DE1241004B

DE1241004B - Method for generating a high-temperature plasma using a magnetic mirror system

Info

Publication number: DE1241004B
Application number: DE1961L0040218
Authority: DE
Inventors: Ernest Lagelbauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1961-10-13
Filing date: 1961-10-13
Publication date: 1967-05-24

Description

Verfahren zur Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas unter Verwendung eines magnetischen Spiegelsystems Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Hochtemperaturplasmas unter Verwendung eines magnetischen Spiegelsystems, dem Ionen durch einen der Flaschenhälse zugeführt werden und dessen Magnetfeld ein elektrisches Hochfrequenzfeld überlagert wird, wobei die Frequenz des. elektrischen Feldes einer Resonanzfrequenz der Plasmateilchen entspricht.Method for generating a high temperature plasma using of a magnetic mirror system The invention relates to a method for Generation of a high temperature plasma using a magnetic mirror system, to which ions are fed through one of the bottle necks and its magnetic field electric high-frequency field is superimposed, the frequency of the. electric Field corresponds to a resonance frequency of the plasma particles.

Es ist bekannt, Plasmen mittels magnetischer Spiegelsysteme einzuschießen und durch verschiedene Verfahren auf hohe Temperaturen zu erhitzen, die jedoch noch weit unterhalb der kinetischen Temperaturen liegen, die für die Einleitung von Fusions-Reaktionen erforderlich sind. Die Hauptschwierigkeiten bestehen in der Umschließung des Plasmas bei entsprechend hohem Druck nur durch ein magnetisches Feld und in den unzulänglichen Methoden, das Plasma auf die erforderlichen hohen Temperaturen zu erhitzen. Die zur Realisierung des Fusionsprozesses erforderliche Druck- und Temperatursteigerung ist abhängig von der Größe des Zusammenstoßquerschnitts der Teilchen, der bei den bekannten Verfahren relativ klein ist. Weitere Probleme sind die Umschließung des Plasmas, also die Ausbildung der Plasmahülle, der Austrittsverlust und die Teilchenbeschleunigung, die zur Zeit nur mit hohem Bau-und Energieaufwand erreicht werden kann.It is known to inject plasmas by means of magnetic mirror systems and by various methods to heat them to high temperatures, which, however, are still far below the kinetic temperatures required for initiating fusion reactions required are. The main difficulty lies in the containment of the plasma at a correspondingly high pressure only by a magnetic field and in the inadequate Methods of heating the plasma to the required high temperatures. the pressure and temperature increase required to realize the fusion process depends on the size of the collision cross-section of the particles, which is the known method is relatively small. Other problems are the containment of the Plasmas, i.e. the formation of the plasma envelope, the leakage loss and the particle acceleration, which can currently only be achieved with high construction and energy expenditure.

Bei Versuchen mit elektrischen Entladungen in einem Medium von leichten Atomen (z. B. Deuterium) bei Vakuumdruck sind genügend hohe Temperaturen allerdings nur für einige 10-s Sekunden erreichbar.In experiments with electrical discharges in a medium of light Atoms (e.g. deuterium) at vacuum pressure are, however, sufficiently high temperatures can only be reached for a few 10-s seconds.

Die ebenfalls bekanntgewordenen Torus-Maschinensysteme besitzen den großen Nachteil, daß das Stabilisierungsproblem kaum zu lösen ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilisierung der Plasmahülle und die Aufheizung des Plasmas durch Vergrößerung des Zusammenstoßquerschnitts zu verbessern.The also known Torus machine systems have the great disadvantage that the stabilization problem can hardly be solved. The present The invention is based on the task of stabilizing the plasma envelope and the To improve the heating of the plasma by increasing the collision cross-section.

Die Erfindung sieht im einzelnen vor: a) eine Verbesserung der räumlichen Begrenzung der Komponenten im Plasmazustand, b) eine neue Methode der Aufheizung des Plasmas zu extrem hohen Temperaturen, c) eine zweckmäßige Methode der Umformung von axialen geordneten Schwingungsbewegungen der Ionen und Elektronen in eine ungeordnete Bewegung, die sich als Temperaturerhöhung äußert, d) eine verbesserte Methode zur Beschleunigung der Ionen der Reagenzien (Deuteronen, Tritonen und Heliumionen) auf ein zur Einführung in das magnetelektrische Feld ausreichendes Energieniveau.The invention provides in detail: a) an improvement of the spatial Limitation of the components in the plasma state, b) a new method of heating of the plasma at extremely high temperatures, c) an expedient method of reshaping from axially ordered oscillatory movements of the ions and electrons into a disordered one Movement, which manifests itself as an increase in temperature, d) an improved method for Acceleration of the ions of the reagents (deuterons, tritons and helium ions) an energy level sufficient for introduction into the magneto-electric field.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz durch die Flaschenhälse geneigt zur Achse des Spiegelsystems phasenverschoben eingestrahlt wird.The method according to the invention is characterized in that the High frequency inclined through the bottle necks out of phase with the axis of the mirror system is irradiated.

