feld erzeugen, und ihr gegenseitiger Abstand werden so gewählt, daß in der Nahe der Innenwand des Isolierrohres ein möglichst starkes Radialfeld auftritt. Außen um das Isolierrohr ist die Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und
Beschleunigung von ringförmigen Plasmoiden

Zusatz zum Patent: 1209 670

Anmelder:

Siemens-Schückertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von~Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Walter Hertz, Erlangen

Induktionsspule gelegt, und zwar so, daß ihre Mitte in der Mittelebene zwischen den beiden Feldspulen liegt. Bei impulsmäßiger oder periodischer elektrischer Erregung dieser Spule induziert deren zeitlich veränderliches Magnetfeld im Inneren des Isolierrohres, aber außerhalb des leitenden Zylinders, ein zirkuläres elektrisches Feld, welches das Plasma und in diesem einen Ringstrom (Θ-Stromkreis) erzeugt. Der Strom ergibt zusammen mit dem Magnetfeld der Feldspulen eine auf das Plasma wirkende, beschleunigende Lorentz-Kraft mit einer Komponente in Richtung der Achse der Anordnung.

Die Axialkomponente des Magnetfeldes der Induktionsspule bewirkt eine Kompression des Plasmas in Richtung auf den Mantel des leitenden Zylinders. Das stromführende Plasma komprimiert aber das zwischen Plasma und leitendem Zylinder eingefangene Magnetfeld, das in letzteren nicht eindringen kann und daher der Bewegung des Plasmas entgegenwirkt. Auf diese Weise wird das Plasma in einem Ringgebiet zwischen Abschirmzylinder und Isolierrohr zusammengedrängt. Die Zündung der Entladung wird durch den Mittelleiter erleichtert, da dieser die Induktivität des genannten ©-Stromkreises herabsetzt, und auf den stromführenden Plasmaring

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wird der Innenleiter stabilisierend. Die Wirkungs- sinnes zwischen den beiden Spulen eine spitzengeo-

weise bleibt unverändert, wenn- der leitende Zylinder metrische Magnetfeldkonfiguration nach Art einer

mit einem gerade darüber passenden Isolierrohr um- bikonischen Spitze (Cusp-Feld). Der Verlauf der

geben wird, so daß sich das Plasma innerhalb eines magnetischen Feldlinien ist mit 6 bezeichnet. Durch

isolierenden Hohlzylinders — also in einem metall- 5 die Induktionsspule 4 wird ein schnell (0,1 bis

freien Raum — befindet. ^: lO^sec) ansteigender Stromimpuls in der Größen-

Der im Innenleiter des Isolierrohres angeordnete Ordnung von 100 Kiloampere geschickt, dessen zuleitende Zylinder· hat die Aufgabe, das Eindringen gehörendes zeitlich veränderliches Magnetfeld ein rasch veränderlicher Magnetfelder, insbesondere das azimutales elektrisches Feld 7 im Inneren des IsoFeld der Induktionsspule, zu verhindern. Da weiter- io lierrohres erzeugt. Befindet sich ein neutrales Gas im hin das Plasma außerhalb des Volumens der Feld- Rohr, so wird es ionisiert, und es beginnt ein Ringspulen erzeugt bzw. beschleunigt wird, ist die Mög- strom im Plasma zu fließen. Ein Schnitt durch diesen lichkeit gegeben, in die Feldspulen zur Verstärkung ist mit 10 bezeichnet. Die aus dem azimutalen Ringdes Gusp-Feldes Eisenkerne einzusetzen. strom und dem radialen Magnetfeld resultierende

Bei Benutzung von normalen Spulen mit oder ohne 15 Lorentz-Kraft treibt das Plasma in Richtung der Eisenkern werden durch die Abschirmung der ver- Rohrachse vom Beschleunigungszentrum weg (daränderÜchen; Felder Isolationsprobleme an den Spulen gestellt durch den Pfeil 8). Wird in Richtung des vermieden. In nicht, abgeschirmten,Spulen würde vor Magnetfeldes oder aber die Stromrichtungin der Inallem das rasch veränderliche Feld der Induktions- duktionsspule umgedreht, so kehrt sich auch die Bespüle sehr hohe elektrische Spannung induzieren, die 20 schleunigungsrichtung um. Nach rechts in der Zeichzu Überschlägen Anlaß gäbe. nung verlaufen die Feldlinien 6 innerhalb des Ab-

Der Abschirmzylinder oder elektrisch voneinander schirmzylinders, wobei gegebenenfalls der Fluß durch isolierte Teile desselben können als eine Elektrode ferromagnetisches Material am Austreten gehindert zur Erzeugung eines elektrischen Radialfeldes be- wird. Läßt man an der Stelle 9 die Feldlinien ausnutzt werden, um beispielsweise in Verbindung mit 25 treten, so kann man entweder mit Hilfe der zweiten dem axialen Magnetfeld ein rotierendes Plasmoid zu Induktionsspule 11, die umgekehrt wie die Indukerzeugen. tionsspule vom Strom durchflossen ist, das Plasmoid

Außerdem können als Feldspulen Spulen aus über die Feldlinie beschleunigt hinwegbewegen, oder supraleitenden Materialien verwendet werden. Diese aber man erzeugt mit der außerhalb des Isolierrohfes müssen: nämlich -gegen veränderliche Magnetfelder 30 angebrachten Führungsfeldspule 12 ein axiales abgeschirmt werden, da sonst die supraleitende Eigen- Magnetfeld, das die Diffusion zur Wand des Isolierschaft vernichtet wird. Der leitende Abschirmzylinder rohres erschwert, Während sich das Plasmoid weiterkann gleichzeitig -als Bestandteil des Kryostaten bewegt. Den Fluß der Feldspule läßt man im letzteren dienen. Fall bei 9 nicht austreten, sondern führt ihn ebenfalls

Um die Kraft auf das Plasma, die dem Vektor- 35 weiter. ...

produkt aus dem azimutalen Strom im Plasma und Durch Verwendung von ferromagnetischen Mate-

dem radialen Magnetfeld Qe -B₁) ist, möglichst groß rialien für den Abschirmzylinder oder durch Anbrin-

zu machen, sollen je und B_r möglichst groß sein. /₀ gen solchen Materials innerhalb des Abschirmzylin-

hängt von der Leitfähigkeit und der Induktivität des ders kann der magnetische Fluß der Feldspulen so

0-Stromkreises ab. Durch die Verwendung einer 40 geführt werden, daß er erst an einer gewünschten

Vorionisation wird die Leitfähigkeit auf einen mög- Stelle aus dem Abschirmzylinder in das Isolierrohr

liehst hohen Wert gebracht, und durch den Aufbau austreten kann. .. . . "

der Anordnung wird die Induktivität des Θ-Strom- Durch Hintereinanderschalten zweier oder mehre-

kreises praktischin erreichbarem Minimum gehalten. rer solcher Vorrichtungen erhält man die Möglich-

Eine weitere Vergrößerung der Kraft auf das Plasma 45 keil, ein beschleunigtes Plasma nochmals zu b.eschleu-

kann durch Erhöhen des Cusp-Feldes erreicht wer- nigen, zu verzögern oder zu reflektieren. Man kann

den. Dazu bieten sich die genannten supraleitenden danach ein Plasmoid periodisch zwischen zwei An-

Magnetspulen an. . Ordnungen hin- und herwerfen und so zu einer dyna-

Die Möglichkeit der Verwendung von supraleiten- mischen Plasmaeinschließung gelangen,

den Spulen erlaubt es, ein statisches Cusp-Feld zu 50 Durch Anbringen einer zweiten Induktionsspule

erzeugen. Dies ist von Bedeutung, wenn man die An- auf dem Isolierrohr in der Ebene, in der man den