In der Zeichnung sind an Hand eines Beispieles die zur Erläuterung und Klarstellung des Erfindungsgedankens notwendigen grundlegenden technischen Merkmale dargestellt.In the drawing, an example is given for explanation and clarification of the basic technical characteristics required for the invention shown.

F i g. 1 zeigt ein magnetisches Spiegelsystem als magnetische Flasche mit den zwei magnetischen Feldwicklungen und den zwei unter einem Winkel angeordneten Feldelektroden, von denen eine zur Einführung der Ionen hohl ausgebildet ist; F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung der schwingenden Ionen- und Elektronenwolken, wobei die Ionenwolke angenähert stationär ist; F i g. 3 zeigt schematisch eine Ionen-Beschleunigungsstrecke; F i g. 4 zeigt eine weitere Ausbildung der Ionen-Beschleunigungsstrecke. In der F i g. 1 bedeutet 1 = magnetische Feldwicklungen, 2 = magnetische Feldlinien, 3 = elektrische Feldelektrode, 4 = hohle elektrische Feldelektrode mit innerer Ionen-Einführungsstrecke, 5 = Hochfrequenzgenerator, 6 = Neigungswinkel des elektrischen Feldes gegenüber dem magnetischen Feld. In der F i g. 2 bedeutet 7 = Ionenwolke, 8 = Elektronenwolke, 9 = Schwingungsvektor. In der F i g. 3 bedeutet 10 = elektrischer Leiter mit schraubenförmiger Wicklung, 11 = magnetische Wellengruppen, 12 = Ionenstrecke, 13 = Hochfrequenz-Impulsgenerator. In der F i g. 4 bedeutet 14 = Windungsspulen, 15 = Ionenstrecke, 16 = Ioneneinführung, 17 = Transformator. In einem normalen magnetischen Spiegelsystem wird das Plasma nur durch ein magnetisches Feld eingehüllt. Das in Frage kommende Verfahren verwendet hilfsweise ein elektrisches Hochfrequenzfeld, welches angenähert axial dem magnetischen Feld überlagert ist. Die Wirkungsweise dieses elektrischen Feldes besteht in der Erregung einer axialen Schwingung der Plasmateilchen, wobei die Bewegung der Elektronen entgegengesetzt zur Bewegung der Ionen ist. Die Geschwindigkeit und Schwingungsweite der Elektronen ist wegen der viel geringeren Masse größer als die der Ionen.F i g. 1 shows a magnetic mirror system as a magnetic bottle with the two magnetic field windings and the two field electrodes arranged at an angle, one of which is hollow for the introduction of the ions; F i g. 2 shows a schematic representation of the oscillating ion and electron clouds, the ion cloud being approximately stationary; F i g. 3 schematically shows an ion acceleration section; F i g. 4 shows a further embodiment of the ion acceleration section. In FIG. 1 means 1 = magnetic field windings, 2 = magnetic field lines, 3 = electric field electrode, 4 = hollow electric field electrode with internal ion introduction path, 5 = high frequency generator, 6 = angle of inclination of the electric field with respect to the magnetic field. In FIG. 2 means 7 = ion cloud, 8 = electron cloud, 9 = vibration vector. In FIG. 3 means 10 = electrical conductor with helical winding, 11 = magnetic wave groups, 12 = ion path, 13 = high-frequency pulse generator. In FIG. 4 means 14 = winding coils, 15 = ion path, 16 = ion introduction, 17 = transformer. In a normal magnetic mirror system, the plasma is only enveloped by a magnetic field. The method in question uses an electrical high-frequency field as an alternative, which is approximately axially superimposed on the magnetic field. The mode of action of this electric field consists in the excitation of an axial oscillation of the plasma particles, the movement of the electrons being opposite to the movement of the ions. The speed and oscillation range of the electrons is greater than that of the ions because of their much lower mass.