Ordnung zur Verzögerung eines Plasmas im Zusam- Fluß der Feldspule aus der Abschirmung austreten

menhang mit der direkten Energieumwandlung be- läßt, kann man ein weitgehend feldfreies Plasmoid

nutzt. aus der Anordnung herausschießen, indem man durch

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer als 55 die zweite Induktionsspule, wenn das Plasma dort Beispiel dienenden Zeichnung näher erläutert. Die angelangt ist, einen Strom schickt, der dem in der Zeichnung zeigt schematisch einen Schnitt durch die ersten Induktionsspule erzeugten Strom entgegenVorrichtung. Der Durchmesser des Isolierrohres 1 gesetzt gerichtet ist. Das Plasmoid bewegt sich dann beträgt beispielsweise 6 bis 12 cm, der der Feld- zusätzlich beschleunigt über die austretenden Feldspulen 2 und 3 beträgt 1 bis 3 cm und deren Abstand 60 linien der einen Feldspule hinweg. Ohne die zweite voneinander 2 bis 10 cm. Das Isolierrohr besteht ins- Induktionsspule würde das Plasmoid durch das ausbesondere aus Glas oder Quarzglas. Die Induktions- tretende Feld abgebremst werden,
spule ist mit 4 und der Abschirmzylinder ist mit 5 Um das am Ort der ersten Induktionsspule erzeugte bezeichnet. Der AbscMrmzylinder kann insbesondere und beschleunigte Plasmoid über längere Strecken aus Messing bestehen. Die Spulen 2 und 3, die nach 65 im Isolierrohr zu führen, kann über dem. Isolierrohr dem Vorangehenden entweder Eisenkernspulen, Luft- eine Führungsspule angebracht werden, deren axiales spulen oder supraleitende Spulen sein können, er- Magnetfeld die Diffusion des Plasmas zur Wand des zeugen wegen ihres: entgegengesetzten Windungs-: Isolierrohres erschwert. Insbesondere kann auf diese

Weise das Plasma in einer torusförmigen Anordung geführt werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung des Verfallrens zur Erzeugung und Beschleunigung von ringförmigen Plasmoiden nach Patent 1209 670, bestehend aus zwei achsengleich und mit axialem Abstand voneinander angeordneten Feldspulen mit entgegengesetztem Wicklungssinn zur Erzeugung einer spitzengeometrischen Magnetfeldkonfiguration nach Art einer bikonischen Spitze und einer dazu achsengleich auf ein Isolierrohr gewickelten, in der Mittelebene zwischen den Feldspulen angeordneten Induktionsspule, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Feldspulen (2, 3) innerhalb eines elektrisch leitenden Zylinders (5) angeordnet sind, der innerhalb des Isolierrohres konzentrisch zu diesem angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldspulen supraleitende Spulen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung und zur Konzentration des im Zwischenraum zwischen den beiden Feldspulen radial aus dem Abschirmzylinder austretenden Magnetflusses die beiden Feldspulen von einem ferromagnetischen Material, insbesondere rohrförmig, umgeben sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Plasmoids, das frei vom Feld der genannten Feldspulen ist, eine zweite Induktionsspule (10) auf dem genannten Isolierrohr angebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere derartige Vorrichtungen, insbesondere torusförmig, hintereinandergeschaltet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Plasmoids durch den Raum zwischen Abschirmzylinder und Isolierrohr auf dem letzteren eine oder mehrere Führungsspulen (11) angebracht sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu Erzeugung eines elektrischen Radialfeldes der Abschirmzylinder bzw. elektrisch voneinander isolierte Teile desselben als Elektrode dienen und daß zusätzlich ein axiales Magnetfeld zwischen Isolierrohr und Abschirmzylinder erzeugt wird, um das Plasmoid in Rotation zu versetzen.

8. Anwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 zur Energieumwandlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein in die Vorrichtung eingeschossenes Plasma im Magnetfeld der Feldspule verzögert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
The Physics of Fluids, Vol. 4, 1961,
S. 607/608.

Nr. 5,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 670/312 10.66 © Bundesdruckerei Berlin