Die Ladungstrennung infolge der entgegengesetzten Lageänderung stellt eine Rückführkraft dar, so daß unter Vernachlässigung des Dämpfungseffektes der verhältnismäßig seltenen Zusammenstöße und Streuung des Plasmas mit seiner natürlichen Schwingungsfrequenz weiterschwingen würde, selbst ohne Einwirkung des erregenden elektrischen Feldes. Jedoch kann durch zweckentsprechende Phasenverschiebung des elektrischen Feldes in bezug auf die Schwingungen des Plasmas dieses selbst veranlaßt werden, Energie aus dem Gradienten des elektrischen Feldpotentials aufzunehmen mit dem Ergebnis, daß die Schwingungsamplituden des Plasmas vergrößert werden. Infolge der weit größeren Beweglichkeit der Elektronen im Vergleich zu der der Ionen (3672:1) werden also die Elektronen fast die gesamte installierte Leistung aufnehmen, jedoch wird infolge der gegenseitigen Anziehung zwischen Elektronen und Ionen der aufgenommene kinetische Energiezuwachs schnell gleichwertig verteilt zwischen den entgegengesetzt elektrisch geladenen Teilchen. Offensichtlich wird die elektrische Ladungstrennung wirkungsvoll dem Austritt der Teilchen (Elektronen und Ionen) aus dem magnetischen Spiegelsystem entgegenwirken. Da diese Flaschenhälse eine weiche Stelle der magnetischen Begrenzung darstellen, wird ein verhältnismäßig schwaches magnetisches Feld ausreichen.The charge separation as a result of the opposite change in position represents a return force, so that neglecting the damping effect of relatively rare collisions and scattering of the plasma with its natural one Oscillation frequency would continue to oscillate, even without the action of the exciting electric field. However, by appropriately phase shifting the electric field with respect to the oscillations of the plasma causes this itself to absorb energy from the gradient of the electric field potential with the result that the oscillation amplitudes of the plasma are increased. As a result the far greater mobility of electrons compared to that of ions (3672: 1) So the electrons will take up almost the entire installed power, however becomes the absorbed due to the mutual attraction between electrons and ions kinetic energy gain quickly distributed between the opposite equivalents electrically charged particles. The electrical charge separation becomes evident effectively the exit of the particles (electrons and ions) from the magnetic Counteract the mirror system. Because these bottle necks have a soft spot of magnetic To represent a limitation, a relatively weak magnetic field will suffice.

Obwohl die kinetische Energie des Plasmas auf diese Weise enorm gesteigert werden kann, ist diese Bewegung noch gleichgerichtet, wogegen ungerichtete Bewegung eine kinetische Temperatur darstellt, welche erforderlich ist, um Zusammenstöße von Teilchen mit hoher Geschwindigkeitsenergie zur Erzeugung nuklearer Fusions-Reaktionen herbeizuführen. In der Beschreibung sind die geringen Wirkungen der fortschreitenden Rotation der Teilchen auf der Schraubenlinie sowie der Krümmung der magnetischen Feldlinien zum Flaschenhals nicht berücksichtigt.Although the kinetic energy of the plasma is increased enormously in this way can be, this movement is still in the same direction, whereas undirected movement represents a kinetic temperature, which is necessary for collisions of particles with high velocity energy to generate nuclear fusion reactions bring about. In the description, the minor effects are progressive Rotation of the particles on the helix as well as the curvature of the magnetic Field lines to the bottle neck are not taken into account.

Das Mittel um die geordnete Schwingungsbewegung der Ionen in transversale Geschwindigkeitskomponenten umzuwandeln, besteht darin, daß man das elektrische Feld mit einer bestimmten Neigung zum magnetischen Feld anordnet. Wenn die in Richtung des magnetischen Feldes schwingenden Teilchen die magnetischen Feldlinien schneiden, so wird ihre Geschwindigkeitskomponente normal zum magnetischen Feld ihre Ablenkung in transversaler Richtung bewirken. Die natürliche Schwingungsfrequenz des eingeschlossenen Plasmas kann beeinflußt werden durch die Längendimension der magnetischen Flasche, die einstellbar angeordnet werden kann.The means for the orderly oscillatory movement of the ions in transversal To convert velocity components consists in converting the electrical Field arranges with a certain inclination to the magnetic field. When the in the direction of the magnetic field oscillating particles intersect the magnetic field lines, so their velocity component becomes normal to the magnetic field their deflection effect in the transverse direction. The natural vibration frequency of the trapped Plasmas can be influenced by the length dimension of the magnetic bottle, which can be arranged adjustable.

Die Ionen der Reagenzien (Deuteronen und möglicherweise Tritonen) werden in das Spiegelmagnetfeld durch einen der Flaschenhälse eingeführt. Zu dem Zweck müssen die Ionen auf verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden, um den entgegenwirkenden magnetischen Druck der Feldkonzentration überwinden zu können. Die Ionen werden pulsierend (intermittierend) in den Flaschenhals gefördert, und zwar in Phase mit dem überlagerten elektrischen Wechselfeld, damit dieses zur Beschleunigung der Ionen in die Reaktionszone beiträgt. Da ferner das elektrische Feld so angeordnet ist, daß es das magnetische Feld unter einem verhältnismäßig kleinen Winkel schneidet, so werden die Längsmomentum-Komponenten der Ionen teilweise in transversale Komponenten umgewandelt und dadurch deren Entweichen durch den gegenüberliegenden Flaschenhals verhindert.The ions of the reagents (deuterons and possibly tritons) are introduced into the mirror magnetic field through one of the bottle necks. In addition Purpose, the ions must be accelerated to a relatively high speed, to overcome the counteracting magnetic pressure of the field concentration can. The ions are pulsed (intermittently) into the bottle neck, namely in phase with the superimposed alternating electric field, so that this to Accelerating the ions into the reaction zone contributes. Furthermore, since the electrical Field is arranged so that it is the magnetic field under a proportionate intersects a small angle, the longitudinal momentum components of the ions become partial converted into transverse components and thereby their escape through the opposite one Bottle neck prevented.

Die Teilchenbeschleunigung kann bekanntlich folgendermaßen durchgeführt werden: a) Ein elektrischer Leiter ist mit zweckentsprechender Steigung um eine Ionenstrecke gewickelt. Durch diesen Leiter wird ein pulsierender Hochfrequenzstrom geschickt. Jeder Stromimpuls ist begleitet von einem magnetischen Feld, welches mit hoher Geschwindigkeit gegenüber der Ionenstrecke fortschreitet. Durch Einwirken der magnetischen Impulse auf die Ionen werden diese auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Steigung und Anzahl der Windungen des Leiters bestimmen die Geschwindigkeit des Fortschritts der Wellengruppen entlang der Ionenstrecke. Infolgedessen bewegen sich die Ionen durch die Einwirkung der magnetischen Wellengruppen auf einer Schraubenbahn mit kleiner Ra, dialkomponente.As is known, the particle acceleration can be carried out as follows be: a) An electrical conductor is with an appropriate slope by one Ion path wound. A pulsating high-frequency current is passed through this conductor sent. Each current pulse is accompanied by a magnetic field, which advances at high speed with respect to the ionic path. By acting The magnetic impulses on the ions accelerate them to high speeds. The pitch and number of turns of the conductor determine the speed of the Progress of the wave groups along the ion path. As a result, move the ions through the action of the magnetic wave groups on a helical path with a small radial component.

b) Das zweite Verfahren beruht ebenfalls auf der fortschreitenden Einwirkung von Wellengruppen, aber hervorgerufen durch eine Reihe von Feldwindungen um die Ionenstrecke, welche so geschaltet sind, daß ein mit hoher Geschwindigkeit fortschreitendes Magnetfeld erzeugt wird. Zur Erzeugung hoher Geschwindigkeiten in der Ionenstrecke muß eine größere Anzahl von Windungen angeordnet werden.b) The second method is also based on the progressive one Effect of wave groups, but caused by a series of field windings around the ion path, which are switched so that a high speed advancing magnetic field is generated. For generating high speeds A larger number of turns must be arranged in the ion path.

c) ein zusätzliches Verfahren der Einbringung der Reagenzien in das Spiegelmagnetfeld besteht darin, daß neutrale Moleküle von Deuterium (und möglicherweise Tritium und Helium) vorzugsweise axial durch den Hals der magnetischen Flasche gefördert werden. Infolge der starken Schwingungen des Plasmas ist der Zusammenstoßquerschnitt und folglich die Ionisation groß. Moleküle, die auf diese Weise nicht eingefangen werden, gehen ungehindert durch das magnetische und elektrische Feld der Flasche und können durch eine Vakuumpumpe abgesaugt und zur Wiedereinführung zurückgeleitet werden.c) an additional method of introducing the reagents into the Mirror magnetic field consists in the fact that neutral molecules of deuterium (and possibly Tritium and helium) preferably axially conveyed through the neck of the magnetic bottle will. The collision cross-section is due to the strong vibrations of the plasma and consequently the ionization great. Molecules that way not be caught, go unhindered by the magnetic and electrical Box of the bottle and can be sucked out by a vacuum pump and reintroduced be returned.

Claims

Claim: Method for generating a high-temperature plasma using a magnetic mirror system, the ions through one of the bottle necks are supplied and its magnetic field is superimposed on a high-frequency electric field being, the frequency of the electric field being a resonance frequency of the plasma particles corresponds, characterized in that the high frequency through the bottle necks inclined to the axis of the mirror system is irradiated out of phase. Into consideration Printed publications: German Auslegeschrift No. 1110 336; British patents No. 846 547, 867 315; USA: Patent No. 2,991,238; "Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomie Energy ", Vol. 31, 1958, pp. 341 to 347.